结型场效应晶体管JFET
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在平衡 (不加电压)时, 沟道电阻最小; 电压VDS和VGS都可改变栅结势垒宽度 → 改变沟道电阻 →从而改变 IDS .
G
n
P+
S
W
L
2a
D
P+
G
3
☆ JFET的输出特性
* 在VGS=0 和正常VDS 时~
线性电阻段(A点) → 沟道夹断点(B点)
→电流饱和段(C点) .
* 在VDS 较大时~
这表明等位面在势垒中是⊥x方向的(与沟道平行), 则沟道宽度沿y方向不
变~缓变; 于是栅结势垒宽度只受E(x)控制, 求解其中的Poisson方程即
可得到势垒宽度.
②在沟道中: 认为主要是电场E(y)的作用, 即有
E(y) >> E(x), V / y >> V / x 或 2V / y2 >> 2V / x2 .
JFET 和 MESFET 的工作原理相同。以 JFET 为例，用一个低掺 杂的半导体作为导电沟道，在半导体的一侧或两侧制作 PN 结， 并加上反向电压。利用 PN 结势垒区宽度随反向电压的变化而变 化的特点来控制导电沟道的截面积，从而控制沟道的导电能力。 两种 FET 的不同之处仅在于，JFET 是利用 PN 结作为控制栅， 而 MESFET 则是利用金- 半结（肖特基势垒结）来作为控制栅。
5
☆ JFET的直流伏安特性
* 沟道夹断前的ID ~ 在μn = 常数 和 缓变沟道近似(GCA)下, 有
ID =G0{VDS-(2/ 3a)√2εε0/qND [(VDS+Vbi-VGS)3/2-(Vbi -VGS)3/2 ]},
G0 = 2 a W qμn ND / L 是冶金学结之间沟道的电导(不计耗尽层).
第四章 结型场效应晶体管（JFET）
• 结型场效应晶体管 • GaAs-MESFET • HEMT
1
History
• 30年代，美国的J.E.Lilienfeld/O.Heil提出场效应晶体管的设 想。
• 1952年，W.Shockley提出第一个现代场效应晶体管，即JFET。 • 1960 MOSFET：Kahng和Atalla提出第一个MOS器件，栅长
特性曲线, 小信号参数, 短沟道JFET, 实际结构举例
2
☆ JFET的基本结构和工作原理
• n 沟道JFET ~
衬底是低阻n型; 2个对称的p+n结构成栅极; 中间留有沟道(长为L, 宽为W).
• 工作 ~ [ 电压控制沟道的电阻 ] Rmin = L / [ qμn·ND·2( a - x0 )·W ]
漏端栅结雪崩击穿, 源-漏击穿电压BVDS
随着反向VGS的增大
而下降. 对应于D点.
IDS
IDsat
B
夹断 C
电流饱和机理: ① 长沟道~wenku.baidu.com道夹断; ②
短沟道~速度饱和.
VGS = 0
D 击穿
A
饱和
G
-S
G
(沟道夹断)
D+
0
VDSat
VGS < 0
BVDS
VDS
4
☆ JFET的转移特性
* 最大饱和漏极电流 IDSS ~ G-S电压为0时, IDS ≠ 0, 而为 IDSS . * 夹断电压 VP ~ 当G-S电压为负(VGS < 0 ) 时, 沟道变窄; 当VGS = VP 时,
在夹断区, 该近似不适用(因Ey不再缓变); 对短沟道器件, 该近似也不适用
20微米，栅氧化层厚度100nm，铝栅电极，AL－SiO2－Si。 • 1972年，CMOS技术以低功耗等优点在大规模生产的LED电
路中采用。 • 1980 MODFET：调制掺杂型场效应晶体管，会是最快的场
效应晶体管。
• 2001 15nmMOSFET：最先进的集成电路芯片的基本单元， 可容纳1万亿以上的管子。
这表明沟道中的等位面是⊥y方向的~沟道宽度缓变; 于是沟道电流主要受
E(y)控制,
有 ID = A(y) q μn ND E(y) . 总之, GCA就是用两组相互垂直的等位面来描述E(x)和E(y)的作用, 即是 把E(x)和E(y) 的作用分开来考虑: 栅结势垒宽度只决定于E(x), 沟道电流 只决定于E(y).
通过加在半导体表面上的垂直电场来调制半导体的的现象 称为场效应。场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET） 是另一类重要的微电子器件。这是一种电压控制型多子导电器 件，又称为单极型晶体管。这种器件与双极型晶体管相比，有 以下优点：
① 输入阻抗高； ② 温度稳定性好； ③ 噪声小； ④ 大电流特性好； ⑤ 无少子存储效应，开关速度高； ⑥ 制造工艺简单； ⑦ 各管之间存在天然隔离，适宜于制作 VLSI 。
沟道夹断, IDS = 0 . 根据栅p-n结耗尽层厚度等于沟道宽度, 得:
VP ≈ - q ND a2 / (2εε0 ) ∝ ND a2 .
* 由输出特性曲线可以求得在某一定 VDS 时的转移特性曲线.
☆ JFET的代表符号:
IDS
P沟耗 尽型
n沟耗 尽型
p沟增 强型
n沟增 强型
IDSS
VP
0
VGS
* 沟道夹断后的饱和电流IDsat ~
把饱和电压VDSat代入到ID , 即得到
IDsat = IDSS {1 - 3(Vbi -VGS) / VP0 + 2 [(Vbi -VGS) / VP0]3/2 } ≈ IDSS [1- (Vbi -VGS) / VP0 ] 2 .
其中 IDSS是最大饱和漏极电流, VP = Vbi -VP0 ≈ -VP0 是夹断电压. * 线性区的 ID ~ (VDS << Vbi-VGS )
IGFET 的工作原理略有不同，利用电场能来控制半导体的表面 状态，从而控制沟道的导电能力。
根据沟道导电类型的不同，每类 FET 又可分为 N 沟道器件 和 P 沟道器件。
J - FET 的基本结构 源、漏
MESFET 的基本结构
———— 结型场效应晶体管(JFET) ———— 基本性能
基本结构, 直流参数, 频率参数, 噪声特性,
ID ≈ G0 {1 - [(Vbi-VGS ) / VP0 ]1/2} VDS ∝ VDS .
6
JFET的直流伏安特性
缓变沟道近似(GCA) :
①在栅结势垒中: 认为主要是电场E(x)的作用, 即有
E(x) >> E(y), V / x >> V / y 或 2V / x2 >> 2V / y2 .
G
n
P+
S
W
L
2a
D
P+
G
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☆ JFET的输出特性
* 在VGS=0 和正常VDS 时~
线性电阻段(A点) → 沟道夹断点(B点)
→电流饱和段(C点) .
* 在VDS 较大时~
这表明等位面在势垒中是⊥x方向的(与沟道平行), 则沟道宽度沿y方向不
变~缓变; 于是栅结势垒宽度只受E(x)控制, 求解其中的Poisson方程即
可得到势垒宽度.
②在沟道中: 认为主要是电场E(y)的作用, 即有
E(y) >> E(x), V / y >> V / x 或 2V / y2 >> 2V / x2 .
JFET 和 MESFET 的工作原理相同。以 JFET 为例，用一个低掺 杂的半导体作为导电沟道，在半导体的一侧或两侧制作 PN 结， 并加上反向电压。利用 PN 结势垒区宽度随反向电压的变化而变 化的特点来控制导电沟道的截面积，从而控制沟道的导电能力。 两种 FET 的不同之处仅在于，JFET 是利用 PN 结作为控制栅， 而 MESFET 则是利用金- 半结（肖特基势垒结）来作为控制栅。
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☆ JFET的直流伏安特性
* 沟道夹断前的ID ~ 在μn = 常数 和 缓变沟道近似(GCA)下, 有
ID =G0{VDS-(2/ 3a)√2εε0/qND [(VDS+Vbi-VGS)3/2-(Vbi -VGS)3/2 ]},
G0 = 2 a W qμn ND / L 是冶金学结之间沟道的电导(不计耗尽层).
第四章 结型场效应晶体管（JFET）
• 结型场效应晶体管 • GaAs-MESFET • HEMT
1
History
• 30年代，美国的J.E.Lilienfeld/O.Heil提出场效应晶体管的设 想。
• 1952年，W.Shockley提出第一个现代场效应晶体管，即JFET。 • 1960 MOSFET：Kahng和Atalla提出第一个MOS器件，栅长
特性曲线, 小信号参数, 短沟道JFET, 实际结构举例
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☆ JFET的基本结构和工作原理
• n 沟道JFET ~
衬底是低阻n型; 2个对称的p+n结构成栅极; 中间留有沟道(长为L, 宽为W).
• 工作 ~ [ 电压控制沟道的电阻 ] Rmin = L / [ qμn·ND·2( a - x0 )·W ]
漏端栅结雪崩击穿, 源-漏击穿电压BVDS
随着反向VGS的增大
而下降. 对应于D点.
IDS
IDsat
B
夹断 C
电流饱和机理: ① 长沟道~wenku.baidu.com道夹断; ②
短沟道~速度饱和.
VGS = 0
D 击穿
A
饱和
G
-S
G
(沟道夹断)
D+
0
VDSat
VGS < 0
BVDS
VDS
4
☆ JFET的转移特性
* 最大饱和漏极电流 IDSS ~ G-S电压为0时, IDS ≠ 0, 而为 IDSS . * 夹断电压 VP ~ 当G-S电压为负(VGS < 0 ) 时, 沟道变窄; 当VGS = VP 时,
在夹断区, 该近似不适用(因Ey不再缓变); 对短沟道器件, 该近似也不适用
20微米，栅氧化层厚度100nm，铝栅电极，AL－SiO2－Si。 • 1972年，CMOS技术以低功耗等优点在大规模生产的LED电
路中采用。 • 1980 MODFET：调制掺杂型场效应晶体管，会是最快的场
效应晶体管。
• 2001 15nmMOSFET：最先进的集成电路芯片的基本单元， 可容纳1万亿以上的管子。
这表明沟道中的等位面是⊥y方向的~沟道宽度缓变; 于是沟道电流主要受
E(y)控制,
有 ID = A(y) q μn ND E(y) . 总之, GCA就是用两组相互垂直的等位面来描述E(x)和E(y)的作用, 即是 把E(x)和E(y) 的作用分开来考虑: 栅结势垒宽度只决定于E(x), 沟道电流 只决定于E(y).
通过加在半导体表面上的垂直电场来调制半导体的的现象 称为场效应。场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET） 是另一类重要的微电子器件。这是一种电压控制型多子导电器 件，又称为单极型晶体管。这种器件与双极型晶体管相比，有 以下优点：
① 输入阻抗高； ② 温度稳定性好； ③ 噪声小； ④ 大电流特性好； ⑤ 无少子存储效应，开关速度高； ⑥ 制造工艺简单； ⑦ 各管之间存在天然隔离，适宜于制作 VLSI 。
沟道夹断, IDS = 0 . 根据栅p-n结耗尽层厚度等于沟道宽度, 得:
VP ≈ - q ND a2 / (2εε0 ) ∝ ND a2 .
* 由输出特性曲线可以求得在某一定 VDS 时的转移特性曲线.
☆ JFET的代表符号:
IDS
P沟耗 尽型
n沟耗 尽型
p沟增 强型
n沟增 强型
IDSS
VP
0
VGS
* 沟道夹断后的饱和电流IDsat ~
把饱和电压VDSat代入到ID , 即得到
IDsat = IDSS {1 - 3(Vbi -VGS) / VP0 + 2 [(Vbi -VGS) / VP0]3/2 } ≈ IDSS [1- (Vbi -VGS) / VP0 ] 2 .
其中 IDSS是最大饱和漏极电流, VP = Vbi -VP0 ≈ -VP0 是夹断电压. * 线性区的 ID ~ (VDS << Vbi-VGS )
IGFET 的工作原理略有不同，利用电场能来控制半导体的表面 状态，从而控制沟道的导电能力。
根据沟道导电类型的不同，每类 FET 又可分为 N 沟道器件 和 P 沟道器件。
J - FET 的基本结构 源、漏
MESFET 的基本结构
———— 结型场效应晶体管(JFET) ———— 基本性能
基本结构, 直流参数, 频率参数, 噪声特性,
ID ≈ G0 {1 - [(Vbi-VGS ) / VP0 ]1/2} VDS ∝ VDS .
6
JFET的直流伏安特性
缓变沟道近似(GCA) :
①在栅结势垒中: 认为主要是电场E(x)的作用, 即有
E(x) >> E(y), V / x >> V / y 或 2V / x2 >> 2V / y2 .