第五章结型场效应晶体管

1、第五章,结型场效应晶体管和金属,半,导体场效应晶体管,结型场效应晶体管,JFET,的基本结构和工作原理,理想,JFET,的,I-V,特性,静态特性,小信号参数和等效电路,JFET,的基本结构和工作原理,介绍,JFET,器件,JFET,的基本结构和工艺流程,JFET,的基本工作原理,沟道夹断、漏电流饱和、夹断电压的概念,JFET,特点及应用,与,BJT,的比较,JFET,的基本结构和工作原理,介绍,JFET,器件,结型场效应晶体管,JFET,指的是,PN,结场效应晶体,管,JFET,和,MESFET,金属,半导体场效应晶体管）都是,利用栅结的外加电压，控制耗尽层厚度，改变两个欧姆,结之间的电阻，

2、进而控制两个欧姆结之间的电流,这两种结在反偏时空间电荷区的厚度随外加电压变,化而变化的规律相似，其工作原理是相同的。不同之处,是,MESFET,用金属,半导体结替代,PN,结作为栅结,JFET,的基本结构和工作原理,JFET,的基本结构和工艺流程,图,5-1,由两种工艺制成的沟道,JFET,a,外延,扩散工艺,b,双扩散工艺,源极,Source,S,漏极,Drain,D,栅极,Gate,G,上栅、下栅,JFET,的基本结构和工作原理,其中结型场效应晶体管半导体芯片的结构与双极型,晶体管的芯片结构几乎没有什么区别，只不过在结型场,效应晶体管中使用两个重掺杂层。如图,5-1,a,所示的,采用标准平

3、面外延工艺制成的理想的,JFET,的,N,沟道结型,场效应晶体管，下边重掺杂的,P,层为衬底，在,P,层衬底,上外延生长掺杂的,N,型层。上边的重掺杂,P,层是通过向,N,型外延层中扩展硼形成的,采用双扩散工艺制造,JFET,如图,b,所示，该技术通,过扩散形成沟道和上栅极,JFET,的基本结构和工作原理,如右图所示的结型场效,应晶体管的典型结构。两个,重掺杂的,P,层与,N,层形成个,P,N,结，通常称之为栅结,N,区两端做欧姆接触，引出,的电极分别称为源极,S,和漏极,D,；两个,P,区表,面也做欧姆接触，引出的电,极为栅极,G,，大多数的,结型场效应管的两个栅极是,连在一起的，因此，结型

4、场,效应晶体管尽管有,4,个电极,但不是四端器件，而是三端,器件,JFET,的基本结构和工作原理,JFET,工作原理,在正常工作条件下，反向偏压加于栅,极,PN,结的两侧，使得空间电荷区向沟道内部扩展，耗尽,层中的载流子耗尽。结果沟道的截面积减小，从而沟道,电导减小。这样，源极和漏极之间流过的电流就收到栅,极电压的调制。这种通过表面电场调制半导体电导的效,应就称为场效应，这就是,JFET,的基本工作原理,所以说,JFET,实际上是一个电压控制的电阻,JFET,的基本结构和工作原理,选取,N,沟道结型场效应晶体管作为分析对象。一般,将结型场效应晶体管在电路中连接成共源极接地法，即,在漏源极之间接

5、偏置电压，在栅源极之间接栅极控制电,压。结型场效应晶体管源漏极之间电压为,U,DS,源漏极,电流为,I,D,该电流由,N,区的沟道电导决定。沟道电导与,N,区掺杂浓度及栅、漏、源电压有关。还与,N,沟道的形状,有关，即沟道的长度、宽度和厚度,JFET,的基本结构和工作原理,在栅源控制电压为零条件下，讨论理想,JFET,的工作过,程和漏极特性。并熟悉一些基本概念,本过程忽略源极和漏极的接触电阻以及它们下方的体,电阻,JFET,的基本结构和工作原理,当漏电压比较小时，发现漏电流,I,D,随漏电压,V,D,的增,加线性增加,随着漏电压,V,D,的增加，空间电荷区将向沟道内扩,展。由于沟道电阻的存在，

6、从漏端到源端沿着整个沟道,会产生电位降，即从,x=L,处的,V,D,下降到,x=0,处的零电位,随着漏电压,V,D,的增加沟道逐渐变窄，漏电流的增加变得,越来越来缓慢，如图中的弯曲部分,随着漏电压,V,D,的继续增加，沟道的狭口会变得越来,越来窄，沟道电阻进一步增大，最终出现如图所示情况,在,x=L,处，空间电荷区连通，在空间电荷区连通的区域,内自由载流子全部耗尽，这种情况称为,沟道夹断,JFET,的基本结构和工作原理,沟道夹断时的漏电压称为,饱和漏电压,用,V,DS,表示,夹断后再增加漏电压，夹断点将向源端移动，但是夹断,点的点位,V,P,等于常数，又称为,夹断电压,忽沟略沟道长,度调制效应

7、，漏电流将处于饱和，沟道电阻会变得很大,沟道夹断时电流称为,饱和漏电流,用,I,DS,表示,本章节中是以,N,沟道耗尽型结型场效应晶体管为例,介绍的，还有其他三种类型的结型场效应晶体管,P,沟,道耗尽型,N,沟道增强型和,P,沟道增强型，在,5-8,节中将,介绍,JFET,的基本结构和工作原理,JFET,特点及应用,JFET,的电流传输主要由一种型号的载流子多数载流子,承担，不存在少数载流子的贮存效应，因此有利于达到,比较高的截止频率和快的开关速度,JFET,是电压控制器件。它的输入电阻要比,BJT,的高得多,因此其输入端易于与标准的微波系统匹配，在应用电路,中易于实现级间直接耦合,由于是多子

8、器件，因此抗辐射能力强,与,BJT,及,MOS,工艺兼容，有利于集成,JFET,的基本结构和工作原理,与,BJT,的比较,JFET,的基本结构和工作原理,控制元件：场效应管是电压控制元件；三极管是电流控,制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下，用场,效应管；而在信号电压低，又允许从长信号源取较多电,流的条件下，则用三极管,器件类型：场效应管是单极性器件，因为它是利用多数,载流子导电；三极管是双极型器件，因为它是利用多数,载流子及少数载流子导电,灵活性：场效应管比三极管强。有些场效应管的源极和,漏极可以互换使用，栅极电压可正可负，而三极管的各,个极不能这样使用,JFET,的基本结构和工作原理

9、,工作频率：场效应管是低频，三极管是高频,热稳定性：场效应管比三极管稳定性强,接脚偏压：场效应管的源极,S,与漏极,D,在浓度,大小相同时可以相互对调；三极管的集电极,C,与发,射极,E,则不可对调,场效应管没有死区电压，而三极管则有，硅管是,0.6V,或,0.7V,锗管是,0.2V,或,0.3V,理想,JFET,的,I-V,特性,理想,JFET,的基本假设及其意义,单边突变结,SCR,在轻掺杂一侧,沟道内杂质分布均匀：无内建电场，载流子分布均匀，无扩,散运动,沟道内载流子迁移率为常数,忽略有源区以外源、漏区以及接触上的电压降，于是沟道长,度为,L,缓变沟道近似，即空间电荷区内电场沿,y,方向

10、，而中性沟道,内的电场只有,X,方向上的分量：二维问题化为一维问题,长沟道近似,L2,2a,，于是,W,沿着,L,改变很小，看作是矩,形沟道,理想,JFET,的,I-V,特性,JFET,中的有源沟道示意图，在有源沟道内空间电荷,区逐渐改变,加上,N,是为了提供良好的欧姆接触,理想,JFET,的,I-V,特性,JFET,中,X,处耗尽层宽度为,式中,V,X,和,V,G,为在,x,处跨在反偏结上的电压。方括号中出现,V,G,是因为,V,G,取负值,在夹断点，空间电荷区的宽度正好等于沟道的宽度，则,令,W=a,以及,V-V,G,V,P,可求的夹断电压,式中,V,P,为夹断电压，常称,V,P0,为内夹

11、断电压。可以看出,V,P0,仅由器件的材料参数和结构参数决定，与外加电压无关,是器件的固有参数,理想,JFET,的,I-V,特性,在外电场和载流子浓度梯度同时存在的情况下，载,流子要同时进行漂移运动和扩散运动。假设中，在电中,性沟道中，电子分布是均匀的，电子的浓度梯度为零,因此漏极电流中便只有电子漂移的成分。漏极电流,式中,A,为电流垂直流过的面积，等于,2Z(a-W,理想,JFET,的,I-V,特性,式中,理想,JFET,的,I-V,特性,例,5-1,图,的硅,N,沟道,JFET,的电流,电压特性,理想,JFET,的,I-V,特性,由图中理论曲线与实验曲线，可以看出明显的差,异，其可由串联电

12、阻的差异来解释。在书中,5-4,节中,跨导,g,m,定义为漏极电流对栅极电压的变化率，反映出晶,体管的增益,从图中可以看出，在,g,m,数值较大时，不能正确,描述,JFET,这是因为在理,想的,JFET,中，忽略了靠近,源端和漏端的串联电阻，由,于串联电阻的影响，测得的,跨导和沟道导纳都变小了,静态特性,静态特性,线性区,当流经结型场效应晶体管的电流较小时，电流在沟道中,产生的电位梯度较小，可以看作栅极空间电荷区形状受影响,非常小，则沟道形状发生改变很小。此时，可以认为沟道是,一个固定阻值的电阻区，在沟道中载流子的漂移运动满足欧,姆定律，其端电压,U,DS,随漏极电流,I,D,线性变化,静态特

13、性,在线性区，可令,V,D,0,V,G,运用多项级数展开,得到,静态特性,过渡区,非饱和状态,随着漏极电流的增加，沟道中的压降增加，漏端电位就,会明显高于源端电位。由于整个栅电极的电位都是与源端相,参照的，因而栅结的漏端现对于源端，处于明显的反偏增加,状态。此时栅结空间电荷区从源到漏逐渐展宽，沟道宽度会,相应的逐渐减小，于是沟道电阻增大，这种情况会随着,U,DS,的,升高而越来越严重,I,D,对其线性值得偏离也会越来越大,静态特性,饱和区,沟道电压继续升高，沟道的空间电荷区将随着沟道电压,的升高从漏端开始闭合，并逐渐将闭合点向源端缓慢推进,空间电荷区的闭合使导电沟道在漏端被夹断。夹断的本质是,

14、导电沟道的一端变成载流子已经被耗尽的空间电荷区。此时,随着沟道电压的增加，漏极电流不再增加，称为饱和状态,静态特性,注：较高反偏漏源偏置电压同较高反偏的栅源控制,电压对导电沟道的夹断有着本质的不同。较高反偏栅源,控制电压的夹断是使整个导电沟道载流子耗尽，漏极电,流为零。较高反偏漏源偏置电压的夹断只是使导电沟道,的漏端局部耗尽，电子仍然可以被其中的强电场扫过空,间电荷区而进入漏极，因而漏极电流是不为零的，相应,的电流被称作饱和漏电流,静态特性,夹断点首先发生在漏端，在漏端,V(L)=V,DS,可见，夹断电压由栅电压和漏电压共同确定。对于,不同的栅电压来说，为达到夹断条件所需要的漏电压是,不同的,

15、得到饱和漏电流,静态特性,在图中又画出抛物线,式中,I,DSS,表示栅极电压为零（即栅源短路）时的漏极饱,和电流,静态特性,JFET,的转移特性,静态特性,实验发现，即使在,y,方向为任意非均匀的杂质分布,所有的转移特性都落在图中所示的两条曲线之间。在放,大应用当中，通常工作在饱和区，并且在已知栅电压信,号时，可利用转移特性求得输出的漏极电流。并且饱和,区的起始电压（夹断电压）和终止电压（雪崩击穿电压,都会随着栅源控制电压的绝对值升高而降低，这是因为,栅源电压反偏升高时沟道变薄，空间电荷区在漏端扩展,的余地变小,静态特性,击穿电压,导电沟道的漏端一旦变成空间电荷区，漏源电压的,的持续上升就主要

16、降落在这个高阻区域，其中的电场将,会越来越强，会出现空间电荷区中载流子倍增的雪崩电,离效应，只要漏源电压有微小的增加，都会引起漏极电,流的急剧上升，最终导致器件击穿。击穿首先发生在沟,道的漏端，那里有最高的反偏电压。此时击穿电压表示,为,V,BS,V,D,V,G,式中,V,D,为击穿时的漏电压,小信号参数和等效电路,JFET,所包含的电学特性,具有源电阻和漏电阻的,JFET,小信号参数和等效电路,漏极导纳（输出导纳,g,dl,漏极导纳定义为漏极电流对漏极电压的变化率，在,线性区，可以得到漏极导纳的表达式,从式中可以看出漏极导纳与外加栅极电压的关系,小信号参数和等效电路,跨导,g,m,跨导,g,

17、m,定义为漏极电流对栅极电压的变化率，反映,出晶体管的增益,线性区的跨导可以推导出,饱和区的跨导可以推导出,跨导标志了,JFET,的放大能力,小信号参数和等效电路,栅源扩散电容,r,gs,和栅漏扩散电阻,r,gd,栅极漏泄电流用和表示，它们是,P-N,结反向饱和电,流产生电流和表面漏泄电流的总和。在平面,JFET,型中,表面漏泄电流的成分通常很小。在一般器件中，栅极漏,泄电流的数值在,10,12,10,9,A,之间，由此得到的输入阻,抗大于,10,8,所以说,JFET,是高输入阻抗的电压控制器,件,栅极总电容,C,G,栅和沟道之间的,P-N,结在反偏压下所具有的结电容,令为平均耗尽层宽度，测栅极总电容可以表示为,小信号参数和等效电路,式中，因子,2,是考虑了两个,P-N,结的贡献,ZL,为每个结的,面积。在,V,G,0,并处于夹断条件下，平均耗尽层宽度为,a/2,因而，夹断时的栅极