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1、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晶体 管。它通过改变垂直于导电沟道的电场强度来控制沟道 的导电能力，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“单 极型(场效应)晶体管” 1 根据其结构(主要指栅极结构)和制作工艺，FET可分为三类： (1)结型栅场效应晶体管(缩写JFET)，由于原理上近似，有时也 将肖特基栅场效应晶体管-金属-半导体场效应晶体管(缩写MESFET) 划归此类； (2)绝缘栅场效应晶体管(缩写IGFET) (3)薄膜场效应晶体管(缩写TFT) 结型栅场效应晶体管，其栅极的控制作用是通过反向偏置pn结或 肖特基结来实
2、现的。其导电过程发生在半导体材料的体内，故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体管的 导电过程均发生在半导体表面薄层内。故从导电机构的角度看，它们 均属于“表面场效应器件”。无论是“体内的”，还是“表面的”， 它们都具有场效应半导体器件的共同特点： 2 (1)FET具有普通双极晶体管所具有的特点，如体积小，重量轻 (2)FET是一种电压控制器件(通过输入电压的改变控制输出电流 ，而双极型晶体管为电流控制器件。 (3)FET的直流输入阻抗很高，一般可达1091015 (4)FET类型多、偏置电压的极性灵活、动态范围大、其各级间可 以采用直接耦合的形式，因而在电路设计
3、中可提供较大的灵活性。 (5)噪声低，因而FET特别适合于要求高灵敏度、低噪声的场合， 如检测各种微弱信号的仪器、仪表、医疗器械等。 (6)热稳定性好。因为FET是一种多子器件，且可有正的、负的及 正负交叉的零温度系数工作点。只要在设计电路时使器件工作在零温 度系数工作点附近，即可消除温度的影响。 (7)抗辐射能力强，这也因为FET是多子器件。这一特点使其持别 适用于航天器等承受强烈核辐射、宇宙射线辐射的装备中。 (8)与双极晶体管相比，制作工序少、工艺简单，有利于提高产 品合格率、降低成本。 3 第六章 结型场效应晶体管 6.1 JFET的基本工作原理 1. JFET的基本结构 2. JFE
4、T的工作原理 3. JFET的特性曲线 4. MESFET 6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数 1. 肖克莱理论和JFET的直流特性 2. JFET的直流参数 3. JFET交流小信号参数 4. 任意沟道杂质浓度分布 5. 四极管特性 6. 高场迁移率的影响 7. 关于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 4 第六章 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中的电容 3. JFET的频率参数 6.5 JFET结构举例 1. MESFET 2. JFET 3. V型槽硅功率JFET 6.4 JFE
5、T的功率特性 1. 最大输出功率PM 2. 最大输出电流IF 3. 漏源击穿电压BVDS 4. 热阻Rth 5 6.1 JFET的基本工作原理 栅极G 源极S 漏极D N沟道 P沟道 增强型 耗尽型 1. JFET的基本结构 图6-1 JFET物理结构示意图 6 6.1 JFET的基本工作原理 1. JFET的基本结构 7 6.1 JFET的基本工作原理 1. JFET的基本结构 图6-2 采用平面工艺制成的两种JFET结构 8 6.1 JFET的基本工作原理 2. JFET的基本工作原理 （6-1） 平衡态沟道电阻： VDS IDS S L2a D G G n P+ P+ A VGS=0 V
6、GSND，即栅结为单边突变结； (4)栅结耗尽区中沿垂直结平面方向的电场分量Ex与沿沟道长 度方向使载流子漂移的电场分量Ey无关，且满足 ，此即缓 变沟道近似(GCA)；（沟道电荷密度远小于耗尽层电荷密度） (5)载流子迁移率为常数，与沟道中电场强度无关。 21 a a S D G P+ n x0 6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数 1. 肖克莱理论和JFET的直流特性 VDS VGS a L h1 h2 a ID In(y) y x 22 6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数 1. 肖克莱理论和JFET的直流特性 根据假设(4)，耗尽层中的电位仅与x有关，故可用一维泊松 方程求
7、解，根据式(1-93b)，作用在沟道y处耗尽层上的总电压( 包括外加栅压及接触电势差)与该处空间电荷区宽度Xn(y)之间有 如下关系： (1- 93b) (6-3) (6-4) 使耗尽层改变一定厚度所需要的电压改变量随耗尽层厚 度增大而增大，且与耗尽层边界处空间电荷密度成正比。 变换 求导 23 6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数 1. 肖克莱理论和JFET的直流特性 当沟道中不存在载流子浓度梯度时，可由欧姆定律写出： S D G P+ n x0 h1 h2 a ID In(y) y x 24 6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数 1. 肖克莱理论和JFET的直流特性 利用边界条
8、件 积分，并由 （6-11） 根据缓变沟道近似得到的JFET沟道夹断前的电流-电压方程 (6-4) V(y)Vt(y)? 25 6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数 1. 肖克莱理论和JFET的直流特性 当VDS=VDsat时，h2=a，代入非饱和区电流-电压方程(6-9)，得 （6-13） （6-14） （6-12） （6-12）代表饱和区的电流电压关系 （6-13）IDSS称为最大饱和漏极电流 （6-14）Vp0称为本征夹断电压 VGS=VD时 VDS=0,h1=h2=a 时栅结上的电压 Vp0=VD-Vp(VGS) 26 6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数 2. JFET的
9、直流参数 夹断电压JFET沟道厚度因栅p+-n结耗尽层厚度扩展而变薄，当栅 结上的外加反向偏压VGS使p+-n结耗尽层厚度等于沟道 厚度一半(h=a)时，整个沟道被夹断，此时的VGS称为 JFET的夹断电压，记为 Vp。 本征夹断电压Vp0=VD-Vp表示整个沟道由栅源电压夹断时，栅p- n结上的电压降，为区别起见，称为本征夹断电压 。 N或a越大， Vp 的绝对值 将越大，即沟 道越难夹断。 阈电压VT 夹断电压VP 27 6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数 2. JFET的直流参数 最大饱和漏极电流IDSSVGS=VD时的漏极电流，又称最大漏 源饱和电流。 （6-13） 28 6.
10、2 JFET的直流特性与低频小信号参数 2. JFET的直流参数 增大起始沟道厚度和沟道宽长比，减小沟道电 阻率，可以增大JFET的最大饱和漏极电流。同时， IDSS与a的三次方成正比，因此应准确控制a以控制 IDSS。 29 6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数 2. JFET的直流参数 最小沟道电阻Rmin Rmin表示VGS0、且VDS足够小，即器件工作在线性 区时,漏源之间的沟道电阻，也称为导通电阻。对于 耗尽型器件，此时沟道电阻最小，因而称其为最小沟 道电阻。 由于存在着沟道体电阻，漏极电流将在沟道电阻上产 生压降。漏极电流在Rmin产生的压降称为导通沟道压降。 Rmin越大，
11、此导通压降越大，器件的耗散功率也越大。 实际的JFET沟道导通电阻还应包括源、漏区及其欧姆 接触电极所产生的串联电阻RS和RD。它们的存在也将增大 器件的耗散功率，所以在功率JFET中应设法减小Rmin、RS 和RD以改善器件的功率特性。 30 6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数 2. JFET的直流参数 栅源截止电流IGSS和栅源输入电阻RGS 栅极截止电流是pn结(或肖特基结)的反向饱和电流、反向产生 电流和表面漏电流的总和。在平面型JFET，一般表面漏电流较小， 截止电流主要由反向饱和电流与反向产生电流构成。此时栅-沟道结 中的电流可统一表示为： 输入电阻 结型场效应晶体管有较高
12、的输入电阻，且该电阻与温度、反向偏 压及辐照等因素有关。 31 6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数 2. JFET的直流参数 在功率器件中，由于漏源电压很高，在沟道中形 成的强电场将有可能使漂移通过沟道的载流子获得足 够高的能量去碰撞电离产生新的电子-空穴对，新产 生的电子继续流向漏极，使漏极电流倍增，而空穴则 被负偏置的栅电极所收集，使栅极电流很快增长。 因而，在高漏源偏置的功率JFET中，往往存在着 超量栅极电流。在短沟道器件中，由于沟道电场强， 更容易出现载流子倍增效应。 32 6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数 2. JFET的直流参数 栅源击穿电压BVGS 表示栅源之
13、间所能承受的栅p-n结最大反向电压。 VDS=0时，此电压决定于n型沟道区杂质浓度。 当VDS0时，漏端n区电位的升高使该处p-n结实际承受的反 向电压增大，所以实测的BVGS值还与VDS有关。 漏源击穿电压BVDS 表示在沟道夹断条件下，漏源间所能承受的最大电压。 在JFET中，无论是VGS，还是VDS，对于栅结都是反向偏压， 二者叠加的结果是漏端侧栅结上所加的反向偏压最大。 33 6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数 2. JFET的直流参数 输出功率Po JFET最大输出功率Po正比于器件所能 容许的最大漏极电流IDmax和器件所能承受 的最高漏源峰值电压(BVDS-VDsat)。
14、 因受安全工作区、热阻等限制 可见，对一个性能良好的功 率器件，要求其电流容量大、击 穿电压高，且在最高工作电流 下具有小的漏源饱和电压VDsat。BVDSVDS IDS 0VDsat IDsat 34 6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数 3. JFET的交流小信号参数 跨导gm 跨导是场效应晶体管的一个重要参数，它表示栅 极电压对漏极电流的控制能力。 跨导定义为漏源电压VDS一定时，漏极电流的微分 增量与栅极电压的微分增量之比，即 （6-11） 35 6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数 3. JFET的交流小信号参数 非饱和区跨导： VDS IDS VGS=0 VGSND 。
15、参照两栅短接的三极管用法，可分别求出栅1和栅2的夹断电压 和跨导，以及饱和区的有关参数。 41 6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数 5. 四极管特性 图6-13 四极JFET的沟道形状44 42 6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数 5. 四极管特性 图6-14给出了三种不同的 工作模式下的特性。曲线C表 示单栅工作，跨导很低，控制 的线性度也很差。曲线A表示 两极并联工作，跨导高(就是 JFET的三极管用法)。曲线B表 示用栅l的偏压控制栅2的跨导 ，是直线关系。这种线性的控 制特性是令人感兴趣的，它提 供了JFET的新用途。 图6-14 饱和条件下四极JFET三种工作模式下的
16、gmsVG关系 43 6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数 6. 高场迁移率的影响 以上讨论均基于沟道中载流子迁移率为 常数的假设。然而在短沟道器件中，这个条 件并不满足。在现代JFET和MESFET中，沟 道长度仅1-2mm，甚至更短。即使在只有几伏 的漏源电压下，沟道中的平均场强也可达 l0kV/cm以上，靠近漏端的沟道中场强还远高 于此值。短沟道器件中的这种沟道强电场将 使器件的特性偏离肖克莱模型的结论。 44 6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数 6. 高场迁移率的影响 由于高场下迁移率的变化将引起： 1.迁移率随场强上升而减小，导致漏极电流和 跨导相对肖克莱模型减小，并随沟道场强而变化； 2.载流子达到极限漂移速
