2023年Lecture9v2.pdf

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1、 Lect ur e9v2 精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢11 第九讲金属半导体场效应晶体管（FET）-概述 器件结构及作用 概念和结构 一般结构 作用的基础；器件类型 输出特性 渐变沟道近似 速度饱和 速度饱和问题 速度饱和的特性 小信号等效模型 高频性能 制造工艺 加工难题：（异质结构对我们生活有益的地方）1，半绝缘衬底；2，金属半导体场势垒栅；3，阈值控制；4，栅电阻；5，内阻和漏电阻 典型结果 1，外延层台式晶体管；2，质子隔离；3，n+/n 外延层和凹陷；4，向 SI-GaAs 中的直接注入 BJT/FET 比较 BJT/FET 比较（续）那好

2、，但是在势垒的控制上有更多的不同 质结构对我们生活有益的地方半绝缘衬底金属半导体场势垒栅阈值控制栅电阻内阻和漏电阻典型结果外延层台式晶体权请联系网站删除谢谢精品好文档推荐学习交流载流子基极中的少数载流子沟道中的多数载流子流动机理基极中的扩能是最重要的不同机理金属氧化物半导体场效应晶体管和结型场效应晶体管金属半导体场效应晶体管结型场效应晶体精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢11 BJT FET 载流子 基极中的少数载流子 沟道中的多数载流子 流动机理 势垒控制 基极中的扩散 与基极直接接触 沟道中的漂移 门电路元件导致的改变 电流的机理，少数载流子扩散和多数载

3、流子漂移，可能是最重要的不同。FET 机理金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和结型场效应晶体管（JFET）/金属半导体场效应晶体管（MESFET）结型场效应晶体管（JFET）质结构对我们生活有益的地方半绝缘衬底金属半导体场势垒栅阈值控制栅电阻内阻和漏电阻典型结果外延层台式晶体权请联系网站删除谢谢精品好文档推荐学习交流载流子基极中的少数载流子沟道中的多数载流子流动机理基极中的扩能是最重要的不同机理金属氧化物半导体场效应晶体管和结型场效应晶体管金属半导体场效应晶体管结型场效应晶体精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢11 质结构对我们生活有益的地方半绝缘衬

4、底金属半导体场势垒栅阈值控制栅电阻内阻和漏电阻典型结果外延层台式晶体权请联系网站删除谢谢精品好文档推荐学习交流载流子基极中的少数载流子沟道中的多数载流子流动机理基极中的扩能是最重要的不同机理金属氧化物半导体场效应晶体管和结型场效应晶体管金属半导体场效应晶体管结型场效应晶体精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢11 对栅源结施加反向偏压会增加栅极耗尽层宽度，并限制源极和漏极之间的 n 型导带。JFET（续）工作区：a，夹断以下的线性区 VP VGS0,VDS 小 b，接近夹断的线性区 VP VGS0,VDS 接近(VGS VP)c，夹断区 VP VGS(VGS V

5、P)d，夹断区 VGS VP 0 金属半导体场效应晶体管（MESFET）其作用与 JFET 的很相似。P-n 结栅极被肖特基势垒代替，并且低接触和 P-n 结被 消除，由于轻微掺杂的 p 型衬底被半绝缘衬底代替。质结构对我们生活有益的地方半绝缘衬底金属半导体场势垒栅阈值控制栅电阻内阻和漏电阻典型结果外延层台式晶体权请联系网站删除谢谢精品好文档推荐学习交流载流子基极中的少数载流子沟道中的多数载流子流动机理基极中的扩能是最重要的不同机理金属氧化物半导体场效应晶体管和结型场效应晶体管金属半导体场效应晶体管结型场效应晶体精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢11 MES

6、FET 的电流-电压特性 我们研究两种电流，iG 和 iD，试图找出它们关于两种电压，vGS 和 vDS 的函数关系：质结构对我们生活有益的地方半绝缘衬底金属半导体场势垒栅阈值控制栅电阻内阻和漏电阻典型结果外延层台式晶体权请联系网站删除谢谢精品好文档推荐学习交流载流子基极中的少数载流子沟道中的多数载流子流动机理基极中的扩能是最重要的不同机理金属氧化物半导体场效应晶体管和结型场效应晶体管金属半导体场效应晶体管结型场效应晶体精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢11 iG（vGS，vDS）和 iD（v GS，vDS）如果把模型中的漏源电压限制在大于零，把栅源电压限制

7、在小于肖特基二极管的开 启电压，我们就可以认为栅极电流可以忽略，并且 iG 0。iD（vGS，vDS），如果 vGSVon，并且 vDS0 我们的主要问题是找到漏极电流 iD 的表达式。漏极电流的路径是通过沟道到源极，我们用渐变沟道近似对其建模。MESFET 的电流-电压特性 我们用来描述漏极电流-电压的模型是渐变沟道近似。在这个模型中，我们假设沟 道中的电流全部是在 y 方向，中止于栅极的电场线完全是垂直的。渐变沟道近似：在沟道上的电场线是严格垂直的，电流是严格水平的 MESFET 的电流-电压特性：渐变沟道近似 如果渐变沟道近似是成立的，我们可以解两个独立的一维问题：1，水平（x）方向上的

8、静电问题，确定：沟道中 y 方向上任意点上的流动电荷面密度 2，y 方向上的漂移问题，目的是找到沿着沟道的电压降和电流的关系。将这个关 系的表达式从 y=0 到 y=L 进行积分，就可以得到描述漏极电流和栅极及漏极电压的最 终 表 达 式。质结构对我们生活有益的地方半绝缘衬底金属半导体场势垒栅阈值控制栅电阻内阻和漏电阻典型结果外延层台式晶体权请联系网站删除谢谢精品好文档推荐学习交流载流子基极中的少数载流子沟道中的多数载流子流动机理基极中的扩能是最重要的不同机理金属氧化物半导体场效应晶体管和结型场效应晶体管金属半导体场效应晶体管结型场效应晶体精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联

9、系网站删除 谢谢11 质结构对我们生活有益的地方半绝缘衬底金属半导体场势垒栅阈值控制栅电阻内阻和漏电阻典型结果外延层台式晶体权请联系网站删除谢谢精品好文档推荐学习交流载流子基极中的少数载流子沟道中的多数载流子流动机理基极中的扩能是最重要的不同机理金属氧化物半导体场效应晶体管和结型场效应晶体管金属半导体场效应晶体管结型场效应晶体精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢11 MESFET 的电流-电压特性：垂直方向静电问题 沿着沟道 y 位置上的面载流子浓度是：此处的耗尽层宽度为：结合上两式得到：这就是我们想从垂直问题中得到的结果。MESFET 的电流-电压特性：水平

10、方向漂移电流问题 定义 Vcs(y)为沟道中 y 点与源极有关的电压 Vcs(y)从 y=L 处的 vDS 变化为 y=0 处的 0 沟道中的水平电场，Ey，-dvcs(y)/dy 漏极电流，iD，从沟道右边流向左边的电流：iD 是常数，不随 y 变化 在任何 y 点，iD 是是那个 y 点的面电荷密度，与它的净漂移速度，和沟道 宽度的乘积。MESFET 的电流-电压特性：水平方向漂移电流问题(续)质结构对我们生活有益的地方半绝缘衬底金属半导体场势垒栅阈值控制栅电阻内阻和漏电阻典型结果外延层台式晶体权请联系网站删除谢谢精品好文档推荐学习交流载流子基极中的少数载流子沟道中的多数载流子流动机理基极

11、中的扩能是最重要的不同机理金属氧化物半导体场效应晶体管和结型场效应晶体管金属半导体场效应晶体管结型场效应晶体精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢11 我们得到电流表达式：质结构对我们生活有益的地方半绝缘衬底金属半导体场势垒栅阈值控制栅电阻内阻和漏电阻典型结果外延层台式晶体权请联系网站删除谢谢精品好文档推荐学习交流载流子基极中的少数载流子沟道中的多数载流子流动机理基极中的扩能是最重要的不同机理金属氧化物半导体场效应晶体管和结型场效应晶体管金属半导体场效应晶体管结型场效应晶体精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢11 将各项重新排列

12、，乘 dy，将两边从 y=0,vcs=0 到 y=l,vcs=vDS 进行积分：进行积分，两边除 L，得到：MESFET 的电流-电压特性：线性或三极管区 我们的结果是：图示为：这个结果在适用于 xd(y)=a 之前，这种情况发生在 y=L 点，时。MESFET 的电流-电压特性：饱和区 对于较大的 vDS，即，时 电流 iD 还保持在峰值，即：其中：质结构对我们生活有益的地方半绝缘衬底金属半导体场势垒栅阈值控制栅电阻内阻和漏电阻典型结果外延层台式晶体权请联系网站删除谢谢精品好文档推荐学习交流载流子基极中的少数载流子沟道中的多数载流子流动机理基极中的扩能是最重要的不同机理金属氧化物半导体场效应

13、晶体管和结型场效应晶体管金属半导体场效应晶体管结型场效应晶体精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢11 图示为：MESFET 的电流-电压特性：总结 我们确定了夹端电压，Vp，和未耗尽沟道电导，Go：我们可以由此写出三个区中漏极电流的表达式：夹断区：当(vGS-Vp)0vDS 时：iD=0（当 vGSVp 时，对于所有的 vDS，沟道都 被夹断，器件也被夹断，即 iD=0）饱和区：当 0(vGS-Vp)vDS 时：线性区：当 0vDS(vGS-Vp)时：质结构对我们生活有益的地方半绝缘衬底金属半导体场势垒栅阈值控制栅电阻内阻和漏电阻典型结果外延层台式晶体权请联系

14、网站删除谢谢精品好文档推荐学习交流载流子基极中的少数载流子沟道中的多数载流子流动机理基极中的扩能是最重要的不同机理金属氧化物半导体场效应晶体管和结型场效应晶体管金属半导体场效应晶体管结型场效应晶体精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢11 MESFET 特性：沟道长度调制 在实际中，我们发现在饱和区中，iD随着vDS增大而轻微增大。这是因为在夹断点以上 等效沟道长度随着 vDS增大而减小。我们将其表示为：LL(1-vDS)其含义是：1/L(1+vDS)/L 因此：Go(1+vDS)Go 注意：参数的单位是 1/伏特，根据惯例，它的倒数被称为初电压：初电压，VA=

15、1/大信号模型：增强型FET 在我们前面的讨论中，我们已经指出，在栅极没有偏压的情况，即vGS=0时，源极 和漏极之间有一个导电沟道。这样的器件叫做耗尽型 FET 如果栅极下面的掺杂层很薄，或者掺杂程度很轻，那么当栅极没有偏压时，它就 会被完全耗尽。这样的器件叫做增强型 FET（这种FET是典型的MOSFET）。必须对增强型MESFET 的栅极施加正向偏压，以开启沟道。增强型MESFET 在栅极二极管导通前不会被开启。这是一个很重要的限制，MOSFET 和MESFET 之间的很大区别。MESFET 线性等效电路 质结构对我们生活有益的地方半绝缘衬底金属半导体场势垒栅阈值控制栅电阻内阻和漏电阻典

16、型结果外延层台式晶体权请联系网站删除谢谢精品好文档推荐学习交流载流子基极中的少数载流子沟道中的多数载流子流动机理基极中的扩能是最重要的不同机理金属氧化物半导体场效应晶体管和结型场效应晶体管金属半导体场效应晶体管结型场效应晶体精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢11 质结构对我们生活有益的地方半绝缘衬底金属半导体场势垒栅阈值控制栅电阻内阻和漏电阻典型结果外延层台式晶体权请联系网站删除谢谢精品好文档推荐学习交流载流子基极中的少数载流子沟道中的多数载流子流动机理基极中的扩能是最重要的不同机理金属氧化物半导体场效应晶体管和结型场效应晶体管金属半导体场效应晶体管结型场效

17、应晶体精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢11 MESFET 线性等效电路(续)上页中的公式在数学上的恒等的；它们没有向我们提供器件的任何物理特性信息。我们 需要一个描述FET 在饱和状态下被施加偏压的模型，我们使用此时的电流表达式：（注意iG=0，所以gi和gr都是零）线性等效电路模型图解法 结果的电路表示法是：为了将这个模型推广到高频情况，我们引入小信号线性电容来表示栅极中储存的电荷。MESFET 的速度饱和问题 （图片已删除）见：图4-10-4:Shur,M.S.,Physics of Semiconductor Devices Englewood Cl

18、iffs,N.J.:Prentice-Hall,1990 速度饱和模型对MESFET 的电流-电压特性的影响 质结构对我们生活有益的地方半绝缘衬底金属半导体场势垒栅阈值控制栅电阻内阻和漏电阻典型结果外延层台式晶体权请联系网站删除谢谢精品好文档推荐学习交流载流子基极中的少数载流子沟道中的多数载流子流动机理基极中的扩能是最重要的不同机理金属氧化物半导体场效应晶体管和结型场效应晶体管金属半导体场效应晶体管结型场效应晶体精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢11 模型 A:质结构对我们生活有益的地方半绝缘衬底金属半导体场势垒栅阈值控制栅电阻内阻和漏电阻典型结果外延层台式

19、晶体权请联系网站删除谢谢精品好文档推荐学习交流载流子基极中的少数载流子沟道中的多数载流子流动机理基极中的扩能是最重要的不同机理金属氧化物半导体场效应晶体管和结型场效应晶体管金属半导体场效应晶体管结型场效应晶体精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢11 模型B:速度饱和的影响模型A 前面的模型 在Sy在一些点上 等于Ssat之前一 直成立；在那之 后，电流即饱和 模型A：速度饱和的影响模型B 模型B:容易证明，我们在速度未饱和线性区的得到的表达式符合这个模型：质结构对我们生活有益的地方半绝缘衬底金属半导体场势垒栅阈值控制栅电阻内阻和漏电阻典型结果外延层台式晶体权请

20、联系网站删除谢谢精品好文档推荐学习交流载流子基极中的少数载流子沟道中的多数载流子流动机理基极中的扩能是最重要的不同机理金属氧化物半导体场效应晶体管和结型场效应晶体管金属半导体场效应晶体管结型场效应晶体精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢11 这就是乘 因数1/(1+VDS/FcritL)的原始表达式 质结构对我们生活有益的地方半绝缘衬底金属半导体场势垒栅阈值控制栅电阻内阻和漏电阻典型结果外延层台式晶体权请联系网站删除谢谢精品好文档推荐学习交流载流子基极中的少数载流子沟道中的多数载流子流动机理基极中的扩能是最重要的不同机理金属氧化物半导体场效应晶体管和结型场效应

21、晶体管金属半导体场效应晶体管结型场效应晶体精品好文档，推荐学习交流 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢11 爆炸型或T栅极MESFET （图片已删除）见：Hollis and Murphy in:Sze,S.M.,ed.,High Speed Semiconductor Devices，New York:Wiley 1990 MESFET 的代表性处理顺序 双凹面处理 SAINT处理（图片已删除）（图片已删除）见：Hollis and Murphy in:Sze,S.M.,ed.,High Speed Semiconductor Devices，New York:Wiley 1990 质结构对我们生活有益的地方半绝缘衬底金属半导体场势垒栅阈值控制栅电阻内阻和漏电阻典型结果外延层台式晶体权请联系网站删除谢谢精品好文档推荐学习交流载流子基极中的少数载流子沟道中的多数载流子流动机理基极中的扩能是最重要的不同机理金属氧化物半导体场效应晶体管和结型场效应晶体管金属半导体场效应晶体管结型场效应晶体