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1、第三章结型场效应晶体管微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：13510269257 mail：mail：mail：第1页，本讲稿共31页第3章 结型场效应晶体管 教师：余菲 电子邮件： 电话：13510269257第2页，本讲稿共31页讨论主题：n1.场效应晶体管介绍n2.JFET工作原理n3.JFET的直流特性第3页，本讲稿共31页1.场效应晶体管介绍n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.DS电流电场第4页，本讲稿共31页1965年，按照摩尔老先生在文章
2、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。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。第5页，本讲稿共31页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。到了1983年，Intel首次
3、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1633MHz，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。第6页，本讲稿共31页直到1993年
4、，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75MHz120MHz，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。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第7页，本讲稿共31页0.35um0.25um0.18um1997-2002（.35&.25&.18时代）第8页，本讲稿共31页0.13um2002年0.045um2008年0
5、.09um第9页，本讲稿共31页第10页，本讲稿共31页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).第11页，本讲稿共31页场效应管的分类:n场效应管分结型、绝缘栅型(MOS)两大类n按沟道材料:结型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种.n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。第12页，本讲稿共31页第13页，本讲稿共31页2.基本原理SDG理想对称结构结型场效应晶体管理想对称结构结型场效应晶体管JFETJ:junctionF:fieldE:effectT:transistorMe
6、talP+-SiN-SiN+-Si第14页，本讲稿共31页SDN沟道沟道JFET正常状态下的偏置方式正常状态下的偏置方式 P+N P+G第15页，本讲稿共31页IDS/mAVDS/V非非饱饱和和区区饱和区饱和区击击穿穿区区VGS=0abcVDSat第16页，本讲稿共31页IDS/mAVGS/VVPIDSS转移特性与输出转移特性与输出特性密切相关特性密切相关N管：管：VP0当当VGS=VP沟道被夹断沟道被夹断0.7第17页，本讲稿共31页VGS=0 VDS很小很小SD P+N P+G第18页，本讲稿共31页S P+N P+GPVGS=0 VDS=VDSatD第19页，本讲稿共31页VGS=0 V
7、DSVDSatSD P+N P+GP第20页，本讲稿共31页3.直流特性1.PN节空间电荷区宽度和电压关系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第21页，本讲稿共31页n导通栅源阈值电压:n饱和漏源电压:第22页，本讲稿共31页饱和区工作条件:第23页，本讲稿共31页非饱和区工作条件:第24页，本讲稿共31页n非饱和区电流公式：其中其中是两个冶金结间形成沟道之是两个冶金结间形成沟道之电导电导VD是结接触电势差是结接触电势差第25页，本讲稿共31页n饱和电流公式：其中其中是最大饱和漏极电流是最大饱和漏极电流是本征夹断电压，漏源电压为零时栅结耗尽层是本征夹断电
8、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穿通整个沟道所需的栅源电位差第26页，本讲稿共31页n最大饱和电流：第27页，本讲稿共31页跨导定义跨导定义：非饱和区跨导非饱和区跨导：饱和区跨导饱和区跨导：最大饱和区跨导最大饱和区跨导：第28页，本讲稿共31页最小沟道电阻最小沟道电阻Rmin第29页，本讲稿共31页从输出特性看几个参数IDS/mAVDS/V非非饱饱和和区区饱和区饱和区击击穿穿区区VGS=0abcVDSat=7vVGS=-1VGS=-2VGS=-3第30页，本讲稿共31页总结n对比双极晶体管和场效应晶体管n理解理解JFET的工作原理n掌握掌握JFET工作在不同区域的条件，以及夹断电压的定义n了解了解JFET的电流公式，饱和电流公式，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第31页，本讲稿共31页