半导体器件原理 第六章

6.1.1 pn-JFET
沟道随VGS变化情况 (VDS很小时)
为分析JFET的基本工作原理，首先假设
一个标准的偏置条件。VG≤0：pn结是零
偏或反偏。
VD≥0：确保n区电子从源端流向漏端。
通过系统改变电压来分析器件内发生的变
化。
1.
ID-VDS特性曲线随VGS的变化会有什么变化？
（1）VGS=0，顶部和底部的p+n结处于热平衡，沟道宽度
JFET工作原理
6.1.1 pn-JFET
漏源I-V特性定性分析
1、 VGS =0的情况：注：a.栅结p+n结近似单边突变结。 b.沟道区假定为均匀掺杂 。 （1）器件偏置特点 VDS =0时 栅结只存在平衡时的耗尽层 沿沟长方向沟道横截面积相同 VDS>0 漏端附近的耗尽层厚度↑,向沟 道区扩展，沿沟长方向沟道横 截面积不同, 漏端截面A最小。
如果把半绝缘衬底用本征材料，其能带如图所示。因为
在沟道与衬底之间，沟道与金属栅之间存在势垒，电子 将被束缚在沟道中。
MESFET分为耗尽型（D- MESFET）和增强型（E- MESFET）
耗尽型： VG=0时，沟道 没有完全耗尽
VG=0时，沟道已完全耗尽，必须加一个正向偏压， 以减少耗尽层宽度，增加沟道电流
6.1 JFET概念内容
6.1.1 pn JFET基本工作原理
6.1.2 MESFET基本工作原理
结型场效应管分类： pn JFET MESFET
JFET基本概念
场效应现象20世纪20年代和30年
代被发现，文献记载如图所示的 晶体管结构，是第一个被提出来 的固态晶体管。
基本思路：加在金属板上的电压
半导体器件原理
Principles of Semiconductor Devices
第六章：结型场效应晶体管 Junction Field Effect Transistor （JFET）
刘宪云
逸夫理科楼229室
结型场效应晶体管
通过改变垂直于导电沟道的电场强度来控制沟道的导
电能力，从而调制通过沟道的电流。由于场效应晶体
6.1.1pn-JFET
VGS足够小 3、
漏源I-V特性定性分析
VGS
VGS ↓= VP使上下耗尽层将沟道区填满， 沟道从源到漏 I D ＝0 ，器件截止。 彻底夹断，
结论：栅结反偏压可改变耗尽层大小，从而控制漏电流大小。
6.1.1pn-JFET
非饱和区：
漏源I-V特性定性分析
N沟耗尽型JFET的输出特性：
6.1.2 MESFET的基本工作原理
肖特基势垒代替PN结
耗尽型：
当在栅源极之间加一个反偏 电压时，金属栅极下面产生 一个空间电荷区，用以调制 沟道电导。如果所加负压足 够大，空间电荷区就扩散到 衬底，这种情况称为夹断。
耗尽型：加负压耗尽层扩展到夹断（正压情况不行）
6.1.2 MESFET的基本工作原理
6.2.1 内建夹断电压、夹断电压和漏源饱 和电压
VGS
VGS
单边n沟JFET
单边p沟JFET
近似为单边突变结，设沟道宽度为a，热平衡时的耗尽层 宽度为h，内建电势为Vbi，外加栅源电压VGS，内建夹断电
压Vpo，夹断电压Vp
6.2.1 内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压
空间电荷区宽度为： 1 2 s (Vbi VGS ) 2 h[ ] eN d 在阈值点， h a , p n结 的 总 电 势 称 为 内 建 断 夹电 压 ， 用V po 表 示 2 sV po 1 a [ ]2 eN d 2 eN d a V po 2 s 把 形 成 沟 道 夹 断 所 加栅 的源 电 压 称 为 夹 断 电 压 （ 阈 电） 压VP Vbi V p VPo n沟 耗 尽 型 JFET ， 夹 断 电 压 是 负 值 ， 此 因VPO Vbi
尽层宽度的变化反过来调节源、漏欧姆接触之间的 电导。
N沟JFET中，多数载流子电子起主要导电作用； P沟JFET中，多数载流子空穴起主要导电作用；
空穴的迁移率比电子的迁移率小，所以 p-JFET的工
作频率比n-JFET的工作频率低。
6.1.1 pn-JFET基本工作原理
JFET的基本结构
最宽，漏端加一个小的VDS，就形成漏电流。
VGS=0
（2）栅极加负偏压VGS<0时，顶部和底部的p+n结都处于反
偏,增加了耗尽层宽度，而使沟道的宽度变窄，沟道电阻变 大，使ID-VD曲线中线性部分的斜率变小。 栅极加负偏 压VGS<0
（3）对于较大的负偏压VG，即使VD=0，也可能使整个沟道
都处于耗尽状态。当VD=0，使整个沟道完全耗尽的栅电压
6.2.2 耗尽型JFET的理想I-V特性
6.2.3 跨导
6.2.4 MESFET
6.2.1 内建夹断电压、夹断电压和漏源饱 和电压
讨论JFET基本电学特性之前，先分析均匀掺杂耗尽 型pn JFET，再讨论增强型。 先推导理想单边器件的I-V关系，ID1表示其电流, 双边器件可简单地认为是两个JFET的并联，ID2=2ID1 忽略单边器件衬底处的耗尽层。
6.2.1 内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压
分析栅极和漏极同时加电压的情况：
由于漏端电压的作用，沟道中不同位置的电压
不同，所以耗尽层的宽度随沟道中的位置而不
同。
内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压 栅极和漏极同时加上电压： 耗尽层的宽度随在沟道中的 位置不同而不同
N沟pn JFET器件的基本几何结构图
（2） ID—VDS关系
VDS较小： 线性区
VDS增大： VDS较大： 增加到正好使漏 端处沟道横截面 积 =0 夹断点：沟道横 截面积正好=0
过渡区
6.1.1pn-JFET
漏源I-V特性定性分析
不断增大漏电压，直到靠近漏端附近的顶部和底部的耗尽
区最终连接到一起，此时沟道完全耗尽，这一条件称为 “夹断”，所对应的漏电压称为“夹断电压”。 饱和区：（ VDS 在沟道夹断基础上增加）
VG=VP称为“夹断栅电压”。对于VG<VP， 在所有漏偏压 下漏电流等于0。（如果没有击穿现象发生时） VGS<<0
JFET转移特性曲线
2. VGS=0时, VDS的变化对ID有什么影响？
先假设VG=0，分析VD逐渐增加时，从S-D的电流ID的变化 （1） VD=0 ：器件处于热平衡，p+n结存在很小的耗尽区 （2）VD缓慢增加一个较小的电压，会有电流流过n区沟 道，沟道就像一个纯电阻，ID随VD的增加线性增加。
6.1.1pn-JFET
（2） I D — V DS关系
漏源I-V特性定性分析
特点：a. 电流随电压变化趋势，基本过程相同， b. 电流相对值减小。 c. 夹断电压变小，VDS(sat: VGS<0)<VDS(sat: VGS=0) d. 击穿电压变小，BVDS(sat: VGS<0)<BVDS (sat:VGS=0)
漏电流同时决定于栅源电
压和漏源电压 饱和区： 漏电流与漏源电压无关， 只决定于栅源电压
6.1.2 MESFET的基本工作原理
MESFET （ Metal-Semiconductor FET ） 是 一 种 由
Schottky 势垒栅极构成的场效应晶体管，适用于高频 应 用 ， 如 工 作 频 率 超 过 5GHz 的 放 大 器 和 振 荡 电 路 中。可以作为分立器件，也可以做成集成芯片， GaAs-MESFET是微波集成电路的核心。
1 2
理想饱和漏电流与漏极电压无关
理论计算得到的ID-VD曲线
实验测得的ID-VD曲线
6.2.3 跨导
跨导是场效应晶体管的一个重要参数，它表示栅 极电压对漏极电流的控制能力。 跨导定义为漏源电压 VDS 一定时，漏极电流的微 分增量与栅极电压的微分增量之比。 I D gd 沟道电导 V D V
调制（影响）下面半导体的电 导，从而实现AB两端的电流控 制。
场效应：半导体电导被垂直于半
导体表面的电场调制的现象。
特点：多子器件，单极型晶体管
6.1.1 pn-JFET基本工作原理
1952年，Shockley首次提出并分析了结型场效应晶体
管。
在JFET中所加的栅电压改变了 pn结耗尽层宽度，耗
漏源电压在沟道 区产生电场，使 多子从源极流向 漏极。
对称n沟pn结JFET的横截面图
6.1.1 pn-JFET基本工作原理 与MOSFET比较
ID的形成：（n沟耗尽型）
如果源极接地，并在漏极加上一个小的正电压，则在漏源之
间就产生了一个漏电流ID。
两边夹 厚度几~十 几微米 对称n沟pn结JFET的横截面 结型:大于107Ω，绝缘栅:109～1015Ω。
（3）当VD增加到零点几伏以上时，由于从S到D逐渐
增大，导致顶部和底部的耗尽区会逐渐扩大，沟道
变窄，使沟道电阻逐渐增大，ID-VD 曲线的斜率将
会减小。
（4）不断增大漏电压，直到靠近
漏 端附近的顶部和底部的耗尽区最 终连接到一起，此时沟道完全耗尽， 这一条件称为“夹断”，所对应的 漏电压称为“夹断电压VDsat” (5) 当VD>VDsat后，随VD的增加， ID基本保持不变，达到饱和
内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压
2 s (Vbi VGS 源端的耗尽层宽的： h1 [ ] eN d 2 s (Vbi VDS VGS 1 漏端的耗尽层宽的： h2 [ ]2 eN d 当h2 a时 ， 沟 道 夹 断 在 漏 端 生 发， 这 时 对 应 的 漏源 电 压V 用 （sat )表 示 DS 1 2 s (Vbi VDS ( sat ) VGS 2 a [ ] eN d ea 2 N d 也可表示为： Vbi VDS ( sat ) VGS VPO 2 s VDS ( sat ) VPO (Vbi VGS )当VGS〉VP时 ， 此 式 将 失 去 意 义 对 于p沟JFET , 则 有 ： VDS ( sat ) VPO (Vbi VGS )
在N型半导体硅 片的两侧各制造 一个PN结，形 成两个PN结夹 着一个N型沟道 的结构。P区即 为栅极，N型硅 的一端是漏极， 另一端是源极。
G－栅极（基极） S－源极（发射极） D－漏极（集电极）
JFET的基本结构(n沟道结型场效应管）
6.1.1 pn-JFET基本工作原理
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漏源I-V特性定性分析
管的工作电流仅由多数载流子输运，故又称之为“单 极型(场效应)晶体管”。
JFET可分为两类：
Pn结场效应晶体管（pn JFET），pn结制成；
金属-半导体结型场效应晶体管（MESFET），肖特基
势垒整流接触结制成。
所用知识：半导体材料、PN结、肖特基势垒二极管
第六章：结型场效应晶体管
6.1 JFET概念 6.2 器件的特性 6.3 非理想因素 6.4 等效电路和频率限制 6.5 高电子迁移率晶体管
ID存在，且仍由导电沟道区电特性决定
6.1.1pn-JFET
漏源I-V特性定性分析
击穿区：（VDS大到漏栅结的雪崩击穿电压 ）
6.1.1pn-JFET
漏源I-V特性定性分析
2、 VGS<0的情况：（1）器件偏置特点（VDS=0）
零偏栅压
小反偏栅压
VGS<0
漏（源）栅结已经反偏 ； 耗尽层厚度大于VGS =0的情况； 有效沟道电阻增加。
内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压
对 于p沟JFET 2 s (Vbi VGS ) 1 h[ ]2 eN a 在阈值点， h a , n p结 的 总 电 势 称 为 内 建 断 夹电 压 ， 用V po 表 示 2 sV po 1 a [ ]2 eN a eN a a 2 V po 2 s 把 形 成 沟 道 夹 断 所 加栅 的源 电 压 称 为 夹 断 电 压 （阈电压） VP Vbi V p VPo或VP VPO Vbi P沟 耗 尽 型 JFET ， 夹 断 电 压 是 正 值 。
增强型：电压摆幅小，因为所加正压不能太高， 否则从电流从栅极走掉了
第六章：结型场效应晶体管
6.1 JFET概念 6.2 器件的特性 6.3 非理想因素 6.4 等效电路和频率限制 6.5 高电子迁移率晶体管
6.2 器件的特性
6.2.1 内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压