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1、半导体器件原理半导体器件原理PrinciplesofSemiconductorDevices第六章：结型场效应晶体管第六章：结型场效应晶体管JunctionFieldEffectTransistor（JFET）刘宪云刘宪云逸夫理科楼逸夫理科楼229室室第一页，编辑于星期五：三点 四十分。结型场效应晶体管结型场效应晶体管通过通过改变垂直于导电沟道的电场强度改变垂直于导电沟道的电场强度来控制来控制沟道的导沟道的导电能力电能力，从而调制通过沟道的电流。由于场效应晶体，从而调制通过沟道的电流。由于场效应晶体管的工作电流仅由多数载流子输运，故又称之为管的工作电流仅由多数载流子输运，故又称之为“单单极型极
2、型(场效应场效应)晶体管晶体管”。JFET可分为两类：可分为两类：Pn结场效应晶体管（结场效应晶体管（pnJFET），），pn结制成；结制成；金属金属-半导体结型场效应晶体管（半导体结型场效应晶体管（MESFET），肖特基），肖特基势垒整流接触结制成。势垒整流接触结制成。所用知识：半导体材料、所用知识：半导体材料、所用知识：半导体材料、所用知识：半导体材料、PNPN结、肖特基势垒二极管结、肖特基势垒二极管结、肖特基势垒二极管结、肖特基势垒二极管第二页，编辑于星期五：三点 四十分。第六章：结型场效应晶体管第六章：结型场效应晶体管 6.1JFET6.1JFET概念概念概念概念 6.26.2器件的特
3、性器件的特性器件的特性器件的特性 6.36.3非理想因素非理想因素非理想因素非理想因素 6.46.4等效电路和频率限制等效电路和频率限制等效电路和频率限制等效电路和频率限制 6.56.5高电子迁移率晶体管高电子迁移率晶体管高电子迁移率晶体管高电子迁移率晶体管第三页，编辑于星期五：三点 四十分。6.1 JFET概念内容 6.1.1pnJFET6.1.1pnJFET基本工作原理基本工作原理基本工作原理基本工作原理 6.1.2MESFET6.1.2MESFET基本工作原理基本工作原理基本工作原理基本工作原理 结型场效应管分类：结型场效应管分类：结型场效应管分类：结型场效应管分类：pnJFETpnJF
4、ET MESFETMESFET第四页，编辑于星期五：三点 四十分。JFET基本概念场效应现象场效应现象20世纪世纪20年代和年代和30年代年代被发现，文献记载如图所示的晶被发现，文献记载如图所示的晶体管结构，是第一个被提出来的体管结构，是第一个被提出来的固态晶体管。固态晶体管。基本思路：加在金属板上的电压调制基本思路：加在金属板上的电压调制（影响）下面半导体的电导，从而实（影响）下面半导体的电导，从而实现现AB两端的电流控制。两端的电流控制。场效应：半导体电导被垂直于半导场效应：半导体电导被垂直于半导体表面的电场调制的现象。体表面的电场调制的现象。特点：多子器件，单极型晶体管特点：多子器件，单
5、极型晶体管第五页，编辑于星期五：三点 四十分。1952年年，Shockley首首次次提提出出并并分分析析了了结结型型场场效效应应晶晶体体管。管。在在JFET中中所所加加的的栅栅电电压压改改变变了了pn结结耗耗尽尽层层宽宽度度，耗耗尽尽层层宽度的变化反过来调节源、漏欧姆接触之间的电导。宽度的变化反过来调节源、漏欧姆接触之间的电导。N沟沟JFET中，多数载流子中，多数载流子电子电子起主要导电作用；起主要导电作用；P沟沟JFET中，多数载流子中，多数载流子空穴空穴起主要导电作用；起主要导电作用；空空穴穴的的迁迁移移率率比比电电子子的的迁迁移移率率小小，所所以以p-JFET的的工工作作频率比频率比n-
6、JFET的工作频率低。的工作频率低。6.1.1 pn-JFET基本工作原理基本工作原理 第六页，编辑于星期五：三点 四十分。G栅极（基极）栅极（基极）S源极（发射极）源极（发射极）D漏极（集电极）漏极（集电极）在在N型半导体硅型半导体硅片的两侧各制造片的两侧各制造一个一个PN结，形成结，形成两个两个PN结夹着一结夹着一个个N型沟道的结型沟道的结构。构。P区即为栅极，区即为栅极，N型硅的一端是漏型硅的一端是漏极，另一端是源极，另一端是源极。极。6.1.1 pn-JFET基本工作原理基本工作原理 JFETJFET的基本结构的基本结构第七页，编辑于星期五：三点 四十分。JFETJFET的基本结构的基
7、本结构(n(n沟道结型场效应管）沟道结型场效应管）第八页，编辑于星期五：三点 四十分。6.1.1 pn-JFET基本工作原理 漏源漏源I-V特性定性分析特性定性分析对称对称n沟沟pn结结JFET的横截面的横截面图图漏源电压在沟道区漏源电压在沟道区产生电场，使多子产生电场，使多子从源极流向漏极。从源极流向漏极。第九页，编辑于星期五：三点 四十分。6.1.1 pn-JFET基本工作原理 与MOSFET比较ID的形成的形成：（：（n沟耗尽型）沟耗尽型）如果源极接地，并在漏极加上一个小的正电压，则在漏源之间如果源极接地，并在漏极加上一个小的正电压，则在漏源之间就产生了一个漏电流就产生了一个漏电流ID。
8、对称对称n沟沟pn结结JFET的横截面的横截面厚度几厚度几十几十几微米微米两边夹两边夹结型结型:大于大于107，绝缘栅，绝缘栅:1091015。第十页，编辑于星期五：三点 四十分。为分析为分析JFET的基本工作原理，首先假设一个的基本工作原理，首先假设一个标准的偏置条件。标准的偏置条件。VG0：pn结是零偏或反结是零偏或反偏。偏。VD0：确保：确保n区电子从源端流向漏端。区电子从源端流向漏端。通过系统改变电压来分析器件内发生的变化。通过系统改变电压来分析器件内发生的变化。6.1.1 pn-JFET 沟道随沟道随VGS变化情况变化情况(VDS很小时很小时)第十一页，编辑于星期五：三点 四十分。1
9、.ID-VDS特性曲线随特性曲线随VGS的变化会有什么变化？的变化会有什么变化？（1）VGS=0，顶部和底部的，顶部和底部的p+n结处于热平衡，沟道宽度最结处于热平衡，沟道宽度最宽，漏端加一个小的宽，漏端加一个小的VDS，就形成漏电流。，就形成漏电流。V VGSGS=0=0第十二页，编辑于星期五：三点 四十分。栅极加负偏压栅极加负偏压VGS0（2 2）栅极加负偏压）栅极加负偏压）栅极加负偏压）栅极加负偏压VVGSGS00时，顶部和底部的时，顶部和底部的时，顶部和底部的时，顶部和底部的p p+n n结都处于反偏结都处于反偏结都处于反偏结都处于反偏,增增增增加了耗尽层宽度，而使沟道的宽度变窄，沟道
10、电阻变大，加了耗尽层宽度，而使沟道的宽度变窄，沟道电阻变大，加了耗尽层宽度，而使沟道的宽度变窄，沟道电阻变大，加了耗尽层宽度，而使沟道的宽度变窄，沟道电阻变大，使使使使I IDD-V-VDD曲线中线性部分的斜率变小。曲线中线性部分的斜率变小。曲线中线性部分的斜率变小。曲线中线性部分的斜率变小。第十三页，编辑于星期五：三点 四十分。（3 3）对于较大的负偏压）对于较大的负偏压）对于较大的负偏压）对于较大的负偏压VVGG，即使，即使，即使，即使VVDD=0=0，也可能使整个沟道都处于耗，也可能使整个沟道都处于耗，也可能使整个沟道都处于耗，也可能使整个沟道都处于耗尽状态。当尽状态。当尽状态。当尽状态
11、。当VVDD=0=0，使整个沟道完全耗尽的栅电压，使整个沟道完全耗尽的栅电压，使整个沟道完全耗尽的栅电压，使整个沟道完全耗尽的栅电压VVGG=V=VP P称为称为称为称为“夹断栅电压夹断栅电压夹断栅电压夹断栅电压”。对于。对于。对于。对于VVGGVVP P，在所有漏偏压下漏电流等于在所有漏偏压下漏电流等于在所有漏偏压下漏电流等于在所有漏偏压下漏电流等于0 0。（如。（如。（如。（如果没有击穿现象发生时）果没有击穿现象发生时）果没有击穿现象发生时）果没有击穿现象发生时）V VGSGS0VDsat后，随后，随VD的增加，的增加，ID基本保持不变，基本保持不变，达到饱和达到饱和第十八页，编辑于星期五
12、：三点 四十分。JFET工作原理工作原理第十九页，编辑于星期五：三点 四十分。6.1.1 pn-JFET 漏源漏源I-V特性定性分析特性定性分析1、VGS=0的情况：的情况：注：注：a.栅结栅结p+n结近似单边突变结。结近似单边突变结。b.沟道沟道区假定为均匀掺杂区假定为均匀掺杂。（1）器件偏置特点）器件偏置特点 VDS=0时时 栅结只存在平衡时的耗尽层栅结只存在平衡时的耗尽层 沿沟长方向沟道横截面积相同沿沟长方向沟道横截面积相同 VDS0 漏端附近的耗尽层厚度漏端附近的耗尽层厚度,向沟道向沟道区扩展，沿沟长方向沟道横截面区扩展，沿沟长方向沟道横截面积不同积不同,漏端截面漏端截面A最小。最小。
13、第二十页，编辑于星期五：三点 四十分。（2）IDVDS关系关系 VDS较小：较小：VDS增大：增大：VDS较大：较大：增加到增加到正好使漏端正好使漏端处沟道横截面积处沟道横截面积=0夹断点：夹断点：沟道横沟道横截面积正好截面积正好=0线性区线性区过渡区过渡区第二十一页，编辑于星期五：三点 四十分。6.1.1pn-JFET 漏源I-V特性定性分析不断增大漏电压，直到靠近漏端附近的顶部和底部的耗尽区不断增大漏电压，直到靠近漏端附近的顶部和底部的耗尽区最终连接到一起，此时沟道完全耗尽，这一条件称为最终连接到一起，此时沟道完全耗尽，这一条件称为“夹断夹断”，所对应的漏电压称为，所对应的漏电压称为“夹断
14、电压夹断电压”。饱和区：饱和区：（VDS在沟道夹断基础上增加）在沟道夹断基础上增加）ID存在，且仍由导电沟道区电特性决定存在，且仍由导电沟道区电特性决定第二十二页，编辑于星期五：三点 四十分。6.1.1pn-JFET 漏源漏源I-V特性定性分析特性定性分析击穿区：击穿区：（VDS大到漏栅结的雪崩击穿电压大到漏栅结的雪崩击穿电压）第二十三页，编辑于星期五：三点 四十分。6.1.1pn-JFET 漏源漏源I-V特性定性分析特性定性分析2、VGS00的情况的情况：（1）器件偏置特点（）器件偏置特点（VDS=0）零偏栅压零偏栅压小反偏栅压小反偏栅压VGS0 漏（源）栅结已经反偏漏（源）栅结已经反偏；耗
15、尽层厚度大于耗尽层厚度大于VGS=0的情况；的情况；有效沟道电阻增加。有效沟道电阻增加。第二十四页，编辑于星期五：三点 四十分。6.1.1pn-JFET 漏源漏源I-V特性定性分析特性定性分析（2）关系关系特点：特点：a.电流随电压变化趋势，基本过程相同，电流随电压变化趋势，基本过程相同，b.电流相对值减小。电流相对值减小。c.夹断电压变小，夹断电压变小，VDS(sat:VGS0)VDS(sat:VGS=0)d.击穿电压变小，击穿电压变小，BVDS(sat:VGS0)BVDS(sat:VGS=0)第二十五页，编辑于星期五：三点 四十分。6.1.1pn-JFET 漏源漏源I-V特性定性分析特性定
16、性分析3、足够小足够小足够小足够小=使上下耗尽层将沟道区填满，使上下耗尽层将沟道区填满，沟道从源到漏沟道从源到漏彻底夹断，彻底夹断，0，器件截止。，器件截止。结论：栅结反偏压可改变耗尽层大小，从而控制漏电流大小。结论：栅结反偏压可改变耗尽层大小，从而控制漏电流大小。第二十六页，编辑于星期五：三点 四十分。6.1.1pn-JFET 漏源漏源I-V特性定性分析特性定性分析N沟耗尽型沟耗尽型JFET的输出特性：的输出特性：非饱和区：非饱和区：漏电流同时决定于栅源电压漏电流同时决定于栅源电压和漏源电压和漏源电压饱和区：饱和区：漏电流与漏源电压无关，只漏电流与漏源电压无关，只决定于栅源电压决定于栅源电压
17、第二十七页，编辑于星期五：三点 四十分。MESFET（Metal-Semiconductor FET）是是 一一 种种 由由Schottky势势垒垒栅栅极极构构成成的的场场效效应应晶晶体体管管，适适用用于于高高频频应应用用，如如工工作作频频率率超超过过5GHz的的放放大大器器和和振振荡荡电电路路中中。可可以以作作为为分分立立器器件件，也也可可以以做做成成集集成成芯芯片片，GaAs-MESFET是微波集成电路的核心。是微波集成电路的核心。6.1.2 MESFET的基本工作原理第二十八页，编辑于星期五：三点 四十分。肖特基势垒代替肖特基势垒代替PN结结耗尽型：加负压耗尽层扩展到夹断（正压情况不行）
18、耗尽型：加负压耗尽层扩展到夹断（正压情况不行）耗尽型：耗尽型：当在栅源极之间加一个反偏电当在栅源极之间加一个反偏电压时，金属栅极下面产生一个压时，金属栅极下面产生一个空间电荷区，用以调制沟道电空间电荷区，用以调制沟道电导。如果所加负压足够大，空导。如果所加负压足够大，空间电荷区就扩散到衬底，这种间电荷区就扩散到衬底，这种情况称为夹断。情况称为夹断。6.1.2 MESFET的基本工作原理第二十九页，编辑于星期五：三点 四十分。如果把如果把半绝缘衬底半绝缘衬底用用本征材料本征材料，其能带如图所示。因为，其能带如图所示。因为在沟道与衬底之间，沟道与金属栅之间存在势垒，电子在沟道与衬底之间，沟道与金属
19、栅之间存在势垒，电子将被束缚在沟道中。将被束缚在沟道中。6.1.2 MESFET的基本工作原理第三十页，编辑于星期五：三点 四十分。MESFET分为耗尽型（分为耗尽型（D-MESFET）和增强型（）和增强型（E-MESFET）耗尽型：耗尽型：耗尽型：耗尽型：VG=0时，沟道没时，沟道没时，沟道没时，沟道没有完全耗尽有完全耗尽有完全耗尽有完全耗尽V VGG=0=0时，沟道已完全耗尽，必须加一个正向偏压，以时，沟道已完全耗尽，必须加一个正向偏压，以时，沟道已完全耗尽，必须加一个正向偏压，以时，沟道已完全耗尽，必须加一个正向偏压，以减少耗尽层宽度，增加沟道电流减少耗尽层宽度，增加沟道电流减少耗尽层宽
20、度，增加沟道电流减少耗尽层宽度，增加沟道电流第三十一页，编辑于星期五：三点 四十分。增强型：电压摆幅小，因为所加正压不能太高，增强型：电压摆幅小，因为所加正压不能太高，否则从电流从栅极走掉了否则从电流从栅极走掉了第三十二页，编辑于星期五：三点 四十分。第六章：结型场效应晶体管第六章：结型场效应晶体管6.1JFET概念概念6.2器件的特性器件的特性6.3非理想因素非理想因素6.4等效电路和频率限制等效电路和频率限制6.5高电子迁移率晶体管高电子迁移率晶体管第三十三页，编辑于星期五：三点 四十分。6.2 器件的特性 6.2.16.2.1内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压内建夹断电压、夹断电压和漏
21、源饱和电压内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压 6.2.26.2.2耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型JFETJFET的理想的理想的理想的理想I-VI-V特性特性特性特性 6.2.36.2.3跨导跨导跨导跨导 6.2.4MESFET6.2.4MESFET第三十四页，编辑于星期五：三点 四十分。6.2.1 内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压电压u讨论讨论JFET基本电学特性之前，先分析基本电学特性之前，先分析均匀掺杂耗尽型均匀掺杂耗尽型pn JFET，再讨论，再讨论增强型增强型。u先推导理想单边器件的先推导理想单边器件的I-V关系，关系
22、，ID1表示其电流表示其电流,u双边器件可简单地认为是两个双边器件可简单地认为是两个JFET的并联，的并联，ID2=2ID1u忽略单边器件衬底处的耗尽层。忽略单边器件衬底处的耗尽层。第三十五页，编辑于星期五：三点 四十分。近似为近似为近似为近似为单边突变结单边突变结单边突变结单边突变结，设沟道宽度为，设沟道宽度为，设沟道宽度为，设沟道宽度为a a，热平衡时的耗尽层宽，热平衡时的耗尽层宽，热平衡时的耗尽层宽，热平衡时的耗尽层宽度为度为度为度为h h，内建电势为，内建电势为，内建电势为，内建电势为V Vbibi，外加栅源电压，外加栅源电压，外加栅源电压，外加栅源电压V VGSGS，内建夹断电压，内
23、建夹断电压，内建夹断电压，内建夹断电压V Vpopo，夹断电压，夹断电压，夹断电压，夹断电压V Vp p6.2.1 内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压电压VGSVGS单边单边单边单边n n沟沟沟沟JFET JFET 单边单边单边单边p p沟沟沟沟JFETJFET第三十六页，编辑于星期五：三点 四十分。6.2.1 内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压第三十七页，编辑于星期五：三点 四十分。内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压第三十八页，编辑于星期五：三点 四十分。6.2.1 内建夹断电压、夹
24、断电压和漏源饱和电压内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压分析栅极和漏极同时加电压的情况：分析栅极和漏极同时加电压的情况：由于漏端电压的作用，沟道中不同位置的电压由于漏端电压的作用，沟道中不同位置的电压不同，所以耗尽层的宽度随沟道中的位置而不不同，所以耗尽层的宽度随沟道中的位置而不同。同。第三十九页，编辑于星期五：三点 四十分。内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压N沟沟pn JFET器件的基本几何结构图器件的基本几何结构图栅极和漏极同时加上电压栅极和漏极同时加上电压：耗：耗尽层的宽度随在沟道中的位置尽层的宽度随在沟道中的位置不同而不同不同而不同第四十页，编辑于
25、星期五：三点 四十分。内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压第四十一页，编辑于星期五：三点 四十分。理论计算得到的理论计算得到的ID-VD曲线曲线实验测得的实验测得的ID-VD曲线曲线理想饱和漏电流与漏极电压无关理想饱和漏电流与漏极电压无关第四十二页，编辑于星期五：三点 四十分。6.2.3 跨导跨导 跨跨导导是是场场效效应应晶晶体体管管的的一一个个重重要要参参数数，它它表表示示栅栅极极电电压压对漏极电流的控制能力。对漏极电流的控制能力。跨跨导导定定义义为为漏漏源源电电压压V VDSDS一一定定时时，漏漏极极电电流流的的微微分分增量与栅极电压的微分增量之比。增量
26、与栅极电压的微分增量之比。非饱和区非饱和区饱和区饱和区第四十三页，编辑于星期五：三点 四十分。6.2.4 MESFETMESFET除了除了pn结被肖特基势垒结被肖特基势垒整流接触结代替外，整流接触结代替外，其他均与其他均与pnJFET相同。相同。MESFET通常用通常用GaAs制造。制造。第四十四页，编辑于星期五：三点 四十分。增强型增强型JFET实验和理论的平方根与实验和理论的平方根与VGS的理的理想关系曲线想关系曲线理想曲线和电压轴相交的一理想曲线和电压轴相交的一点值是点值是阈值电压阈值电压。理想下的理想下的I-V关系是在假定关系是在假定pn结耗尽层突变近似的情况结耗尽层突变近似的情况下推
27、导出来的。下推导出来的。第四十五页，编辑于星期五：三点 四十分。JFET和和MOSFET的主要共同点和差异的主要共同点和差异JFET与与MOSFET都是场效应晶体管，它们的主要共同都是场效应晶体管，它们的主要共同点在于：点在于：（1）是）是多数载流子工作多数载流子工作的器件，则不存在因为少数载流的器件，则不存在因为少数载流子所引起的一些问题（如温度稳定性较好）。子所引起的一些问题（如温度稳定性较好）。（2）输入阻抗都很高输入阻抗都很高，并且都是电压驱动的器件，并且都是电压驱动的器件，则工作时不需要输入电流，而且输入回路较为简单。则工作时不需要输入电流，而且输入回路较为简单。（3）转移特性都是抛
28、物线关系转移特性都是抛物线关系，则不存在，则不存在3次交扰调次交扰调制噪声。制噪声。第四十六页，编辑于星期五：三点 四十分。JFET与与MOSFET由于器件结构不同，特性存在差异：由于器件结构不同，特性存在差异：（1）MOSFET的的输入阻抗输入阻抗更加高于更加高于JFET。（2）MOSFET对于对于静电放电（静电放电（ESD）的抵抗能力较差）的抵抗能力较差，因此在因此在MOSFET的输入端往往需要设置防止的输入端往往需要设置防止ESD破坏的破坏的二极管等元器件。二极管等元器件。（3）JFET一般是耗尽型的器件，而一般是耗尽型的器件，而MOSFET可以有增可以有增强型器件。因此，在使用时，强型
29、器件。因此，在使用时，JFET的栅极只能外加反向的栅极只能外加反向电压，对于正向的输入电压则不能正常工作。电压，对于正向的输入电压则不能正常工作。MOSFET由于既有耗尽型、也有增强型，则输入电压信号较大时由于既有耗尽型、也有增强型，则输入电压信号较大时也能够正常工作。也能够正常工作。（4）JFET的的噪声性能噪声性能优于优于MOSFET。因为。因为JFET的沟道的沟道是在体内，则不存在是在体内，则不存在MOSFET那样的由于表面或界面所那样的由于表面或界面所引起的引起的1/f噪声。所以噪声。所以JFET的低频噪声很小。的低频噪声很小。第四十七页，编辑于星期五：三点 四十分。6.3 非理想效应
30、非理想效应*p同其他器件一样，同其他器件一样，JFET存在使器件发生改变的非理想因素。存在使器件发生改变的非理想因素。p前面我们分析的是具有前面我们分析的是具有恒定沟道长度恒定沟道长度和和恒定迁移率恒定迁移率的理想晶的理想晶体管，忽略了栅电流的影响。体管，忽略了栅电流的影响。p当当JFET处于饱和区时，有效的电场沟道长度是处于饱和区时，有效的电场沟道长度是VDS的函数，的函数，这种非理性因素称为这种非理性因素称为沟道长度调制效应沟道长度调制效应。p此外，当晶体管处于饱和区及其附近时，沟道中的电场强度此外，当晶体管处于饱和区及其附近时，沟道中的电场强度能变得足够大，使多数载流子达到能变得足够大，
31、使多数载流子达到饱和速率饱和速率。迁移率不再。迁移率不再是常数。是常数。栅电流栅电流的数量级将影响到输入阻抗。的数量级将影响到输入阻抗。第四十八页，编辑于星期五：三点 四十分。6.3.1沟道长度调制效应沟道长度调制效应第四十九页，编辑于星期五：三点 四十分。6.3.2饱和速度影响饱和速度影响硅中载流子的漂移速度随着电场强度的硅中载流子的漂移速度随着电场强度的增加而达到饱和，这个饱和速度的影响表示增加而达到饱和，这个饱和速度的影响表示迁移率不是一个常数迁移率不是一个常数。对于短沟道对于短沟道JFET和和MESFET，前面假设载流子，前面假设载流子的迁移率是常数就变的不可靠了。因为的迁移率是常数就
32、变的不可靠了。因为短沟道时短沟道时，沟道内的电场已很大。沟道内的电场已很大。迁移率不再是常数迁移率不再是常数。6.3 非理想效应非理想效应第五十页，编辑于星期五：三点 四十分。6.3 非理想效应非理想效应表明载流子速度和空间电荷宽度饱和效应的表明载流子速度和空间电荷宽度饱和效应的JFET剖面剖面第五十一页，编辑于星期五：三点 四十分。6.3 非理想效应非理想效应理想的理想的理想的理想的I ID D-V-VDSDS曲线。曲线。曲线。曲线。迁移率为常数时的情况迁移率为常数时的情况迁移率为常数时的情况迁移率为常数时的情况速度达到饱和时的情况速度达到饱和时的情况速度达到饱和时的情况速度达到饱和时的情况
33、速度饱和时，速度饱和时，速度饱和时，速度饱和时，I-VI-V曲线变化曲线变化曲线变化曲线变化跨导发生变化（变小）跨导发生变化（变小）跨导发生变化（变小）跨导发生变化（变小）速度饱和时，晶体管的有效增速度饱和时，晶体管的有效增速度饱和时，晶体管的有效增速度饱和时，晶体管的有效增益变小。益变小。益变小。益变小。第五十二页，编辑于星期五：三点 四十分。6.3 非理想效应非理想效应 6.3.36.3.3亚阈值特性和栅电流效应亚阈值特性和栅电流效应亚阈值特性和栅电流效应亚阈值特性和栅电流效应 亚阈值电流是亚阈值电流是亚阈值电流是亚阈值电流是JFETJFET中当栅极电压低于夹断电压或阈中当栅极电压低于夹断
34、电压或阈中当栅极电压低于夹断电压或阈中当栅极电压低于夹断电压或阈值电压是的漏电流。值电压是的漏电流。值电压是的漏电流。值电压是的漏电流。ppJFETJFET工作于饱和区时，漏电流随栅源电压呈二次方程工作于饱和区时，漏电流随栅源电压呈二次方程工作于饱和区时，漏电流随栅源电压呈二次方程工作于饱和区时，漏电流随栅源电压呈二次方程变化。变化。变化。变化。pp当当当当V VGSGS值低于阈值电压时，漏电流随栅源电压呈值低于阈值电压时，漏电流随栅源电压呈值低于阈值电压时，漏电流随栅源电压呈值低于阈值电压时，漏电流随栅源电压呈指数变化。指数变化。指数变化。指数变化。pp在阈值附近，突变耗尽近似不能精确描述沟
35、道区。在阈值附近，突变耗尽近似不能精确描述沟道区。在阈值附近，突变耗尽近似不能精确描述沟道区。在阈值附近，突变耗尽近似不能精确描述沟道区。第五十三页，编辑于星期五：三点 四十分。N N沟道沟道沟道沟道MESFETMESFET栅极电压的三个区域栅极电压的三个区域栅极电压的三个区域栅极电压的三个区域中漏极电流随中漏极电流随中漏极电流随中漏极电流随V VGSGS变化的曲线变化的曲线变化的曲线变化的曲线pp栅源电压约为栅源电压约为栅源电压约为栅源电压约为0.51.00.51.0时，低于阈电压，阈极时，低于阈电压，阈极时，低于阈电压，阈极时，低于阈电压，阈极电流达到最小值，后随电流达到最小值，后随电流达
36、到最小值，后随电流达到最小值，后随栅极电压的减小而缓慢栅极电压的减小而缓慢栅极电压的减小而缓慢栅极电压的减小而缓慢增加。此区域漏极电流增加。此区域漏极电流增加。此区域漏极电流增加。此区域漏极电流是是是是栅极泄漏电流栅极泄漏电流栅极泄漏电流栅极泄漏电流。pp阈值点下面，漏电流阈值点下面，漏电流阈值点下面，漏电流阈值点下面，漏电流减小，但不为零。减小，但不为零。减小，但不为零。减小，但不为零。pp这种小电流模式可用这种小电流模式可用这种小电流模式可用这种小电流模式可用于低功耗电路中。于低功耗电路中。于低功耗电路中。于低功耗电路中。第五十四页，编辑于星期五：三点 四十分。6.46.4等效电路和频率限
37、制等效电路和频率限制等效电路和频率限制等效电路和频率限制 为进行晶体管的电路分析，需要一个数学模型或等效为进行晶体管的电路分析，需要一个数学模型或等效为进行晶体管的电路分析，需要一个数学模型或等效为进行晶体管的电路分析，需要一个数学模型或等效电路。电路。电路。电路。最有用的模型之一是小信号等效电路，适用于工作于最有用的模型之一是小信号等效电路，适用于工作于最有用的模型之一是小信号等效电路，适用于工作于最有用的模型之一是小信号等效电路，适用于工作于线性放大区的晶体管。线性放大区的晶体管。线性放大区的晶体管。线性放大区的晶体管。引入等效电容引入等效电容-电阻电路电阻电路进行频率特性分析进行频率特性
38、分析JFET中不同的物理因子对频率限制的影响中不同的物理因子对频率限制的影响定义晶体管的特征参数定义晶体管的特征参数截止频率截止频率主主要要内内容容第五十五页，编辑于星期五：三点 四十分。6.4.16.4.1小信号等效电路小信号等效电路小信号等效电路小信号等效电路包括源漏串联电阻的包括源漏串联电阻的包括源漏串联电阻的包括源漏串联电阻的n n沟沟沟沟pn pn JFETJFET的横截面图的横截面图的横截面图的横截面图JFETJFET的小信号等效电路图的小信号等效电路图的小信号等效电路图的小信号等效电路图内部栅源电压内部栅源电压内部栅源电压内部栅源电压栅源扩散电阻栅源扩散电阻栅源扩散电阻栅源扩散电
39、阻结电容结电容结电容结电容栅漏栅漏栅漏栅漏电阻电阻电阻电阻 结电容结电容结电容结电容漏源电阻漏源电阻漏源电阻漏源电阻漏源寄漏源寄漏源寄漏源寄生电容生电容生电容生电容漏极与衬底之漏极与衬底之漏极与衬底之漏极与衬底之间的电容间的电容间的电容间的电容第五十六页，编辑于星期五：三点 四十分。所有的扩散电阻无穷大，串联电阻为零，低频时电容所有的扩散电阻无穷大，串联电阻为零，低频时电容是开路的。是开路的。小信号电流：小信号电流：Ids=gmVgs是跨导和输入电压的函数是跨导和输入电压的函数理想的小信号等效电路理想的小信号等效电路理想的小信号等效电路理想的小信号等效电路第五十七页，编辑于星期五：三点 四十分
40、。源串联电阻影响源串联电阻影响小信号电流小信号电流Ids=gmVgsVGS与与Vgs关系：关系：VGS=Vgs+(gmVgs)rs=(1+gmrs)Vgs漏极电阻的影响是：漏极电阻的影响是：降低有效跨导或晶体管增益降低有效跨导或晶体管增益第五十八页，编辑于星期五：三点 四十分。由于由于gm是直流栅源电压的函数，因此是直流栅源电压的函数，因此gm也是也是VGS的函数。的函数。晶体管工作于饱和区时晶体管工作于饱和区时gm与与VGS关系。关系。理想情况跨导理想情况跨导实验：有串联电阻实验：有串联电阻rs=2000 时的时的跨导跨导第五十九页，编辑于星期五：三点 四十分。6.4.2 频率限制因子和截止
41、频率频率限制因子和截止频率ppJFETJFET有两个频率限制因子。有两个频率限制因子。有两个频率限制因子。有两个频率限制因子。一个是一个是一个是一个是沟道输运时间沟道输运时间沟道输运时间沟道输运时间（高频器件中才作为限制因子）；（高频器件中才作为限制因子）；（高频器件中才作为限制因子）；（高频器件中才作为限制因子）；另一个是另一个是另一个是另一个是电容存储时间电容存储时间电容存储时间电容存储时间。pp包括主要电容而忽略扩散电阻的基本等效电路图包括主要电容而忽略扩散电阻的基本等效电路图包括主要电容而忽略扩散电阻的基本等效电路图包括主要电容而忽略扩散电阻的基本等效电路图输出电流是短路电流；输出电流
42、是短路电流；输出电流是短路电流；输出电流是短路电流；随着输入电压随着输入电压随着输入电压随着输入电压V VGSGS的增加，的增加，的增加，的增加，栅漏和栅源电容容抗减小栅漏和栅源电容容抗减小栅漏和栅源电容容抗减小栅漏和栅源电容容抗减小 流过栅漏电容的电流增加流过栅漏电容的电流增加流过栅漏电容的电流增加流过栅漏电容的电流增加对于对于对于对于g gmmV VGSGS为常数，电流为常数，电流为常数，电流为常数，电流I Idsds减小。减小。减小。减小。此时输出电流将是频率的函数。此时输出电流将是频率的函数。此时输出电流将是频率的函数。此时输出电流将是频率的函数。第六十页，编辑于星期五：三点 四十分。
43、若若若若电容充电时间电容充电时间电容充电时间电容充电时间是限制因子，则截止频率定义为输入电流是限制因子，则截止频率定义为输入电流是限制因子，则截止频率定义为输入电流是限制因子，则截止频率定义为输入电流等于本征晶体管理想输出电流等于本征晶体管理想输出电流等于本征晶体管理想输出电流等于本征晶体管理想输出电流g gmmV VGSGS时的频率。时的频率。时的频率。时的频率。第六十一页，编辑于星期五：三点 四十分。u硅硅JFET具有很高的截止频率具有很高的截止频率。u对于小几何尺寸的砷化镓对于小几何尺寸的砷化镓JFET或或MESFET，截止频率，截止频率更大。更大。uGaAsFET的一个用途是用于超高数
44、字集成电路中：的一个用途是用于超高数字集成电路中：GaAsMESFET逻辑门可以实现达到次毫微秒范围内的传播逻辑门可以实现达到次毫微秒范围内的传播延迟时间。延迟时间。增增强强型型GaAsJFET在在逻逻辑辑电电路路中中用用于于驱驱动动级级，耗耗尽尽型型器器件可用于负载。可以实现低至件可用于负载。可以实现低至45PS的延迟时间。的延迟时间。第六十二页，编辑于星期五：三点 四十分。6.5 高电子迁移率晶体管（高电子迁移率晶体管（HEMT）随随着着频频率率、功功率率容容量量以以及及低低噪噪声声容容限限需需求求的的增增加加，砷砷化化镓镓MESFET已经达到了其设计上的极限。已经达到了其设计上的极限。因
45、因此此需需要要更更短短沟沟道道长长度度、更更大大饱饱和和电电流流和和更更大大跨跨导导的的短短沟沟道道FET。可以通过可以通过增加栅极下面的沟道掺杂浓度增加栅极下面的沟道掺杂浓度增加栅极下面的沟道掺杂浓度增加栅极下面的沟道掺杂浓度来满足这些需求。来满足这些需求。但但是是沟沟道道区区多多数数载载流流子子与与电电离离的的杂杂质质共共同同存存在在，多多数数载载流流子子受受电电离离杂质散射，从而使载流子迁移率减小，器件性能降低。杂质散射，从而使载流子迁移率减小，器件性能降低。迁迁迁迁移移移移率率率率的的的的减减减减小小小小量量量量和和和和GaAsGaAs中中中中的的的的峰峰峰峰值值值值电电电电压压压压取
46、取取取决决决决于于于于掺掺掺掺杂杂杂杂浓浓浓浓度度度度的的的的增增增增加加加加，可可可可通通通通过过过过将将将将多多多多数数数数载载载载流流流流子子子子从从从从电电电电离离离离了了了了的的的的杂杂杂杂质质质质中中中中分分分分离离离离出出出出来来来来而而而而尽尽尽尽量量量量减小。减小。减小。减小。导带与价带的突变不连续的异质结构可以实现这种分离。导带与价带的突变不连续的异质结构可以实现这种分离。导带与价带的突变不连续的异质结构可以实现这种分离。导带与价带的突变不连续的异质结构可以实现这种分离。第六十三页，编辑于星期五：三点 四十分。电子从宽带隙的电子从宽带隙的电子从宽带隙的电子从宽带隙的AlGa
47、AsAlGaAs中流入中流入中流入中流入GaAsGaAs中并被势阱束缚时就中并被势阱束缚时就中并被势阱束缚时就中并被势阱束缚时就实现了热平衡。实现了热平衡。实现了热平衡。实现了热平衡。电子沿平行于异质结表面的运动是自由的。电子沿平行于异质结表面的运动是自由的。电子沿平行于异质结表面的运动是自由的。电子沿平行于异质结表面的运动是自由的。此结构中，由于势阱中的多数载流子电子与此结构中，由于势阱中的多数载流子电子与此结构中，由于势阱中的多数载流子电子与此结构中，由于势阱中的多数载流子电子与AlGaAsAlGaAs中的杂中的杂中的杂中的杂质掺杂剂原子分离，所以杂质散射趋势减弱了。质掺杂剂原子分离，所以
48、杂质散射趋势减弱了。质掺杂剂原子分离，所以杂质散射趋势减弱了。质掺杂剂原子分离，所以杂质散射趋势减弱了。N-AlGaAs-本征本征本征本征GaAsGaAs异质结在热平衡时异质结在热平衡时的导带相对于费米能级的能带图的导带相对于费米能级的能带图第六十四页，编辑于星期五：三点 四十分。在未掺杂的在未掺杂的GaAs薄势阱中形薄势阱中形成了电子的一个成了电子的一个二维表面沟道二维表面沟道层层。可获得。可获得1012cm-2数量级的数量级的电子载流子密度。由于杂质散电子载流子密度。由于杂质散射效应降低，载流子在低场中射效应降低，载流子在低场中平行于异质结运动的迁移率得平行于异质结运动的迁移率得到改进。到
49、改进。异质结中的电子迁移率异质结中的电子迁移率是由是由晶晶格或散射决定格或散射决定的，因此随着的，因此随着温温度的降低度的降低，迁移率迅速增加迁移率迅速增加。6.5 6.5 高电子迁移率晶体管高电子迁移率晶体管*6.5.16.5.1量子阱结构量子阱结构N-AlGaAs-N-AlGaAs-本征本征本征本征GaAsGaAs异质异质异质异质结导带能级图结导带能级图结导带能级图结导带能级图第六十五页，编辑于星期五：三点 四十分。6.5.16.5.1量子阱结构量子阱结构二维电子气：二维电子气：来自高掺杂半导体区域；来自高掺杂半导体区域；位于低掺杂半导体区域；位于低掺杂半导体区域；降低了杂质散射；降低了杂
50、质散射；增大了电子迁移率。增大了电子迁移率。N-AlGaAs-N-AlGaAs-本征本征本征本征GaAsGaAs异质结的导带能级图异质结的导带能级图异质结的导带能级图异质结的导带能级图增大载流子与电离施主原子增大载流子与电离施主原子的分离程度，可使它们之间的分离程度，可使它们之间的库仑引力更小，从而进一的库仑引力更小，从而进一步增大电子迁移率。步增大电子迁移率。这种异质结的不足之处是势阱中的电子密度比突变结中的小。这种异质结的不足之处是势阱中的电子密度比突变结中的小。第六十六页，编辑于星期五：三点 四十分。分子束外延技术可以通过特定掺杂，生长一层很薄分子束外延技术可以通过特定掺杂，生长一层很薄