第六章_JFET的性质.ppt

1、1 .下列场效应晶体管、场效应晶体管是区别于结型晶体管的另一大类型晶体管： 通过改变与导电沟道垂直的电场强度来控制沟道的导电能力，调制通过沟道的电流。 由于场效应晶体管的工作电流仅通过多个载流子来输送，因此也称为“单极型(场效应)晶体管”，2、根据其结构(主要指栅极结构)和制作工艺，FET分为3种： (1)结型栅极场效应晶体管(jp 绝缘栅场效应晶体管(简称为igfet ) (3)薄膜场效应晶体管(简称为TFT )结型栅场效应晶体管，其栅极的控制作用通过反向偏置的pn结或肖特基结来实现。 由于其导电过程发生在半导体材料体内，因此JFET属于“体内场效应器件”。 绝缘栅场效应晶体管和薄膜场效应晶

2、体管的导电过程都发生在半导体表面薄层内。 因此，从导电机制的角度来看，它们都属于“表面场效应器件”。 无论是“体内”还是“表面”，场效应半导体器件都具有共同的特征： (3) fet具有一般的双极晶体管的特征，例如体积小，轻量(2)FET是根据输入电压的变化来控制输出电流的电压控制器件由于FET的直流输入阻抗高，一般1091015 (4)FET类型多，偏压的极性柔软，动态范围宽，可采用其各级间直接耦合的形式，所以可以在电路设定修正中提供大的灵活性。 (5)由于噪声低，FET特别适用于检测各种微弱信号的设备、校正器、医疗设备等要求高灵敏度、低噪声的情况。 (6)热稳定性好。 这是因为FET是多子装

3、置，可以具有正、负、正负相交的零温度系数工作点。 修改电路设定时，如果使元件在温度系数为零的动作点附近动作，则可以消除温度的影响。 (7)fet是多子器件，因此耐辐射。 这个特征分别适用于宇宙飞机等受到强核辐射、宇宙射线辐射的装备。 (8)与双极晶体管相比，制作工艺少，工艺简单，有利于产品合格率的提高，成本的降低。 4， 第6章接合型场效应晶体管6.1 JFET的基本工作原理1. JFET的基本工作原理2. JFET的基本工作原理3. JFET的特性曲线4. MESFET 6.2 JFET的直流特性和低频小信号残奥表1 .肖克利理论和JFET的直流特性2. JFET的直流残奥表3. JFET交

4、流小信号信号残奥表4. 5 .四二极管特性，6 .高电场迁移率的影响7 .沟道夹断和速度饱和8 .串联电阻的影响9 .温度对直流特性的影响，第5、6章结型场效应晶体管， 6.3 JFET的交流特性1 .交流小信号等效电路2. JFET和MESFET的电容6.5 JFET构造例1. MESFET 2. JFET 3. V型槽硅功率JFET， 6.4 JFET的功率特性1 .最大输出功率PM 2.最大输出电流IF 3.漏极源极破坏电压BVDS 4.热电阻Rth，6，6.1 jfet n沟道p沟道增强型耗尽型，1. JFET的基本结构，7，6.1 jfet的基本工作原理1. JFET 6.1jfet

5、的基本动作原理1. JFET的基本结构，9，6.1 jfet的基本动作原理2. JFET IDS，VGS=0，VGS0，IDsat，VDsat，IDsat，VDsat，10，6.1 jfet的基本动作原理2. JFET的基本动作原理11实际的met 通过直接使金属栅极成为半导体表面，能够避免表面状态的影响。对于由于具有高密度界面能级而无法作为MIS器件的材料或难以形成pn结的材料，可以作为肖特基场效应器件。 由于一般的半导体材料的电子迁移率都比空穴迁移率大，所以高频场效应晶体管都采用n沟道型。 6.1 JFET的基本工作原理4. MESFET、14、GaAs与Si相比，电子迁移率大5倍，峰漂移

6、速度大2倍，因此GaAs材料的制备及其外延和光刻技术成熟后，GaAs-MESFET很快在高频领域得到广泛应用。 在工作频率、低噪声、高饱和电平、高可靠性等多方面大大超过了硅微波双极晶体管。 JFET与MESFET电气特性相似，因此后者主要用于高频区域。 因此研究的直流特性以JFET为主，交流特性以MESFET为例。6.1 JFET的基本工作原理4. MESFET、15、6.1 JFET的基本工作原理4. MESFET、16、6.1 JFET的基本工作原理、表6-1 JFET和MESFET的电路符号， 箭头表示沟道电流方向的短粗线表示沟道1 .肖克利理论和JFET的直流特性2. JFET的直流残

7、奥表3. JFET交流小信号残奥表4 .不均匀沟道杂质浓度分布5 .四电极特性6 .高电场迁移率的影响7 .沟道夹断和速度饱和8 .串联电阻的影响9 .温度为直流特性关于20 6.2 JFET的直流特性和低频小信号残奥表1 .肖克莱理论和JFET的直流特性，肖克莱(Shockley)1952年提出的关于JFET的理论至今仍是分析JFET和MESFET的各种理论的基础。 由于JFET在工作时栅极源极电压和漏极源极电压同时作用，所以沟道中的电场、电位、电流分布都是二维分布(如果认为沟道无限宽)，方程的解决非常复杂，肖克雷提出的缓变沟道近似模型很好地简化了这一问题。 该模型的基本核心是假设沟道中的所

8、有电场、电势和电流分布都可以近似于缓变沟道，并且漏极电流饱和(即，沿沟道方向缓慢地变化)被认为是由于沟道夹断。 21，6.2 JFET的直流特性和低频小信号残奥仪表1 .肖克雷理论和JFET的直流特性，为了便于分析，假设可以修正，其主要假设如下(以n沟道jfet为例):(1)源接触电极和沟道源之间， 漏极接触电极和沟道漏极间电压降忽略(2)沟道边缘扩大忽略耗尽区域，源极和漏极间的电流仅为y成分(3)p栅极区域和n型沟道区域的杂质浓度NA、ND都均匀分布，NAND即栅极单边突变栅极结耗尽区域垂直结平面方向的电场成分Ex与使载流子在沟道长度方向上漂移的电场成分Ey无关，即满足渐变沟道近似(GCA

9、) (沟道电荷密度远小于耗尽层电荷密度) (5)载流子迁移率与沟道中的电场强度无关22、6.2JFET的直流特性和低频小信号残奥仪表1 .肖克雷理论和JFET的直流特性，23、6.2JFET的直流特性和低频小信号残奥仪表1 .肖克雷理论和JFET的直流特性，根据假设(4)耗尽层中的电位仅与x有关， 可以使用一维泊松方程式，作用于沟道y中耗尽层的总电压(包括栅极电压施加和接触电位差)与其空间电荷区域宽度Xn(y )间，具有使(1-93b )、(6-3)、(6-4)耗尽层变化为一定厚度所需的电压的关系变换，电导，24，6.2 JFET的直流特性和低频小信号残奥表1 .肖克利理论和jfet的直流特性

10、，在通道中不存在载波浓度梯度的情况下，可以用欧姆定律写：25， 6.2jfet的直流特性和低频小信号残奥仪表1 .通过肖克雷理论和jfet缓变通道近似得到的jfet通道夹断前的电流电压方程式，(64 )，26，6.2 jfet的直流特性和低频小信号残奥仪表1 .肖克雷理论和jfet的直流特性，VDS=VDsat 代表用h2=a代入得到的(6-13 )饱和区域的电流电压关系(6-14)IDSS将最大饱和漏极电流(6-15)Vp0称为本征夹断电压，在VGS=VD的情况下VDS=0，h1=h2=a的阈值电压VT、夹断6.2jfet的直流特性和低频小信号残奥仪表2. JFET的直流残奥仪表、(6-13

11、 )、29、6.2jfet的直流特性和低频小信号残奥仪表2. JFET的直流残奥仪表另外，由于IDSS与a的3次方成比例，所以必须正确地控制a来控制IDSS 30、2. JFET的直流特性和低频小信号残奥仪表2. JFET的直流残奥仪表，由于存在沟道体电阻，漏电流会使沟道电阻产生电压降。 漏极电流在Rmin产生的电压降称为导通通道电压降。 Rmin越大，该导通电压降越大，器件的消耗功率也越大。 实际的JFET沟道导通电阻也应当包括由源极、漏极区域及其欧姆接触电极引起的串联电阻RS和RD。 为了增加装置的功耗，需要在功率JFET中通过减小Rmin、RS和RD来改善装置的功率特性。31、2. JF

12、ET的直流特性和低频小信号残奥仪表2. JFET的直流残奥仪表、栅极源极截止电流IGSS和栅极源极输入电阻RGS、栅极截止电流是pn结(或肖特基结)的逆饱和电流、逆产生电流和表面漏电流的总和。 平面型JFET一般表面漏电流小，截止电流主要由逆饱和电流和逆发生电流组成。 此时栅极沟道结中的电流能够表示为32、2. JFET的直流特性和低频小信号残奥计2. JFET的直流残奥计，在功率器件中，由于漏极源极电压高， 由于在沟道中形成的强电场可能以足够高的能量碰撞和电离漂移穿过沟道的载流子以产生新的电子空穴对，因此在高漏极源极偏置的功率JFET中大多存在过栅极电流。 在短沟道器件中，由于沟道电场较强，

13、因此更容易出现载流子倍增效果。 33、2. JFET的直流特性和低频小信号残奥仪表2. JFET的直流残奥仪表、栅极-源极破坏电压BVGS表示在栅极-源极间能够承受的栅极p-n结最大反电动势电压。 当VDS=0时，该电压由n型沟道区域的杂质浓度确定。 在VDS0的情况下，漏极n区域的电位的上升使这里的p-n结实际受到的反电动势增大，因此，实测的BVGS值也与VDS有关。 漏极源极破坏电压BVDS表示沟道夹断条件下漏极源极间可承受的最大电压。 在JFET中，VGS、VDS都是对于栅极结的反向偏置电压，两者重合的结果是，施加在漏极侧栅极结的反向偏置电压最大。 34、2. JFET的直流特性与低频小

14、信号残奥仪表2. JFET的直流残奥仪表、输出功率Po、JFET的最大输出功率Po和器件可容许的最大漏极电流IDmax和器件可容许的最高漏极源极峰值电压(BVDS-VDsat )成比例。 由于安全工作空间、热阻等限制，可知性能好的功率设备要求电流容量大、击穿电压高、最高工作电流下小的漏极源极饱和电压VDsat。、35、3. JFET的直流特性和低频小信号残奥仪表3. JFET的交流小信号残奥仪表、跨导gm、跨导是场效应晶体管的重要残奥仪表，表现出栅极电压对漏极电流的控制能力。 跨导是在漏极源极电压VDS的定时，漏极电流的微分增量与栅极电压的微分增量之比，即(6-11 )、36、3. JFET的

15、直流特性和低频小信号残奥仪表3. JFET的交流小信号残奥仪表、非饱和区域跨导： 非饱和区域跨导和定义为vfet的6.2 JFET的直流特性是低频小信号残奥计3. JFET的交流小信号残奥计，为了使耗尽层变化为一定厚度所需要的电压变化量随着耗尽层的厚度变大而变大，与耗尽层边界的空间电荷密度成比例。 饱和区域的跨导随着栅极电压宽度变小而变大，在VGS=VD时达到最大值G0。 跨导的单位是西门子S(1S1A/V )。 由于光学设备的跨导与信道的纵横比W/L成比例，所以当配置光学设备时，通常通过调节光学信道的纵横比来实现所需的跨导值。 由于具有沟道长度的调制效果，所以为了获得良好的饱和特性，不能无限

16、地减小l，一般l被控制为从5到10mm左右。 为了增大装置的跨导，经常通过并联连接多个单位装置来扩大沟道宽度。 非饱和区域的跨导根据栅极电压VGS和漏极电压VDS而变化，当VGS=0(VD )、VDS=VDsat时，跨导达到最大值。38、6.2 JFET的直流特性和低频小信号残奥表3. JFET的交流小信号残奥表、图6-10大跨导JFET图案结构(多通道并联)、39、漏极导gD、6.2 JFET的直流特性和低频小信号残奥表3. JFET的交流6.2JFET的直流特性和低频小信号残奥计4 .不均匀通道杂质浓度分布，以上分析的基础采用通道区杂质的均匀分布和单边突变结近似，得到的结论适用于合金法得到的jfet。 实际上，许多JFET和MESFET的沟道区域中的杂质均匀地分布在扩散沟道、离子注入沟道等中。 即使是薄外延沟道的MESFET，其沟道掺杂也是不完全均匀的。 通过有意控制信道的杂质分布，也可获得均匀信道不同的良好性能(例如，微波噪声性能、线性等)。 因此，不均匀沟道的杂质分布对具体的JFET和MESFET的特性分析十分重要。 41、6.2JFET的直流特性和低频小信号残奥仪表5.4二极管特性是如上所述将jfet的两个栅极区域短路作为三端子器件使用的