第五章结型场效应晶体管

1、2021/2/61第五章结型场效应晶体管和金属-半导体场效应晶体管2021/2/62结型场效应晶体管2021/2/63JFET的基本结构和工作原理介绍介绍JFETJFET器件器件JFETJFET的基本结构和工艺流程的基本结构和工艺流程JFETJFET的基本工作原理的基本工作原理沟道夹断、漏电流饱和、夹断电压的概念。沟道夹断、漏电流饱和、夹断电压的概念。JFETJFET特点及应用特点及应用与与BJTBJT的比较的比较2021/2/64JFET的基本结构和工作原理介绍介绍JFETJFET器件器件结型场效应晶体管（结型场效应晶体管（JFETJFET）指的是）指的是PNPN结场效应晶体结场效应晶体管。

2、管。JFETJFET和和MESFETMESFET（金属（金属- -半导体场效应晶体管）都是半导体场效应晶体管）都是利用栅结的外加电压利用栅结的外加电压, ,控制耗尽层厚度控制耗尽层厚度, ,改变两个欧姆结改变两个欧姆结之间的电阻之间的电阻, ,进而控制两个欧姆结之间的电流。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化而变化的规律相似, ,其工作原理是相同的。不同之处其工作原理是相同的。不同之处是是MESFETMESFET用金属用金属- -半导体结替代半导体结替代PNPN结作为栅结。结作为栅结。2021

3、/2/65JFET的基本结构和工作原理图图5-1 由两种工艺制成的沟道由两种工艺制成的沟道JFET（a）外延）外延扩散工艺（扩散工艺（b）双扩散工艺）双扩散工艺源极源极SourceS 漏极漏极DrainD 栅极栅极GateG:上栅、下栅上栅、下栅JFET的基本结构和工艺流程的基本结构和工艺流程2021/2/66JFET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晶体管的芯片结构几乎没有什么区别, ,只不过在结型场只不过在结型场效应晶体管中使用两个重掺杂层。如图效应晶体管中使用两个重掺杂层。如图5-1

4、5-1（a a）所示的）所示的采用标准平面外延工艺制成的理想的采用标准平面外延工艺制成的理想的JFETJFET的的N N沟道结型沟道结型场效应晶体管场效应晶体管, ,下边重掺杂的下边重掺杂的P P+ +层为衬底层为衬底, ,在在P P+ +层衬底上层衬底上外延生长掺杂的外延生长掺杂的N N型层。上边的重掺杂型层。上边的重掺杂P P+ +层是通过向层是通过向N N型型外延层中扩展硼形成的。外延层中扩展硼形成的。采用双扩散工艺制造采用双扩散工艺制造JFETJFET如图如图(b)(b)所示所示, ,该技术通过该技术通过扩散形成沟道和上栅极。扩散形成沟道和上栅极。2021/2/67JFET的基本结构和

5、工作原理 如如右右图所示的结型场图所示的结型场效应晶体管的典型结构。两效应晶体管的典型结构。两个重掺杂的个重掺杂的P+层与层与N层形成层形成个个P+N结结,通常称之为栅通常称之为栅结结;N区两端做欧姆接触区两端做欧姆接触,引引出的电极分别称为源极（出的电极分别称为源极（S）和漏极（和漏极（D）;两个两个P+区表面区表面也做欧姆接触也做欧姆接触,引出的电极为引出的电极为栅极（栅极（G）,大多数的结型场大多数的结型场效应管的两个栅极是连在一效应管的两个栅极是连在一起的起的,因此因此,结型场效应晶体结型场效应晶体管尽管有管尽管有4个电极但不是四个电极但不是四端器件端器件,而是三端器件。而是三端器件。

6、2021/2/68JFET的基本结构和工作原理JFETJFET工作原理工作原理: :在正常工作条件下在正常工作条件下, ,反向偏压加于栅极反向偏压加于栅极PNPN结的两侧结的两侧, ,使得空间电荷区向沟道内部扩展使得空间电荷区向沟道内部扩展, ,耗尽层中耗尽层中的载流子耗尽。结果沟道的截面积减小的载流子耗尽。结果沟道的截面积减小, ,从而沟道电导从而沟道电导减小。这样减小。这样, ,源极和漏极之间流过的电流就收到栅极电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称为场效应, ,这就是这就是JFET

7、JFET的基本工作原理。的基本工作原理。所以说所以说JFETJFET实际上是一个电压控制的电阻。实际上是一个电压控制的电阻。2021/2/69JFET的基本结构和工作原理选取选取N N沟道结型场效应晶体管作为分析对象。一般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将结型场效应晶体管在电路中连接成共源极接地法, ,即即在漏源极之间接偏置电压在漏源极之间接偏置电压, ,在栅源极之间接栅极控制电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压。结型场效应晶体管源漏极之间电压为U UDSDS, ,源漏极电源漏极电流为流为I ID D, ,该电流由该

8、电流由N N区的沟道电导决定。沟道电导与区的沟道电导决定。沟道电导与N N区区掺杂浓度及栅、漏、源电压有关。还与掺杂浓度及栅、漏、源电压有关。还与N N沟道的形状有沟道的形状有关关, ,即沟道的长度即沟道的长度、宽度和厚度宽度和厚度。2021/2/610JFET的基本结构和工作原理 在栅源控制电压为零条件下在栅源控制电压为零条件下,讨论理想讨论理想JFET的工作过的工作过程和漏极特性。并熟悉一些基本概念。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。电阻。2021/2/611JFET的基本结构和工作原理当漏

9、电压比较小时当漏电压比较小时, ,发现漏电流发现漏电流I ID D随漏电压随漏电压V VD D的增加的增加线性增加。线性增加。 随着漏电压随着漏电压V VD D的增加的增加, ,空间电荷区将向沟道内扩展。空间电荷区将向沟道内扩展。由于沟道电阻的存在由于沟道电阻的存在, ,从漏端到源端沿着整个沟道会产从漏端到源端沿着整个沟道会产生电位降生电位降, ,即从即从x=Lx=L处的处的V VD D下降到下降到x=0 x=0处的零电位处的零电位, ,随着漏随着漏电压电压V VD D的增加沟道逐渐变窄的增加沟道逐渐变窄, ,漏电流的增加变得越来越漏电流的增加变得越来越来缓慢来缓慢, ,如图中的弯曲部分。如图

10、中的弯曲部分。随着漏电压随着漏电压V VD D的继续增加的继续增加, ,沟道的狭口会变得越来沟道的狭口会变得越来越来窄越来窄, ,沟道电阻进一步增大沟道电阻进一步增大, ,最终出现如图所示情况最终出现如图所示情况: :在在x=Lx=L处处, ,空间电荷区连通空间电荷区连通, ,在空间电荷区连通的区域内在空间电荷区连通的区域内自由载流子全部耗尽自由载流子全部耗尽, ,这种情况称为这种情况称为沟道夹断沟道夹断。2021/2/612JFET的基本结构和工作原理沟道夹断时的漏电压称为沟道夹断时的漏电压称为饱和漏电压饱和漏电压, ,用用V VDSDS表示。表示。夹断后再增加漏电压夹断后再增加漏电压, ,

11、夹断点将向源端移动夹断点将向源端移动, ,但是夹断点但是夹断点的点位的点位V VP P等于常数等于常数, ,又称为又称为夹断电压夹断电压。忽沟略沟道长度。忽沟略沟道长度调制效应调制效应, ,漏电流将处于饱和漏电流将处于饱和, ,沟道电阻会变得很大沟道电阻会变得很大, ,沟沟道夹断时电流称为道夹断时电流称为饱和漏电流饱和漏电流, ,用用I IDSDS表示。表示。本章节中是以本章节中是以N N沟道耗尽型结型场效应晶体管为例沟道耗尽型结型场效应晶体管为例介绍的介绍的, ,还有其他三种类型的结型场效应晶体管还有其他三种类型的结型场效应晶体管, ,P P沟道沟道耗尽型、耗尽型、N N沟道增强型和沟道增强

12、型和P P沟道增强型沟道增强型, ,在在5-85-8节中将介绍。节中将介绍。2021/2/613JFET的基本结构和工作原理JFETJFET特点及应用特点及应用JFETJFET的电流传输主要由一种型号的载流子的电流传输主要由一种型号的载流子多数载流子多数载流子承担承担, ,不存在少数载流子的贮存效应不存在少数载流子的贮存效应, ,因此有利于达到比因此有利于达到比较高的截止频率和快的开关速度。较高的截止频率和快的开关速度。JFETJFET是电压控制器件。它的输入电阻要比是电压控制器件。它的输入电阻要比BJTBJT的高得多的高得多, ,因此其输入端易于与标准的微波系统匹配因此其输入端易于与标准的微

13、波系统匹配, ,在应用电路在应用电路中易于实现级间直接耦合。中易于实现级间直接耦合。由于是多子器件由于是多子器件, ,因此抗辐射能力强。因此抗辐射能力强。与与BJTBJT及及MOSMOS工艺兼容工艺兼容, ,有利于集成。有利于集成。2021/2/614JFET的基本结构和工作原理与与BJTBJT的比较的比较2021/2/615JFET的基本结构和工作原理控制元件控制元件: :场效应管是电压控制元件场效应管是电压控制元件; ;三极管是电流控制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元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下, ,用场效用场效应管应管; ;而在信号电压低而在信号电压低

14、, ,又允许从长信号源取较多电流的又允许从长信号源取较多电流的条件下条件下, ,则用三极管。则用三极管。器件类型器件类型: :场效应管是单极性器件场效应管是单极性器件, ,因为它是利用多数载因为它是利用多数载流子导电流子导电; ;三极管是双极型器件三极管是双极型器件, ,因为它是利用多数载流因为它是利用多数载流子及少数载流子导电。子及少数载流子导电。灵活性灵活性: :场效应管比三极管强。有些场效应管的源极和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漏极可以互换使用, ,栅极电压可正可负栅极电压可正可负, ,而三极管的各个而三极管的各个极不能这样使用。极不能这样使用。2021/2/

15、616JFET的基本结构和工作原理工作频率工作频率: :场效应管是低频场效应管是低频, ,三极管是高频。三极管是高频。热稳定性热稳定性: :场效应管比三极管稳定性强。场效应管比三极管稳定性强。接脚偏压接脚偏压: :场效应管的源极（场效应管的源极（S S）与漏极（）与漏极（D D）在浓度、）在浓度、大小相同时可以相互对调大小相同时可以相互对调; ;三极管的集电极（三极管的集电极（C C）与发射）与发射极（极（E E）则不可对调。）则不可对调。场效应管没有死区电压场效应管没有死区电压, ,而三极管则有而三极管则有, ,硅管是硅管是0.6V0.6V或或0.7V0.7V, ,锗管是锗管是0.2V0.2

16、V或或0.3V0.3V。2021/2/617理想JFET的I-V特性理想理想JFETJFET的基本假设及其意义的基本假设及其意义单边突变结单边突变结:SCR:SCR在轻掺杂一侧在轻掺杂一侧沟道内杂质分布均匀沟道内杂质分布均匀: :无内建电场无内建电场, ,载流子分布均匀载流子分布均匀, ,无扩散无扩散运动。运动。沟道内载流子迁移率为常数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忽略有源区以外源、漏区以及接触上的电压降, ,于是沟道长于是沟道长度为度为L L; ;缓变沟道近似缓变沟道近似, ,即空间电荷区内电场沿即空间电荷区内电场沿y y方向方向, ,而中性沟道内而中

17、性沟道内的电场只有的电场只有X X方向上的分量方向上的分量: :二维问题化为一维问题。二维问题化为一维问题。长沟道近似长沟道近似: :L2L2（2a2a）, ,于是于是W W沿着沿着L L改变很小改变很小, ,看作是矩形沟看作是矩形沟道。道。2021/2/618理想JFET的I-V特性JFET中的有源沟道示意图中的有源沟道示意图,在有源沟道内空间电荷区在有源沟道内空间电荷区逐渐改变逐渐改变.加上加上N+是为了提供良好的欧姆接触是为了提供良好的欧姆接触2021/2/619理想JFET的I-V特性JFETJFET中中X X处耗尽层宽度为处耗尽层宽度为式中式中,V,V(X)(X)和和V VG G为在

18、为在x x处跨在反偏结上的电压。方括号中出现处跨在反偏结上的电压。方括号中出现- -V VG G是因为是因为V VG G取负值。取负值。在夹断点在夹断点, ,空间电荷区的宽度正好等于沟道的宽度空间电荷区的宽度正好等于沟道的宽度, ,则令则令W=aW=a以及以及V-VV-VG G=V=VP P, ,可求的夹断电压可求的夹断电压式中式中, ,V VP P为夹断电压为夹断电压, ,常称常称V VP0P0为内夹断电压。可以看出为内夹断电压。可以看出V VP0P0仅由器件的材料参数和结构参数决定仅由器件的材料参数和结构参数决定, ,与外加电压无关与外加电压无关, ,是器是器件的固有参数。件的固有参数。2

19、021/2/620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在外电场和载流子浓度梯度同时存在的情况下, ,载载流子要同时进行漂移运动和扩散运动。假设中流子要同时进行漂移运动和扩散运动。假设中, ,在电中在电中性沟道中性沟道中, ,电子分布是均匀的电子分布是均匀的, ,电子的浓度梯度为零电子的浓度梯度为零, ,因因此漏极电流中便只有电子漂移的成分。漏极电流此漏极电流中便只有电子漂移的成分。漏极电流: :式中式中, ,A A为电流垂直流过的面积为电流垂直流过的面积, ,等于等于2Z(a-W).2Z(a-W).2021/2/621理想JFET的I-V特性式中式中2021/2/6

20、22理想JFET的I-V特性例例5-15-1图图 的硅的硅N N沟道沟道JFETJFET的电流的电流- -电压特性电压特性2021/2/623理想JFET的I-V特性 由图中理论曲线与实验曲线由图中理论曲线与实验曲线, ,可以看出明显的差异可以看出明显的差异, ,其可由串联电阻的差异来解释。在书中其可由串联电阻的差异来解释。在书中5-45-4节中节中, ,跨导跨导g gm m定义为漏极电流对栅极电压的变化率定义为漏极电流对栅极电压的变化率, ,反映出晶体管的反映出晶体管的增益。增益。 从图中可以看出从图中可以看出,在在gm数值较大时数值较大时,不能正确描述不能正确描述JFET,这是因为在理想的

21、这是因为在理想的JFET中中,忽略了靠近源端和忽略了靠近源端和漏端的串联电阻漏端的串联电阻,由于串联由于串联电阻的影响电阻的影响,测得的跨导和测得的跨导和沟道导纳都变小了。沟道导纳都变小了。2021/2/624静态特性2021/2/625静态特性线性区线性区 当流经结型场效应晶体管的电流较小时当流经结型场效应晶体管的电流较小时, ,电流在沟道中电流在沟道中产生的产生的电电位梯度较小位梯度较小, ,可以看作栅极空间电荷区形状受影响可以看作栅极空间电荷区形状受影响非常小非常小, ,则沟道形状发生改变很小。此时则沟道形状发生改变很小。此时, ,可以认为沟道是一可以认为沟道是一个固定阻值的电阻区个固定

22、阻值的电阻区, ,在沟道中载流子的漂移运动满足欧姆在沟道中载流子的漂移运动满足欧姆定律定律, ,其端电压其端电压U UDSDS随漏极电流随漏极电流I ID D线性变化。线性变化。2021/2/626静态特性在线性区在线性区, ,可令可令V VD D0 0-V-VG G, ,运用多项级数展开运用多项级数展开, ,得到得到2021/2/627静态特性过渡区过渡区( (非饱和状态非饱和状态) ) 随着漏极电流的增加随着漏极电流的增加, ,沟道中的压降增加沟道中的压降增加, ,漏端电位就会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明显高于源端电位。由于整个栅电极的电位都是与源端相

23、参照的照的, ,因而栅结的漏端现对于源端因而栅结的漏端现对于源端, ,处于明显的反偏增加状态。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, ,沟道宽度会相应的沟道宽度会相应的逐渐减小逐渐减小, ,于是沟道电阻增大于是沟道电阻增大, ,这种情况会随着这种情况会随着U UDSDS的升高而越的升高而越来越严重来越严重, ,I ID D对其线性值得偏离也会越来越大。对其线性值得偏离也会越来越大。2021/2/628静态特性饱和区饱和区 沟道电压继续升高沟道电压继续升高, ,沟道的空间电荷区将随着沟道电压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

24、的升高从漏端开始闭合, ,并逐渐将闭合点向源端缓慢推进。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随着沟道电压的增加, ,漏极电流不再增加漏极电流不再增加, ,称为饱和状态。称为饱和状态。2021/2/629静态特性 注注: :较高反偏漏源偏置电压同较高反偏的栅源控制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。较高反偏栅源电压对导电沟道的夹断有着

25、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控制电压的夹断是使整个导电沟道载流子耗尽, ,漏极电漏极电流为零。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的漏端局部耗尽, ,电子仍然可以被其中的强电场扫过空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间电荷区而进入漏极, ,因而漏极电流是不为零的因而漏极电流是不为零的, ,相应的相应的电流被称作饱和漏电流。电流被称作饱和漏电流。2021/2/630静态特性夹断点首先发生在漏端夹断点首先发生在漏端, ,在漏端在漏端, ,V(L)=VV(L)=VDSDS,可见可见,

26、 ,夹断电压由栅电压和漏电压共同确定。对于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不同的栅电压来说, ,为达到夹断条件所需要的漏电压是为达到夹断条件所需要的漏电压是不同的。不同的。得到饱和漏电流得到饱和漏电流2021/2/631静态特性在图中又画出抛物线在图中又画出抛物线式中式中,I,IDSSDSS表示栅极电压为零（即栅源短路）时的漏极饱和表示栅极电压为零（即栅源短路）时的漏极饱和电流。电流。2021/2/632静态特性JFET的转移特性2021/2/633静态特性 实验发现实验发现, ,即使在即使在y y方向为任意非均匀的杂质分布方向为任意非均匀的杂质分布, ,所所有的转移特性

27、都落在图中所示的两条曲线之间。在放大有的转移特性都落在图中所示的两条曲线之间。在放大应用当中应用当中, ,通常工作在饱和区通常工作在饱和区, ,并且在已知栅电压信号时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随着栅源控制电压的绝对值升高而降低, ,这是因为栅源这是因为栅源电压反偏升高时沟道变薄电压反偏升高时沟道变薄, ,空间电荷区在漏端扩展的余空间电荷区在漏端扩展的余地变小。地变小。2

28、021/2/634静态特性击穿电压击穿电压 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;VBS=VD+|VG|式中,VD为击穿时的漏电压。2021/2/635小信号参数和等效电路JFETJFET所包含的电学特性。所包含的电学特性。具有源电阻和漏电阻的具有源电阻和漏电阻的JFET2021/2/636小信号参数和等效电路漏极导纳（输出导纳）漏极导纳（输出导纳

29、）g gdldl漏极导纳定义为漏极电流对漏极电压的变化率漏极导纳定义为漏极电流对漏极电压的变化率, ,在在线性区线性区, ,可以得到漏极导纳的表达式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。从式中可以看出漏极导纳与外加栅极电压的关系。2021/2/637小信号参数和等效电路跨导跨导g gm m跨导跨导g gm m定义为漏极电流对栅极电压的变化率定义为漏极电流对栅极电压的变化率, ,反映反映出晶体管的增益。出晶体管的增益。线性区的跨导可以推导出线性区的跨导可以推导出: :饱和区的跨导可以推导出饱和区的跨导可以推导出: :跨导标志了跨导标志了JFETJFET的放大能力。的放大能力。2021/2/638小信号参数和等效电路栅源扩散电容栅源扩散电容r rgsgs和栅漏扩散电阻和栅漏扩散电阻r rgdgd栅极漏泄电流用和表示栅极漏泄电流用和表示, ,它们是它们是P