微电子第二章 集成器件物理基础5

1、2.5JFET与MESFET器件基础 2.5.1器件结构与电流控制原理 2.5.2 JFET直流输出特性的定性分析 2.5.3JFET的直流转移特性 2.5.4JFET的器件类型和电路符号 2.5.5JFET的直流特性定量表达式2.5.1器件结构与电流控制原理 1.结型场效应管的结构2.5.1器件结构与电流控制原理2JFET中沟道电流的控制特点JFET工作时，在沟道两端的漏极d和源极s之间加电压 ，因此在源漏之间就有电流 流过沟道。对N沟JFET，如果在栅(g)和源(s)极之间加 一个使其间PN结反偏的电压 ，由于栅区为 ，杂质浓度比沟道区高得多，故PN结空间电荷区将主要向沟道区扩展，使沟道区

2、变窄。这样，在栅源之间加一个电压，就可以改变沟道的大小，从而控制漏极d和源极s之间流过的电流 。2.5.1器件结构与电流控制原理由上可见，JFET中沟道电流的控制具有下面3个特点。(a)JFET是用栅源之间的外加电压 控制沟道大小，从而控制漏源之间的电流 ，因此是一个电压控制器件。(b)由于起控制作用的栅源电压 是加在反偏的PN结上，相应的控制电流很小。因此JFET丁作时，是用一个小的输入功率控制一个比较大的输出功率。(c) 是在沟道中电场作用下多数载流子漂移电流，与通常导体中的电流相同，而不像双极晶体管那样，在工作中同时涉及多数载流子和少数载流子。由于JFET导电过程只涉及一种载流子，又称为

3、单极器件。2.5.2 JFET直流输出特性的定性分析图2.47是N沟JFET直流伏安特件曲线实例，表示的是漏源电流 和漏源电压 之间的关系，以控制电压 为参变量。下面分三种情况分析JFET的直流特性。2.5.2 JFET直流输出特性的定性分析1情况下的漏源特性 情况下N沟JFET令沟道状态随漏源电压2.48所示。2.5.2 JFET直流输出特性的定性分析 在实际应用中，一般源极接地。由于栅区为 型重掺杂，可以认为栅区等电位。现在 ，表示整个栅区均为零电位。JFET工作时，沟道两端所加电压为 ，即在沟道区漏端电位为正，沿着沟道方向电位逐步降低，到源端处电位为零。这就是说，对于栅和沟道之间的反偏P

4、N结，在栅区一侧是等电位，而在沟道一侧不是等电位。在 情况下，靠近沟道区源端处PN结为零偏，而靠近漏端处的那部分PN结为反偏，因此，栅和沟道之间的PN结在靠近源端和靠近漏端处的耗尽层宽度是不同的，或者说，沿着沟道方向，沟道的截面积是不相等的，靠源端处沟道德截面积最大，沿沟道方向逐步减小，靠漏端处的沟道截面积最小。2.5.2 JFET直流输出特性的定性分析（ a ）线性区：对应于 很小的情况，如图2.48a所示。由于 很小，沿沟道方向沟道截面积不相等的现象很不明显，这时的沟道相当于是一个截面积均匀的电阻，因此源漏电流 随 几乎是线性增加的，称JFET的这种工作状态为线性区，对应2.47的OA那段

5、范围。（ b ）过渡区：随着 的增加，沿沟道方向沟道截面积不相等的现象逐步表现出来，如图2.48b所示。而且随着 的增加，漏端栅源PN结耗尽层加宽，沟道变窄，沟道电阻变大， 随 增加的趋势减慢，偏离直线关系，对应2.47的B点附近的那段范围。2.5.2 JFET直流输出特性的定性分析（ c ）夹断：随着 的增加，漏端沟道进一步变窄，当 增加到使沟道截面积减小到零时，我们称为沟道“夹断”，如图2.48c所示。这时JFET的工作状态对应2.47所示特征曲线上的C。（ d ）饱和区：出现夹断时的 称为饱和电压 ，记这时的电流为 。如果 在增加，虽然 ，由于这时漏端PN耗尽层进一步扩大，如图2.48d

6、所示使有效沟道区中的压降仍保持为，因此通过沟道区的电流基本维持为 。由于 大于 后 基本保持不变，因此称这一区域为饱和区。当然随着 的增大，夹断点逐步向源端移动，有效沟道长度 将会变小，其结果使 有所增加，这就是沟道调制效应。只要沟道长度较长，夹断后 的增加非常缓慢，可以为维持饱和。（ e ）击穿区：如果 继续增加，使栅和沟道之间反偏电压过大，导致PN结击穿，使JFET进入击穿区。2.5.2 JFET直流输出特性的定性分析2 情况下的漏源特性对于N沟道的JFET，如果 ，例如：则沟道靠源端处的栅源PN结也处于反偏，使沟道截面积小于 情况下的沟道截面积。因此与 时的漏源特性相比， 随 变化的趋势

7、相同，但是在线性区，因为沟道电阻变大，因此斜率减小。另外由于现在沟道截面积较小，因此使沟道夹断的电压 较低，对应的饱和电流 也较小，如图2.47中 那一条曲线所示。 随着 绝对值的增大， 即更负，则沟道区靠源端处的栅源PN结反偏电压更大，耗尽层更宽，沟道截面积更窄， 随 变化的趋势保持不变，但是在源漏特性曲线上相应的曲线下移，如图2.47所示。2.5.2 JFET直流输出特性的定性分析3漏源特性曲线上的截止区对于N沟JFET，在 的情况下，如果 很负，也会使得源端的沟道被夹断，这时整个沟道区消失，漏源之间只有很小的PN结反偏漏电流流过，称这时的 为夹断电压( )。当时 ， 趋于0，称JFET为

8、截止区。 (a)夹断电压 ：对图246所水N沟JFET栅源之间的PN结为单边突变结( 结)。这种PN结的耗尽层宽度与结上电压的关系如(2.41)式所示。显然，使得耗尽层宽度达到沟道厚度的 二分之一时，源端沟道央断。这时的栅源电压即为夹断电压。因此，由(2.41)式得式中 是PN结内建电势， 是半导体材料的介电常数， 是沟道区的掺杂浓度， 是沟道厚度。由上式解得夹断电压为 显然，沟道 越厚，沟道区掺杂浓度 越高，则夹断电压 越负，即的绝对值越大。因此通过这两个参数可以控制JFET的夹断电压。2.5.2 JFET直流输出特性的定性分析3漏源特性曲线上的截止区 (b)饱和电压 与夹断电压 的关系：在

9、漏端，栅漏之间反偏电压 等于夹断电压 是源端沟道夹断时栅源之间的反偏电压。在漏端，栅漏之间反偏电压 等于 时漏端沟道夹断。而按照前面的定义，这时漏源电压 即为饱和电压 ，因此由上式可得即不同 作用下饱和电压 与夹断电压的关系为 对图2.47所示N沟JFET源端特性曲线， 曲线上夹断点对应的漏源电压就是 ，由上式可得 (注意：N沟JFET的夹断电压 为负）。即 曲线上饱和电压 夹断电压 的绝对值。2.5.3JFET的直流转移特性 JFET直流转移特性描述的是饱和区中漏源电流 随栅源电压 变化的情况。显然，由图2.47所示N沟JFET直流输出特性曲线可以得到直流转移特性，如图2.49所示。图中 时

10、的电流记为 。与 对应的电压 即 为夹断电压 。2.5.4JFET的器件类型和电路符号1耗尽型和增强型器件 前面分析的N沟JFET工作原理，在栅源电压为零时，已存在导电沟道。使用时施加栅源电压使导电沟道变窄。这种器件称为耗尽型器件。使导电沟道完全消失的栅源电压称为夹断电压。 反之，若栅源电压为零时不存在导电沟道。使用时要施加一定的正偏栅源电压才能形成导电沟道，这种器件则称为增强型器件。例如，若沟道为高阻材料，在栅源电压为零时，耗尽层已完全使沟道夹断，不存在导电沟道，就是一种增强型器件。为了形成导电沟道需要外加的栅源电压称为闭值电压。记为Vp。 目前JFET一般都采用耗尽型工作模式。2.5.4J

11、FET的器件类型和电路符号2.5.4JFET的器件类型和电路符号 2电路符号 对N沟JFET和P沟JFET，均可采用耗尽型和增强型两种工作模式，因此JFET一共分为四类。它们在电路应用中采用的电路符号如表2.7所示。栅极采用实线表示零偏时已有导电沟道，代表耗尽型器件。栅极采用虚线表示零偏时不存在导电沟道，代表增强型器件。符号中的前头代表源极电流的方向。3MESFET器件 MEFET与JFET的基本原理相同，只是JFET是依靠栅源之间PN结空间电荷区控制沟道，而MEFET结构中栅和沟道之间是金属半导体接触(见图2.50)，是依靠肖特基势垒来控制沟道。因此前面针对JFET器件分析的工作原理、电路符号等内容均适用于MEFET器件。2.5.5JFET的直流特性定量表达式 1线性区和过渡区的直流特性 对N沟JFET，夹断电压为负值。 时，有沟道电流通过。线性区和过渡区对应的漏源电压范围为 ，分析可得该范围内直流伏安特性表达式为 (2.72)式中， 就是冶金沟道(即由栅与沟道之间PN结界面确定的沟道)电导称为跨导因子； 为沟道长度调制系数。如前所述，在饱和区，随着 的增加