第十三章结型场效应晶体管

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
度最宽，漏端加一个小的VDS，就形成漏电流。 （2）栅极加负偏压VG<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。
Figure 13.2
13.1.1 pnJFET的基本工作原理
图13.2 对称n沟pn结FET的横截面图
13.1.1 pnJFET的基本工作原理
为分析J-FET的基本工作原理，首先设定一个标准的 偏置条件。VG0:pn结总是0偏或反偏
VD0：确保n区电子从源端流向漏端。
通过系统地改变端电压来分析器件内发生的变化。
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
13.1.2 MESFET的基本工作原理
13.2 器件的特性

13.2.1 内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压


13.2.2 耗尽型JFET的理想I-V特性
13.2.3 跨导

13.2.4 MESFET

13.3.3 亚阈值特性和栅电流效应
Figure 13.19
Figure 13.24
VGS<0时ID-VDS特性曲线会有什么变化？
（1）VG<0,即使VD=0,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。 （2）栅极加负偏压VG<0时，夹断电压VDsat变小。
13.1.2 MESFET的基本工作原理
（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
Figure 13.4
VGS=0时J-FET的各种工作状态示意图
13.1.1 pnJFET的基本工作原理


场效应
通过调节加在金属板上 的电压来调节其下的半导 体的电导，从而调制欧姆 接触A和B之间流过的电流。 这种通过加在半导体表 面上的垂直电场来调制半 导体的电导率的现象称为

场效应。
13.1.1 pnJFET的基本工作原理
1952年，W.Shockley首次提出并分析了结型场效
MESFET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。可以作成分立 器件，也可作成集成芯 片，GaAsMESFET是 微波集成电路的核心
13.1.2 MESFET的基本工作原理
13.1.2 MESFET的基本工作原理

当在栅源极之间加一个反偏电压时，在金属栅
极下面产生一个空间电荷区，用以调制沟道电
（6）L>>a
当0 VD VDsat 和VP VG 0时 J N q n nE qDN n
（15.1)
n=ND， 扩散电流分量较小
J N J Ny dV ( y ) q n N D E y q n N D dy
(15.2)
在任一点y处，流过沟道横截面内的电流
当VD=0, VG=VP时， W=a 代入上式得出：
(15.7)
(15.8)
结论：
夹断前
夹断后
确定VDsat, VG，VP之间的关系
沟道漏端出现夹断：即V（L）=VDsat，Wa, 代入下式
得
1 2 K s 0 a [ (Vbi VDsat VG ] 2 qN D
与
比较 2 K s 0 a [ (Vbi VP ] qN D
1
也可表示为：Vbi V DS ( sat) VGS
ea 2 N d V PO 2 s
V DS ( sat) V PO (Vbi VGS )当VGS〉VP时，此式将失去意义 对于p沟JFET , 则有： V DS ( sat) V PO (Vbi VGS )
三、定量的ID-VD关系
1、器件说明
沟道长度L，宽度Z，两冶 金结间距离2a. x轴垂直沟道向下为正 y轴平行于沟道从S向D V（y)是任一点处的电势， W(y)=Wtop(y)=Wbottom(y)
是任一点处的耗尽层宽
度
图15.15定量分析中假设的器件结构、尺寸和坐标方向
基本假设： （1）p+n结是突变结，n区均匀掺杂浓度ND。 （2）器件关于x=a平面上下对称 （3）电流限制在n区的非耗尽部分且只考虑y方向上的分量 （4）W(y)=a也不会使p+n结击穿 （5）从源端到y=0和从y=L到漏端的电压降可忽略不计。
13.2.1 内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压
先推导理想单边器件的I-V关系，并用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
13.2.1 内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压
VGS VGS
单边n沟JFET 和单边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
导。如果所加负偏压足够大，空间电荷区就扩
展到衬底，这种情况就是夹断。

如果把半绝缘衬底用本征材料，其能带图如图 13.7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
13.1.2 MESFET的基本工作原理
MESFET分为耗尽模式（D-MESFET）和增强模式（EMESFET）
（15.3） 注：定义-y方向为ID正方向，V(y）只是y的函数，与x无关
ID与y无关
(15.4)
(15.5)
注：V，W都是y的函数，所以W是V的函数，求解具 体 的函数关系。
静电变量E，V是x和y的函数，相比之下，沿y方向 上的变化比较缓慢，引入缓变沟道近似，对于沟道中
(15.6)
VA=VG-V（y)是位于给定点y处pn结上的电压降。
13.2.1 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 ) 2 h [ ] eN a
1
在阈值点，h a, n p结的总电势称为内建夹断电压，用Vpo表示 a [ 2 sV po eN a ]
1 2
eN a a 2 V po 2 s 把形成沟道夹断所加的栅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。
第十三章 结型场效应晶体管
第十三章 结型场效应晶体管

13.1 JFET基本概念 13.2 器件的特性 13.3 非理想因素 13.4等效电路和频率限制
13.5 高电子迁移率晶体管
13.1 JFET基本概念

13.1.1 pnJFET的基本工作原理 13.1.2 MESFET的基本工作原理
应晶体管。
在J-FET中所加的栅电压改变了pn结耗尽层宽度，耗
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。
2 s (Vbi VGS 2 源端的耗尽层宽的：h1 [ ] eN d
1
2 s (Vbi VDS VGS 1 漏端的耗尽层宽的：h2 [ ]2 eN d 当h2 a时，沟道夹断在漏端发生， 这时对应的漏源电压用VDS sat)表示 （ 2 s (Vbi VDS ( sat) VGS 2 a [ ] eN d
（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）
Figure 13.3
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

13.3.2 饱和速度影响
对于短沟道JFET和MESFET，前面假设载 流子的迁移率是常数就变的不可靠了。因 为短沟道时，沟道内的电场已很大。迁移 率不再是常数。
13.3 非理想效应
I D ( sat) eN d sat (a hsat )W
13.3 非理想效应
13.3 非理想效应
（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。 （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
1 2
VDsat VG VP 2qZ n N D a Vbi VG 2 {VG VP (Vbi V p )[1 ( ) ]} L 3 Vbi VP
2 3
I Dsat
图15.16理论计算得到的ID-VD曲线
图15.17 实验测得的ID-VD曲线
13.2.2 耗尽型JFET的理想I-V特性
13.2.1 内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压
2 s (Vbi VGS ) 2 h [ ] eN d
1
在阈值点，h a, p n结的总电势称为内建夹断电压，用Vpo表示 a [ 2 2 s 把形成沟道夹断所加的栅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，因此VPO Vbi
13.2.1 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。
Figure 13.11
13.2.1 内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压
13.2.1 内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压
结论： 夹断前
夹断后
13.2.3 跨导
I D gd VD I D gm VG 沟道电导
VG
沟道互导
VD
13.2.4 MESFET
13.3 非理想效应

13.3.1 沟道长度调制效应
1 理想情况：I D L 1 实际器件：I 1 L - L 2
‘ D
13.3 非理想效应