半导体器件物理17

1、由于电子的迁移率比空穴的高，由于电子的迁移率比空穴的高，N 沟道沟道 JFET 能提供更高的电能提供更高的电导和更高的速度，在大多数应用中处于优先地位，下面的讨导和更高的速度，在大多数应用中处于优先地位，下面的讨论仅限于论仅限于 N 沟耗尽型沟耗尽型 JFET。基于以下几点假设的。基于以下几点假设的 JFET 称为称为理想理想 JFET： 4.2 理想理想 JFET 的的 特性特性VI 栅栅 PN 结为单边突变结结为单边突变结 沟道内杂质分布均匀沟道内杂质分布均匀 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，于是沟道忽略有源区以外源、漏区以及接触

2、上的电压降，于是沟道长度为长度为 缓变沟道近似，即空间电荷区内电场沿缓变沟道近似，即空间电荷区内电场沿 方向，而中性沟方向，而中性沟道内的电场只有道内的电场只有 方向上的分量方向上的分量 长沟道近似：长沟道近似： ，于是，于是 沿着沿着 改变很小，看作改变很小，看作是矩形沟道是矩形沟道 Lyx)2(2aL WL1线性区的电流电压特性线性区的电流电压特性如果在栅极相对于源极加负偏压如果在栅极相对于源极加负偏压 （ ），在不同的），在不同的 下，可以获得下，可以获得 曲线，如上图所示。图中电流电压曲线，如上图所示。图中电流电压特性可以用夹断条件作为界限划分为线性区和饱和区。特性可以用夹断条件作为界

3、限划分为线性区和饱和区。前面定性分析了漏极电流前面定性分析了漏极电流 与漏极电压与漏极电压 关系，在关系，在 较较小时，小时， 随随 近似呈线性增加，当近似呈线性增加，当 增加到夹断电压后，增加到夹断电压后， 达到饱和，几乎不随达到饱和，几乎不随 而变化。而变化。IDVDVDIDVDVDVPIDVDVG0GVVIDDVGVxVVNqxWG0d0r)(2)( 在到达夹断条件之前（线性区）的空间电荷区的轮廓如上图在到达夹断条件之前（线性区）的空间电荷区的轮廓如上图所示。根据假设，栅所示。根据假设，栅 PN 结为单边突变结，结为单边突变结，JFET 中中 处耗尽处耗尽层的宽度可表示为层的宽度可表示为

4、x：栅：栅 PN 结的自建电势差结的自建电势差 ：沟道：沟道 处电势（以处电势（以 处为参考点）处为参考点） ：在：在 处跨在反偏结上电压差处跨在反偏结上电压差V0)(xVVxVG)(0 xxx由于假设在电中性沟道中，电子分布是均匀的，电子的浓度由于假设在电中性沟道中，电子分布是均匀的，电子的浓度梯度为零，因此，漏极电流中只有电子漂移电流的成分，根梯度为零，因此，漏极电流中只有电子漂移电流的成分，根据欧姆定律有（注意一维形式）：据欧姆定律有（注意一维形式）：xxVnqZxWd)(d)( 2nxxVqNZxWd)(d)( 2nd xxVxEd)(d)(（ ）xxVAxEAId)(d)(nnDnn

5、nqnn：电子的电导率：电子的电导率：电子的迁移率：电子的迁移率)(d)(2d2D0G0d0r0ndDxVVxVVNqxZqNIVLVVVVVNqVGIG02/3G0D2/3d20rD0D232 式中，式中， 为没有任何耗尽层时的沟道电导。为没有任何耗尽层时的沟道电导。LNZqGdn02将将 式代入式代入 式积分，积分限式积分，积分限 ： 的有源区长度；的有源区长度；电压电压 ：L0)(xVVD0 x式式 可以很好地描述线性区（在到达夹断条件之前）的漏极可以很好地描述线性区（在到达夹断条件之前）的漏极电流电流 与漏极电压与漏极电压 的关系，与实验结果十分接近。上式的关系，与实验结果十分接近。上

6、式长期被看作是描述长沟道长期被看作是描述长沟道 JFET 线性区直流特性的基本方程。线性区直流特性的基本方程。IDVD事实上，在低漏极电压下，即在事实上，在低漏极电压下，即在 时，时， 式可式可以简化为以简化为VVVG0DVVVVGID0pG00D1上式表明，上式表明， 与与 确实是线性依赖关系。确实是线性依赖关系。 IDVD2夹断电压夹断电压在夹断点在夹断点 处，空间电荷区的宽度正好等于沟道的宽度，处，空间电荷区的宽度正好等于沟道的宽度，即：即： 。同时在夹断点，跨过栅结的偏压也为常数，。同时在夹断点，跨过栅结的偏压也为常数，即：即： 。 称为夹断电压。因此有称为夹断电压。因此有axW)(V

7、VxVpG)(VpxVxVVNqxWG0d0r)(2)(VVNqap0d0r2VNaqVV0p0rd2p02 为夹断电压为夹断电压 与自建电势差与自建电势差 的总和，称为内夹断电压。的总和，称为内夹断电压。V0pVpV03饱和区的电流电压特性饱和区的电流电压特性（1）饱和区电流电压方程）饱和区电流电压方程刚好达到夹断条件时，漏极和栅极上的偏置电压的大小满足：刚好达到夹断条件时，漏极和栅极上的偏置电压的大小满足：VVVpGD夹断电压夹断电压 为一常数，因此，对于不同的栅电压为一常数，因此，对于不同的栅电压 来说，为来说，为达到夹断条件所需要的漏电压达到夹断条件所需要的漏电压 是不同的。是不同的。

8、VpVGVD将上式在将上式在 特性图中绘制成曲线，称为夹断曲线。超出特性图中绘制成曲线，称为夹断曲线。超出夹断曲线的电流电压特性称为饱和区，这是由于漏极电流是夹断曲线的电流电压特性称为饱和区，这是由于漏极电流是饱和的。饱和的。VIDDVGVVVVVGI0p0G00pG00DS31132上式与下面的经验公式非常接近上式与下面的经验公式非常接近VVII0pG2DSSDS1式中，式中， 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。在放大应用当中，电流。在放大应用当中，JFET 通常工作在饱和区。通常工作在饱和区。 IDSS将将 代入式代入式 ，并用到

9、，并用到 ，可得到饱，可得到饱和漏极电流和漏极电流 为为VVV0pp0VVVpGDIDS上式把漏极电流上式把漏极电流 表示为栅极电压表示为栅极电压 的函数，反映出了栅的函数，反映出了栅极电压对漏极电流的控制作用，它称为极电压对漏极电流的控制作用，它称为 JFET 的转移特性。的转移特性。IDSVG（2）饱和区漏极电流特性）饱和区漏极电流特性前面分析表明，在饱和区，不同前面分析表明，在饱和区，不同 下，漏极电流下，漏极电流 均不随均不随漏极电压漏极电压 而变化。但实际测量发现，而变化。但实际测量发现， 不饱和，而缓慢地不饱和，而缓慢地随随 增加而上升。这一现象可以用沟道长度调制效应来解释。增加而

10、上升。这一现象可以用沟道长度调制效应来解释。 VGIDSVDIDSVD夹断条件规定为两个空间电荷区在沟道中心相遇，如图中实夹断条件规定为两个空间电荷区在沟道中心相遇，如图中实线所表示的情形。当漏极电压进一步增加时，沟道中更多的线所表示的情形。当漏极电压进一步增加时，沟道中更多的自由载流子耗尽。结果是耗尽区的长度增加，电中性的沟道自由载流子耗尽。结果是耗尽区的长度增加，电中性的沟道长度减小。这种现象称为沟道长度调制。长度减小。这种现象称为沟道长度调制。在沟道中心，外加漏极电压这时由耗尽区和电中性区分摊，在沟道中心，外加漏极电压这时由耗尽区和电中性区分摊，由电中性的沟道区承担电压由电中性的沟道区承

11、担电压 ，并由耗尽的沟道区承担电，并由耗尽的沟道区承担电压压 。由于被减短的电中性沟道长度承受着相同的电。由于被减短的电中性沟道长度承受着相同的电压压 ，因而，对于夹断后的任何漏极电压，都会使漏极电，因而，对于夹断后的任何漏极电压，都会使漏极电流略有增加。由于这个原因，夹断后的漏极电流不是饱和的，流略有增加。由于这个原因，夹断后的漏极电流不是饱和的，且漏极电阻为有限。且漏极电阻为有限。VpVVpDVp考虑到沟道长度调制效应后，夹断后的漏极电流可修正为考虑到沟道长度调制效应后，夹断后的漏极电流可修正为VGVVVVVGI0p0G00pG00DS31132式中，式中， ，新的沟道长度，新的沟道长度

12、承受夹断电压承受夹断电压 。LNqaZGdn02LVp漏极电压在夹断后使被耗尽的沟道长度增加了漏极电压在夹断后使被耗尽的沟道长度增加了NqVVLdpD0r2/1)(2在实践当中通常用下面简便的经验公式来描述器件饱和区的在实践当中通常用下面简便的经验公式来描述器件饱和区的漏极电流漏极电流假设被耗尽的沟道向源端和漏端的扩展相等，则得到假设被耗尽的沟道向源端和漏端的扩展相等，则得到 为为LNqVVLLLLdpD0r2/1)(22121从上式可以看出，在夹断后，从上式可以看出，在夹断后， 增加，增加， 减小，减小， 增加，增加，所以所以 增加。增加。G0IDSVDL)1 (DDSDSVII称为沟道调制系数称为沟道调制系数 VGVVVVVGI0p0G00pG00DS31132式中：式中：（3）栅结雪