半导体器件物理课件5

5.1 JFET的基本结构和工作过程 的基本结构和工作过程
2.工作原理 工作原理 场效应： 场效应：半导体的电导率被垂直于半导体表面的电场调制的效应叫做场效应 。
V ：（a） ，（b） ，（c） 图5-2 VG = 0 的JFET：（ ） d ＜ VP，（ ） d = VP ：（ V ，（ ）理想的漏极特性
b
G0 =
2 qaZµ n N d = 14.4 × 10 −3 Ω −1 L 2 (VP + ψ 0 )3 2 − (ψ 0 )3 2 I D = G0 V P − 3 VP 0
[
]
= 9.6mA
JFET和 JFET和MESFET
5.2 理想 理想JFET的I-V特性 的 特性
10
VD （V ） （b ）
15 −3 的硅N沟道 沟道JFET 电流−电压特性： 电流−电压特性： 图5-4 a = 1.5µm, Z L = 170, N d = 2.5 × 10 cm 的硅 沟道
的式（ ）的理论曲线，（ ，（b） （a） Rs = 0 的式（5-4）的理论曲线，（ ）实验结果 ）
（5-7） ）
VG = 0
把（5-7）式代入（5-4）式并简化，得到 ）式代入（ ）式并简化，
1 − ψ 0 − VG I 0 = G0 V po
V D
（5-8） ）
ID （mA ）
16 12 8 4 0 0 2 4
饱和区
− 1V − 2V − 4V
6 8
上式表明，漏极电流对漏极电压的确是线性依赖关系。 上式表明，漏极电流对漏极电压的确是线性依赖关系。 曲线斜率的明显影响。 （5-8）式也反映出栅极电压对 曲线斜率的明显影响。 ）式也反映出栅极电压对I-V曲线斜率的明显影响
ID （mA ） 20 16 12 8 4 0 0 2 4 6 8 10 VD （V ） （a ） 线性区
VG = 0
把（5-9）式代入（5-4）式，导出饱和漏极电流 I DS ： ）式代入（ ）
饱和区
− 1V − 2V − 4V − 3V
I DS
2 ψ 0 − VG (ψ 0 − VG ) + 1 G0V P 0 = G0 −1 3 VP 0 3
JFET和 JFET和MESFET
5.1 JFET的基本结构和工作过程 的基本结构和工作过程
教学要求 简述JFET的基本工作原理。 的基本工作原理。 简述 的基本工作原理 为什么说JFET实际上是一个电压控制的电阻。 实际上是一个电压控制的电阻。 为什么说 实际上是一个电压控制的电阻 熟悉沟道夹断、漏电流饱和、夹断电压等概念。 熟悉沟道夹断、漏电流饱和、夹断电压等概念。
1.JFET的基本结构 的基本结构
沟道JFET 图5-1 由两种工艺制成的 n 沟道 （a）外延 扩散工艺 ）外延—扩散工艺 （b）双扩散工艺 ） 源极－ 漏极－ 栅极－ 源极－Source－S － 漏极－Drain－D － 栅极－Gate－G：上栅、下栅 － ：上栅、
JFET和 JFET和MESFET
（5-6）
为夹断电压。 为内夹断电压。由式（ ）可见， 式中 VP 为夹断电压。常称VP 0 为内夹断电压。由式（5-6）可见，夹断电压 仅由器件的材料参数和结构参数决定，是器件的固有参数。 仅由器件的材料参数和结构参数决定，是器件的固有参数。
JFET和 JFET和MESFET
5.2 理想 理想JFET的I-V特性 的 特性
JFET和 JFET和MESFET
5.1 JFET的基本结构和工作过程 的基本结构和工作过程
JFET的几个突出的特点 的几个突出的特点: 的几个突出的特点 的电流传输主要由一种型号的载流子-多数载流子承担 ① JFET的电流传输主要由一种型号的载流子 多数载流子承担，不存在少数 的电流传输主要由一种型号的载流子 多数载流子承担， 载流子的贮存效应，因此有利于达到比较高的截止频率和快的开关速度。 载流子的贮存效应，因此有利于达到比较高的截止频率和快的开关速度。 是电压控制器件。 的高得多， ② JFET是电压控制器件。它的输入电阻要比 是电压控制器件 它的输入电阻要比BJT的高得多，因此其输入端 的高得多 易于与标准的微波系统匹配，在应用电路中易于实现级间直接耦合。 易于与标准的微波系统匹配，在应用电路中易于实现级间直接耦合。 由于是多子器件，因此抗辐射能力强。 ③ 由于是多子器件，因此抗辐射能力强。 工艺兼容， ④ 与BJT及MOS工艺兼容，有利于集成。 及 工艺兼容 有利于集成。
a
V p0
qa 2 N d 1.6 × 1019 10 −8 5 × 1015 = = = 3.77V −14 2kε 0 (2)(12) 8.85 × 10
(
)( (
)(
)
)
Na Nd 5 × 1015 × 1019 ψ 0 = VT ln 2 = 0.026 ln = 0.86V 20 ni 2.25 × 10
第五章 JFET 和MESFET
●JFET的基本结构和工作过程 ●理想JFET的I-V特性 理想 ●静态特性 ●小信号参数和等效电路 ●JFET的截止频率 ●夹断后的JFET性能 ●金属-半导体场效应晶体管 ●JFET和MESFET的类型 ●异质结MESFET和HEMT
5.1 JFET的基本结构和工作过程 的基本结构和工作过程
JFET和 JFET和MESFET
5.3 静态特性
教学要求 JFET的夹断曲线的意义： 的夹断曲线的意义： 的夹断曲线的意义 掌握线性区条件： 掌握线性区条件：
VD << ψ 0 − VG
掌握线性区I－V特性：〔公式（5-8）〕 特性： 公式（ ）〕 掌握线性区 － 特性 掌握饱和区条件： 掌握饱和区条件：
I D = − qAµ n nε = 2qµ n N d (a − W )Z
过 积。
2(a − W )Z 为电
dV dx
(5-2)
∫
L
0
VD I d dx 2kε 0 (V + ψ 0 − VG )dV (5-3) = ∫ a − 0 qN d 2 qµ n N d Z
JFET和 JFET和MESFET
JFET和 JFET和MESFET
5.2 理想 理想JFET的I-V特性 的 特性
1.理想的 理想的JFET基本假设及其意义 理想的 基本假设及其意义 1) 单边突变结：SCR在轻掺杂一侧 单边突变结： 在轻掺杂一侧 2) 沟道内杂质分布均匀：无内建电场，载流子分布均匀，无扩散运动。 沟道内杂质分布均匀：无内建电场，载流子分布均匀，无扩散运动。 3) 沟道内载流子迁移率为常数； 沟道内载流子迁移率为常数； 4) 忽略有源区以外源、漏区以及接触上的电压降，于是沟道长度为L； 忽略有源区以外源、漏区以及接触上的电压降，于是沟道长度为 ； 5) 缓变沟道近似，即空间电荷区内电场沿y方向，而中性沟道内的电场只有 方 缓变沟道近似，即空间电荷区内电场沿 方向 而中性沟道内的电场只有X方 方向， 向上的分量：二维问题化为一维问题。 向上的分量：二维问题化为一维问题。 6) 长沟道近似：L>2（2a），于是 沿着 长沟道近似： > （ ） 于是W沿着 沿着L 改变很小，看作是矩形沟道。 改变很小，看作是矩形沟道。
5.2 理想 理想JFET的I-V特性 的 特性
20 ID （mA ） 16 12 8 4 0 0 2 4 6 8 10 VD （V ） （a ） 线性区
VG = 0
20 ID （mA ） 饱和区 16 12
VG = 0
− 1V
− 1V − 2V − 4V − 3V
8 4 0 0 2 4 6 8
− 2V − 4V − 3V
5.2 理想 理想JFET的I-V特性 的 特性
3 2 2kε 0 2 3 (VD + ψ 0 − VG ) − (ψ 0 − VG ) 2 I D = G0 V D − 3 qa 2 N d
D
[
]
(5-4)
G0 =
2qaZµ n N d L
(5-5)
JFET和 JFET和MESFET
JFET和 JFET和MESFET
5.2 理想 理想JFET的I-V特性 的 特性
沟道夹断与夹断电压： 沟道夹断与夹断电压： 在夹断点， 可求得夹断电压： 在夹断点，令（5-1）式中 W = a 以及 V − VG = VP ，可求得夹断电压： ）
qa 2 N d VP + ψ 0 = = VP 0 2kε 0
（5-10） ）
JFET和 JFET和MESFET
5.3 静态特性
的转移特性， （5-10）式称为 ）式称为JFET的转移特性，并绘于图 中。在图 中，还画出了 的转移特性 并绘于图5-5中 在图5-5中 抛物线 2
I DS
VG = I DSS 1 − V P0
（5-11） ）
表示栅极电压为零（即栅源短路）时的漏极饱和电流。 式中 I DSS 表示栅极电压为零（即栅源短路）时的漏极饱和电流。 实验发现，即使在 方向为任意非均 实验发现，即使在y方向为任意非均 匀的杂质分布， 匀的杂质分布，所有的转移特性都落 在图5-5中所示的两条曲线之间 中所示的两条曲线之间。 在图 中所示的两条曲线之间。 在放大应用当中， 在放大应用当中，通常工作在饱 和区，并且在已知栅电压信号时， 和区，并且在已知栅电压信号时，可 利用转移特性求得输出的漏极电流
可见，夹断电压由栅电压和漏电压共同确定。对于不同的栅电压来说， 可见，夹断电压由栅电压和漏电压共同确定。对于不同的栅电压来说，为 在图5-4 a中把（5-9）式绘成曲线，称为夹断曲线。超出夹断曲线的电流 中把（ ）式绘成曲线，称为夹断曲线。超出夹断曲线的电流— 在图 中把 电压特性称为饱和区，这是由于漏极电流是饱和的。 电压特性称为饱和区，这是由于漏极电流是饱和的。