半导体器件物理 第四章总结

g
P
P
VD
VG
N
s 0 Vp
夹断电压
VD
24
② VG < 0时:
|V G |越大,N沟道的 起 始 值 越 窄 。 d A g P P VD
更小的漏源电压 VD 就 使沟道预夹断。
ID B C VG=0
N 沟 道 结 型 场 效 应 管
VG=-1V
|VG|越大，即VG越负，N沟 道的起始值越窄，所以VD
P＋
N P
2
JFET结构示意图及电路符号
D G D
D
P+ N P+ G
G
D
N+ P N+ G
S
S S
S
N沟道JFET
P沟道JFET
3
④JFET的工艺
a）外延扩散工艺
N
P P-Si
外延生长
P
b）双扩散工艺
N P-Si
4
4-1-2 JFET的特征性曲线介绍
线性区 饱和区
IDS
VG=0 VG=-1 VG=-2 VG=-3 VG=-4 VDS
制输入达到控制输出的作
用。当 VG=0 时,ID 是最大 的 , ID =IDSS （ 饱 和 漏 电
VG=-3V VG=-4V
Vp
夹断电压
VG=-VP=-5V VD
28
流）。
0
三、转移特性曲线
ID = f ( VG )|VD = C
ID(mA) IDSS
因为场效应管一般是工作在放 大区,其漏源电压一般都工作 在大于夹断电压的区域,所以 先在输出特性曲线上取 一个 大于夹断电压VP 的漏源电压 值 VD ,例如VD =10V。 C VG=0 ID B A VG=-1V VG=-2V VG=-3V VG=-4V VG=-VP=-5V
管
VG=0
0
VD
17
①当VG = 0时: VD较小时,形成线性电阻段. VD稍大,形成可变电阻段 预夹断,预夹断处由于 VD= VP (夹断电压 )时,N沟道预夹断 电阻较大,所以电压几 乎全部降在此,因此电 当VD升至使N沟道刚开始 场很强。 夹断时(称为预夹断),在 ID B 夹断处电阻最大,这时 VD增大部分几乎全部降 ID d N 落在夹断处，这处的电 A 沟 场非常强，沟道其他处 道 电场基本不变,在预夹断 g 结 P P VD 的情形下，电子仍可被 型 拉过夹断处，因为电场 场 N 效 的方向是有助于电子运 应 s 动的。 管 V =0 G Vp 0 V
所以：源产生载流子，漏吸收载流子。
上栅极 VG ≤0
P+
第三个电极是栅极，它与沟道构成一个整 流结。 结型场效应器件本质上是一种电压控制电 阻器，其阻值能够随着扩展到沟道区的耗 尽层宽度的（器件的尺度：沟道长度为L， 宽度为Z，深度为2a）变化而变化。
W 源 W
L
n
VD ≥0
2a
P+
6
VDS对沟道的控制（假设VGS 一定） 由图 VGD = VGS - VDS * VDS很小时 → VGD VGS
IDSS
ID B A
VG=0
VG=-1V VG=-2V VG=-3V VG=-4V VG=-VP=-5V
C
-VP
0 VG(V) 0
Vp
10V
30 VD
ID = f ( VG )|VD = C
当栅源电压为0 3.转移特性曲线 时,ID为最大。
当栅源电压等 ID(mA) 夹断电压时, ID为0。
IDSS
ID A
又由输出特性曲线得,在饱和 区内,不同的VD对ID 随VG的变 化基本不起影响,所以不同的 VD 对应于的 ID—VG 曲线是重 合的, 所以只需画出一条转 移特性曲线即可. C VG=0 B VG=-1V VG=-2V
V D =8V和V D =12V 的转移特性曲线 与V D =10V相同。
☆ 不易发生热电引起的破坏性栅极击穿
1
4-1 结型场效应管的结构及工作原理
4-1-1 JFET的基本结构
S G
P
D
①二个结一个沟道
②可以是PNP。也可以是是NPN 一般是用PNP结构，此种称为 n 沟道（p沟道）
e
N
P
b c
只是电子的迁移率比空穴高
N区沟道能提供更高的电导和速度 ③JEFT与三极管的区别（一般）
的夹断电压越小，输出特 性曲线越往下。
VG
N
s 0
Vp
夹断电压
VD
25
|VG|越大,N沟道的 起始值越窄。
更小的漏源电压 VD 就使沟道预夹断。 ID B
C
VG=0 VG=-1V VG=-2V VG=-3V
N 沟 道 结 型 场 效 应 管
d
A g
P
N
P
VD
VG
s
0 Vp
VG=-4V
夹断电压
VD
26
13
JFET工作原理：
利用半导体内的电场效应，通过栅源电压VGS
的变化，改变阻挡层的宽窄，从而改变导电沟 道的宽窄，控制漏极电流ID。 综上所述，JFET与MOSFET工作原理相似， 它们都是利用电场效应控制电流，不同之处仅 在于导电沟道形成的原理不同。
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N 沟 道 结 型 场 效 应 管
ID d
0 VG(V) 0
Vp
10V
29 VD
ID = f ( VG )|VD = C
当栅源电压为0 时,ID为最大。 ID(mA) 当栅源电压等 夹断电压时, ID为0。
由图上可以看出,当VG =0V时, 漏极电流ID 最大为IDSS,当VG =－VP 时,漏极电流ID为0 。 根据这两个数值可以大概画 出转移特性曲线。
VG=-3V VG=-4V VG=-VP=-5V Vp 8V 10V 12V
-VP
0 VG(V) 0
31 VD
转移特性曲线可近似地符合以下式子 IDsat=IDss(1-VG/VP0)2
G D
此时W近似不变
即Ron不变 因此 VDS→ID线性
P+ N
P+
VGS +
S
+ VDS -
若VDS →则VGD →近漏端沟道 → Ron增大。
此时
Ron →ID 变慢
7
JFET管工作原理
D
G
P+ N P+
+ VDS
-
VGS +
S
N沟道JFET管外部工作条件
VGS < 0 (保证栅源PN结反偏)
第四章 结型场效应晶体管
结型FET简述
☆ 分析研究早在1952年进行
☆ 这类器件用一个或一个以上的反向偏置PN结的耗尽 区去调制电流通过的截面积，其电流中只含一种极性的
载流子——单极型器件
单极型器件不存在少数载流子存储效应，有较高的开关 速度和截至频率。
☆ 更高的稳定性，更低的噪声，更好的抗辐射能力。
VDS > 0 (保证栅漏PN结反偏)
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沟道电阻
R
L L L A q n N D A 2q n N D z (a w)
其中ND施主浓度 ，A截面积， W是耗尽层宽度。
如图所示：
在正常工作条件下，当加反偏于栅的PN结两侧时，使空 间电荷区向内部扩展，并使沟道中自由载流子耗尽，结 果是沟道的截面积减小，沟道电阻增大。
③ VG =－VP 时:
当栅源电压VG=-VP 时N沟道全夹断。
此时即使有漏源电 压VD ，亦不能产生 电流ID。
ID B
N 沟 道 结 型 场 效 应 管
d
A g
当VG=－VP时,N沟道的起 始状态为全夹断,管中已 没有自由电子，即此时N 沟道不存在,漏源间的电 阻为无穷大,所以即使有 VD,亦不会有ID。 C VG=0 VG=-1V VG=-2V VG=-3V
夹断电压
VD
20
电流ID几乎不 随VD而变。 ID
N 沟 道 结 型 场 效 应 管
ID B d A
C VG=0 从另一个角度来说，VD 的增加与漏源之间的总 电阻的增大几乎是成正 比的,由 欧姆定律 可知, 电流是不会增加的。这 个 区域称为饱和区。
g
P
P
VD
N
s VG=0 0 Vp
夹断电压
VD
9
（a）当源· 栅连接到地电位，使漏电压置于
VD ，在X=0处,栅PN结两边电位为零。但
在X=L处，整个VD值都加在PN结上。此时
VG =0。 VD很小时，沟道内有一个很小的
漏电流ID，电流的大小为VD/R,这个“R”是
沟道电阻，电流随电压线性变化。
10
• （b）当VD增加时，W增加，且因电流通过 通过平均截面积逐步减小，因而沟道电阻 也增加。结果，电流增加的速度变慢。随 着漏电压的进一步增加，耗尽层宽度也增 加，最后两个耗尽层在漏极处相接。Vp为 夹断电压，载流子全部耗尽。源和漏被夹 断，或说被反偏置的耗尽层隔开。
夹断电压
D
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①当VG = 0时: VD= VP (夹断电压 )时,N沟道预夹断
ID
N 沟 道 结 型 场 效 应 管
ID B d A
g
P
P
VD
N
s VG=0 0 Vp
当VD升至使N沟道刚开始 夹断时(称为预夹断),在 夹断处电阻最大,这时VD 增大部分几乎全部降落 在夹断处,这处的电场非 常强,沟道其他处电场基 本不变,在预夹断的情形 下,电子仍可被拉过夹断 处,因为电场的方向是有 助于电子运动的。
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d A
g
P
P
VD
N
s VG=0 0
①当VG = 0时: VD 较小时,形成线性电阻段. VD稍大,形成可变电阻段 电流还在增大,但增大的速 率减少,形成了曲线的非线 VD稍大时，PN结显著加 性段 ( AB段 ),这段称为 厚, N沟道电阻明显增大, 可变电阻区 ID B 且随着V 的增大而增大。 D ID d 但VD的增大的比例仍大 N A 于N沟道电阻增大,所以 沟 电流ID 还是在增大,但增 道 g 结 大的速率减少了，出现 P P VD 型 了曲线的弯曲段( A—B 场 段 )，这段曲线反映了 N 效 电阻在增大 应 s
21
VD 太大时
场效应管击 穿,ID迅速增大。 ID B d A C VG=0
ID
N 沟 道 结 型 场 效 应 管
g
P
P
VD 场效应管击穿，ID 迅 速增大。 0 Vp
夹断电压
N
s VG=0
VD
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VGS对沟道宽度的影响
若VDS=0
|VGS |
阻挡层宽度 N型沟道宽度 VGS +
S G D
P+ N
P+
沟道电阻Ron
若|VGS | 继续 使VGS =VGS (off)夹断电压
沟道全夹断
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② VG < 0时:
有栅源电压VG时， N沟道本身已经较 窄。
N 沟 道 结 型 场 效 应 管
加上较小的漏源 电压VD ,沟道就预 夹断
ID B A C VG=0
d
VG=-1V
本身的N沟道已经较窄， 所以更快夹断，因此其他 的输出特性曲线均在VG=0 的曲线之下。
P
N
P
VD
VP
s
0 Vp
VG=-4V
夹断电压
VG=-VP=-5V VD
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由曲线可知,场效应管若
用作放大时,应工作在恒
流区。在此区内,输入电
恒流区亦即放大区, 来自百度文库D随VG 线性变化。 I B C VG=0 VG=-1V VG=-2V
压 VG 的变化才能引起 ID 的 I D DSS 线性变化,即输出电流的 A 变化。这样才起到通过控
ID
g
P N s
P
VD
VG=0
0
VD
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①当VG = 0时: VD较小时,形成线性电阻段.
形成了曲线的线性段 (OA段),这段称为线性 电阻区
ID
N 沟 道 结 型 场 效 应 管
VD稍增大，由图知电场的方 向是使PN 结加厚。而且电
ID 场梯度从漏极至源极不断沿 着N沟道减少, 这样就造成 了PN 结加厚且厚薄不均匀 (上厚下薄)。但这时PN结厚 度增加得很少,N沟道的横截 面积仍可看成基本上不变,N 沟道的电阻基本不变 ,显然 这时ID∝ VD 即遵循欧姆定 律。 VD
夹断电压
VD
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①当VG = 0时: VD = VP (夹断电压 )时,N沟道预夹断 VD >VP (夹断电压 )时
ID
N 沟 道 结 型 场 效 应 管
ID B d A
g
P
P
VD
N
s VG=0 0 Vp
当VD >VP时,夹断层延伸, 夹断层电阻增大,VD 的增 量几乎全部降落在夹断 层，使得在N沟道上的电 压几乎不变，即夹断层 电阻的增大完全抵消了 VD的增大, 所以电流基 本保持不变，形成了曲 线的BC段。
① JFET的I-V关系曲线
JFET对应 不同的VG 有不同的 曲线
②双结型特性曲线
对应用不同基板电流Ib有不同的曲线
Ic Ib
饱和区
β=△Ic/ △Ib
Vce
5
4-1-3 JFET的工作原理
JFET由一个带有两个欧姆接触的异电沟道构成，一个欧姆接触起源极的作用，
另一个作漏极。当漏极加一个相对于源极的正电压时，电流从源到漏。
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（c）VD进一步增大，漏极附近的耗尽层将扩展，p点向源移动（但P点 的电压保持不变），夹断后，再增加漏极电压，不会增加漏极电流，电 流处于饱和，电阻变的很大。 （c’） CD段 --雪崩击穿
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• （d）当栅极P+n结上外加反向偏压，耗尽层密度 增加，对小的VD ，沟道仍起电阻作用，但由于电 流通过截面积减小了，沟道电阻变得更大。当栅 压VG=-1时，初始电流比栅压VG =0时更小。当VD 增加到某一值时，两个耗尽层再次相接。加栅压 后，使开始夹断电压减小。