MOSFET中的两种JFET效应.docx
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MOSFET中的两种JFET效应
(为什么说MOSFET衬偏电压的作用就相当于JFET的背栅作用?
在
VDM0SFET中的寄生JFET对于器件导通电阻的影响怎样?
)
XieMeng-xian.(电子科大,成都市)
MOSFET和JFET是两种不同结构型式的场效应晶体管。
但是,在一定条件下,在MOSFET中也包含有JFET的功能,并且这种JFET的作用将对MOSFET的性能有较大的影响,这就是所谓JFET效应。
(1)JFET的基本性质:
JFET的结构特点是:
栅极是p-n结,并分为上、下两个栅极,即正面的栅极(正栅)和背面的栅极(背栅);沟道在体内,排除了表面的不良影响。
JFET通常是耗尽型的(D-JFET),即在栅-源电压为0时,沟道是导通的。
JFET的栅-源电压和源-漏电压的基本作用以及器件的基本特性,都类似于一般的场效应晶体管。
栅-源电压的作用:
加在栅P-n结上的电压是反向电压;当栅-源电压增大时,P-n结的耗尽层厚度展宽,所引起的效果有二:
一是耗尽层中的空间电荷数量增加,二是沟道宽度变窄。
耗尽型JFET的阈值电压也就是使沟道完全消失(器件截止)所需要加的反向栅-源电压(在源-漏电压为0时)。
源-漏电压的作用:
在源-漏电压较低时,沟道未夹断,JFET处于线性工作状态,则源-漏电流随着源-漏电压而近似线性地增大;这时JFET的输出直流电阻和输出交流电阻近似相等,并且都比较小。
在源-漏电压较高(Vds^Vt-Vgs)时,沟道即夹断,JFET处于电流饱和工作状态,则源-漏电流基本上与源-漏电压无关;这时JFET的输出交流电阻近似为无穷大(但当存在沟长调制效应时则否),而输出直流电阻将随着源-漏电压的增大而增大(因为沟道宽度随着源-
漏电压的增大而变窄的缘故),特别是在输出电流较小时,输出直流电阻的增大更加显著,如图1所示。
(2)MOSFET中的JFET效应:
对于MOSFET,在一定的使用条件下或者在一定的结构中,就存在着JFET效应。
在MOSFET中的JFET效应主要有两种:
①背栅控制作用——衬偏效应:
对于MOS-IC或者某些MOSFET,为了使MOSFET的场感应p-n结在工作中不会因衬底或者源极电位的变化而产生正偏的现象,往往就需要在源极-衬底之间加上一个较高的反向偏压衬偏电压。
因为衬偏电压的作用,实际上就相当于是一个JFET的功能——沟道-衬底的场感应p-n结作为栅极(背栅)控制着输出源-漏电流的大小。
所以,对于加有衬偏电压的MOSFET,从工作本质上来说,可看成是由一个MOSFET和一个JFET并联而成的器件,这就是说,加上衬偏电压也就相当于引入了一个额外的JFETo因此,这时在MOSFET中即存在着JFET的作用——JFET效应,或者称为衬偏效应(衬偏调制效应),又称为MOSFET的体效应。
MOSFET中的这种JFET效应有多种不同的表现(详见“一”一文),将对MOSFET的性能产生许多不良的影响。
在MOSFET的模拟应用中需要特别注意防止或者减弱这种JFET效应。
②寄生电阻效应:
对于垂直导电的MOSFET(VDMOSFET),即使没有加上衬偏电压,其中也存在着明显的JFET效应。
图2示出了VDMOSFET的一个单元,可以见到,当晶体管导通时,在它的电流通路上就存在着几个电阻,即它的导通电阻包含有几个分量:
源扩散区电阻(Rs)、沟道区电阻(Rch)、表面积累层电阻(Ra)、寄生JFET电阻(Rj)和漂移区电阻(Rd)o其中的电阻Rj就反映了VDMOSFET中寄生JFET的影响——JFET效应。
在器件元胞间距较大时,往往Rd的数值较大,则相对来说Rj对器件导通电阻的贡献较小。
但是,对于高压、小电流的器件而言,因为寄生JFET的输出直流电阻较大,则JFET效应就比较显著,并因而增大了器件的导通电阻,限制了器件的功率容量。
为了消除这种寄生JFET的影响,就需要改变MOSFET的结构,去掉其中的寄生JFET。
例如,上世纪九十年代研制成功的TrenchMOSFET,就是一种不存在寄生JFET的功率MOSFET的结构;这是在半导体表面挖出沟槽,使得沟槽的深度达到漂移区,导电沟道是沟槽的侧面,如图3所示。
TrenchMOSFET因为去掉了寄生JFET而具有较小的导通电阻,则也就间接地增大了源-漏电流,同时还获得了另外的许多优点,但是这种晶体管也存在着一些缺点:
耐压较低(因为沟槽拐角处的电场非常集中),并且制作工艺的控制难度也要大一些。
图3