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第三章 结型场效应晶体管


微电子元器件与项目训练

授课教师:余菲

第3章 结型场效应晶体管

教师:余菲
电子邮件:yufei198275@oa.szpt.net 电话:13510269257

讨论主题:
1.场效应晶体管介绍 2.JFET工作原理 3.JFET的直流特性

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1.场效应晶体管介绍
什么是场效应管?
场效应晶体管【Field Effect Transistor缩写(FET)】 简称场效应管.由多数载流子参与导电,也称为单极型 晶体管.它属于电压控制型半导体器件.
电场

D

电 流

S

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1971年,Intel发布了第一个微处理器 4004。4004采用10微米工艺生产, 仅包含2300多个晶体管,时钟频率 为108KHz。
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1965年,按照摩尔老先生在文章 中提出,芯片上集成的晶体管数 量大约每18个月就将翻一番。

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1974年,主频为2MHz的8位微处理器8080问世,它 采用6微米工艺,集成了6000个晶体管。由于它采 用了NMOS(N沟道MOS)电路,因此运算速度比 8008快10倍,后者采用了PMOS(P沟道MOS)电 路。之后,在1978年Intel又陆续推出了8086处理器, 这时工艺已经缩减为3微米工艺,含2.9万个晶体管, 频率有4.77MHz、8MHz和10MHz。
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到了1983年,Intel首次推 出了新型处理器286,它含有 13.4万个晶体管,频率为6MHz、 8MHz、10MHz和12.5MHz。 随后1985年,推出了386处理 器,含27.5万个晶体管,频率 为16~33MHz,具备初级多任 务处理能力)等处理器。1989 年,Intel发布了486处理器。这 款经过4年开发和3亿美金投入 的处理器首次突破了100万个 晶体管大关,主频也从25MHz 逐步提高到33MHz、40MHz、 50MHz、66MHz,此时,处理 器工艺已经全面采用了1微米 工艺,并且在芯片内集成了 125万个晶体管,这时芯片内 的晶体管数量已经超过了Intel 4004处理器内晶体管数量的五 百倍。

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直到1993年,采用800纳米的奔腾 (Pentium)的出世,让CPU全面从微米 时代跨入了纳米时代。奔腾含有310万 个晶体管,代表型号有Pentium 60 (60MHz)和Pentium 66(66MHz)。 此后,Intel又推出了奔腾75MHz~ 120MHz,制造工艺则提高到500纳米, 此后CPU发展直接就跳转至350nm工艺 时代。
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Pentium MMX, Intel于1996 年发明在0.35微米工艺的帮 助下,工作频率突破了 200MHz

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0.35um 0.18um

1997-2002 (.35&.25&.18时代)
0.25um
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0.13um 2002年 0.09um

0.045um 2008年
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双极型晶体管和场效应晶体管的异同:

对比双极和FET: 速度,功耗,应用,工 艺水平,控制方式(电压/电流).

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场效应管的分类:
场效应管分结型、绝缘栅型(MOS)两大 类 按沟道材料:结型和绝缘栅型各分N沟道 和P沟道两种. 按导电方式:耗尽型与增强型,结型场效应 管均为耗尽型,绝缘栅型场效应管既有耗 尽型的,也有增强型的。
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2.基本原理
G S
Metal P+-Si N-Si N+-Si

J: junction F: field E: effect T: transistor

D

理想对称结构结型场效应晶体管JFET 理想对称结构结型场效应晶体管
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S

P+ N P+ G

D

N沟道 沟道JFET正常状态下的偏置方式 沟道 正常状态下的偏置方式
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IDS/mA
非 饱 和 区

饱和区 VGS=0

b

c

击 穿 区

a

VDSat
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VDS/V
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IDS/mA N管:VP<0 管 P管:VP>0 管 当VGS=VP 沟道被夹断 IDSS 转移特性与输出 特性密切相关

VP
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0.7

VGS/V

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G
P+

S

N P+

D

VGS=0
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VDS很小

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G
P+

S

N P+

P

D

VGS=0
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VDS=VDSat

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G S
P+ N P+
P

D

VGS=0

VDS>VDSat

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3.直流特性
1. PN节空间电荷区宽度和电压关系
X= 2εε 0V N Dq

2.开始导通和饱和的原理 定义夹断电压: 在源漏电压为0时,使沟道完全 闭合的电压 2

qN D a Vp = ? 2εε 0

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导通栅源阈值电压: VT
VGS qN D a 2 = VT = VP = ? 2εε 0

饱和漏源电压: VDsat
VGD = VGS ? VDS qN D a 2 = VP = ? 2εε 0 qN D a 2 ? VP = VGS + 2εε 0

VDS = VDsat = VGS

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1. V GS ≥ V T ? V GS qN D a 2 ≥? 2 εε 0

饱和区 工作条件:

2. V DS ≥ V GS ? V P ? V DS ≥ V GS ? V GS ≤ V DS ? qN D a 2 qN D a 2 ? ≤ V GS ≤ V DS ? 2 εε 0 2 εε 0 qN D a 2 + 2 εε 0 qN D a 2 ? 2 εε 0

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1. VGS ≥ VT

非饱和区 工作条件:

? VGS

qN D a 2 ≥? 2εε 0

2. VDS ≤ VGS ? VP ? VDS ≤ VGS ? VGS ≥ VDS ? VGS qN D a 2 ≥? + VDS 2εε 0 qN D a 2 + 2εε 0 qN D a 2 ? 2εε 0

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非饱和区电流公式:
3 3 ? ? 2 2εε0 ? (VDS +VD ?VGS )2 ? (VD ?VGS )2 ?? I D = G0 ?VDS ? ? 3a qND ? ? ?? ? 其中 2aWq? n N D 是两个冶金结间形成沟道之电导 是两个冶金结间形成沟道之电导

G0 =

L

VD是结接触电势差

VD

kT NA?ND = ln q n i2

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1 ? ? 2 ?1? 3? VBJ ?VGS ? + 2? VBJ ?VGS ? ? ? ? ? ? I Dsat = I DSS ? ? VP0 ? ? VP0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

饱和电流公式:

其中

I DSS
VP 0

2 a 3Wq 2 ? n N D = 3εε 0 L

是最大饱和漏极电流

qN D a 2 = 2εε 0

是本征夹断电压, 是本征夹断电压,漏源电压为零时栅结 耗尽层穿通整个沟道所需的栅源电位差
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最大饱和电流: VBJ : 为PN节压降 VGS = VBJ ≈ 0
2 a 3Wq 2 ? n N D = 3εε 0 L

I DSS

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?I DS 跨导定义: 跨导定义 gm = ?VGS V

DS =常数

? 1? 非饱和区跨导: 非饱和区跨导 gm = G0? ? ?V ? ? P0 ?

1 2

?(V +V ?V )1 ?(V ?V )1 ? 2 2 BJ GS ? ? DS BJ GS ? ?

1 ? ? 2 ?1? ?VBJ ?VGS ? ? ? ? 饱和区跨导: 饱和区跨导 gms = G0 ? ? V P0 ? ? ? ? ? ?

最大饱和区跨导: 最大饱和区跨导 gmmax = G0 = 2a?nqND W L
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当VGS = 0,VDS ? 〉时 0

最小沟道电阻R 最小沟道电阻 min

VDS R= IDS L L 1 Rmin = ≈ = 2q?n ND (a ? xD )W 2q?n NDaW G0

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从输出特性看几个参数
IDS/mA
非 饱 和 区 饱和区 VGS=0

b

c

VGS=-1 VGS=-2

击 穿 区

a

VGS=-3

VDSat = 7v
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VDS/V

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总结
对比双极晶体管和场效应晶体管 理解JFET的工作原理 理解 掌握JFET工作在不同区域的条件,以及 掌握 夹断电压的定义 了解JFET的电流公式,饱和电流公式, 了解 最大饱和电流公式,最大跨导公式(电 阻),以及影响它们的条件
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