半導(dǎo)體器件物理16

第四章結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和金屬－半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管又稱PN結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，通常用其英文縮寫(xiě)詞JFET（JunctionFieldEffectTransistor）表示。金屬－半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管又稱肖特基勢(shì)壘柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，通常用其英文縮寫(xiě)詞MESFET（MetalSemiconductorFieldEffectTransistor）表示。目前JFET和MESFET在微波、高速、高功率應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)著重要的地位?！?.1JFET和MESFET的結(jié)構(gòu)和工作原理（1）JFET的基本結(jié)構(gòu)1．JFET和MESFET的結(jié)構(gòu)上圖為N溝道JFET的結(jié)構(gòu)示意圖。在N型半導(dǎo)體的上下兩側(cè)各有一個(gè)高摻雜的區(qū)，形成上下兩個(gè)結(jié)，通常稱之為柵結(jié)。N區(qū)兩端各做歐姆接觸，從其上引出的電極分別稱為源極（S）和漏極（D）。上下區(qū)表面也做歐姆接觸，引出的電極稱為柵極（G），大多數(shù)JFET的上下柵極是連在一起的，因此，JFET實(shí)際上只有三個(gè)引出端。其中N區(qū)為電導(dǎo)溝道。JFET的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有：溝道長(zhǎng)度

、溝道寬度、溝道厚度等；工藝參數(shù)主要有N型溝道區(qū)和型柵極區(qū)的摻雜濃度和。（2）MESFET的基本結(jié)構(gòu)與JFET結(jié)構(gòu)類(lèi)似，MESFET也有源極（S）、柵極（G）、漏極（D）三個(gè)引出端，主要區(qū)別是柵結(jié)不同。JFET的柵結(jié)為PN結(jié)；而MESFET的柵結(jié)為金屬－半導(dǎo)體接觸形成的肖特基勢(shì)壘（或稱肖特基結(jié)）。目前，半導(dǎo)體材料多選用GaAs。在半絕緣GaAs襯底上外延生長(zhǎng)一層N型GaAs，然后用蒸發(fā)方法一次完成源、漏的歐姆接觸和柵肖特基勢(shì)壘。2．JFET的工作過(guò)程（a）（b）時(shí)工作過(guò)程（c）漏極電流－電壓特性為了簡(jiǎn)化說(shuō)明JFET的工作過(guò)程，把源極和柵極接地，使漏極電壓置于，柵端PN結(jié)為反向偏壓。忽略源和漏的接觸電阻和它們下方的體電阻。在這些條件下，在處，柵PN結(jié)兩邊電壓為零，但在處，整個(gè)電壓都加在PN結(jié)上。當(dāng)電流（稱為漏極電流或漏電流）從漏極沿溝道流向源極時(shí)，由于溝道電阻的存在，從漏極端到源極端沿著整個(gè)溝道會(huì)產(chǎn)生電位降，即從處的下降到處的零電位。結(jié)果是，在漏的一端空間電荷區(qū)向溝道內(nèi)擴(kuò)展得更深些，如圖（a）所示。當(dāng)增加時(shí)，溝道的狹口變得更窄，溝道電阻進(jìn)一步增大。隨著漏端電壓進(jìn)一步增大，則將會(huì)達(dá)到如圖（b）所示的情況：在處，空間電荷區(qū)連通，且連通區(qū)域內(nèi)的自由載流子全部耗盡，這種現(xiàn)象叫做溝道夾斷。溝道夾斷時(shí)的漏電壓稱為飽和漏電壓，用表示。夾斷后再增加漏電壓，夾斷點(diǎn)將向源端移動(dòng)，但由于夾斷點(diǎn)電位保持為，所以漏電流將不會(huì)顯著增加，因而電流處于飽和而溝道電阻變得很大。漏電流用表示，飽和漏電流用表示。漏相對(duì)地的電流－電壓特性如上圖（c）所示，其中稱為夾斷電壓。

3．JFET和MESFET的分類(lèi)無(wú)論是JFET還是MESFET，按導(dǎo)電的溝道可分為N溝道和P溝道型。按零柵壓（）時(shí)器件的工作狀態(tài)分為增強(qiáng)型（常關(guān)型）和耗盡型（常開(kāi)型）。增強(qiáng)型指柵偏壓為零時(shí)，溝道是夾斷的，只有外加正向偏壓時(shí)，才能開(kāi)始導(dǎo)電。耗盡型指柵偏壓為零時(shí)，溝道是導(dǎo)通的，而欲使溝道夾斷，必須給PN結(jié)施加反向偏壓。因此JFET和MESFET均有4種類(lèi)型：N溝耗盡型、N溝增強(qiáng)型、P溝耗盡型和P溝增強(qiáng)型。（1）N溝耗盡型JFETN溝耗盡型的導(dǎo)電溝道為N型，柵極區(qū)為層。當(dāng)時(shí)，已存在導(dǎo)電溝道，溝道電阻小，一旦在漏、源極之間加上電壓，就有很大的電流流過(guò)溝道；只有當(dāng)柵壓為負(fù)，且高到一定程度時(shí)，漏極電流才截止（所以其夾斷電壓為負(fù)值）。（2）N溝增強(qiáng)型JFETN溝增強(qiáng)型與N溝耗盡型JFET的結(jié)構(gòu)基本類(lèi)似。當(dāng)時(shí)，整個(gè)溝道已被柵結(jié)空間電荷所占滿，全溝道夾斷，溝道電阻很大，因此即使在漏、源極之間加上電壓，溝道電流也接近于零（即N溝增強(qiáng)型JFET為常關(guān)型器件）。只有當(dāng)正柵壓（）高到一定程度時(shí)，漏極電流才開(kāi)始顯著增加，所以其閾值電壓是正值。

（3）P溝耗盡型JFET（4）P溝增強(qiáng)型JFET各種類(lèi)型的MESFET有與上述JFET相應(yīng)的特點(diǎn)。P溝耗盡型導(dǎo)電溝道為P型半導(dǎo)體，柵極區(qū)為層。當(dāng)柵極電壓時(shí)，已存在導(dǎo)電溝道，溝道電阻小，一旦在漏、源極之間加上電壓，就有很大的溝道電流流過(guò)溝道；只有當(dāng)柵壓為正，且高到一定程度時(shí)，漏極電流才截止。P溝增強(qiáng)型JFET與P溝耗盡型JFET的結(jié)構(gòu)基本類(lèi)似。當(dāng)柵極電壓時(shí)，整個(gè)溝道已被柵結(jié)空間電荷所占滿，全溝道夾斷，溝道