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1、1,下篇 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”,2,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结或肖特基结来实现的
2、。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：,3,(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按制输出电流，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，因而在电路设计中可提供较大的灵
3、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。,4,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. JFET的基本工作原理 3. J
4、FET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. 非均匀沟道杂质浓度分布 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,5,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 JFET的功率特性 1.
5、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,6,6.1 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,7,6.1 JFET的基本工作原理 1. JFET的基本结构,8,6.1 JFET的基本工作原理 1. JFET的基本结构,9,6.1 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,VGS=0,VGS0,IDsat,VDsat,IDsat,VDsat,10,6.1 JFET的基本工作原理 2. JFET的基本工作原理,11,6.1 JFE
6、T的基本工作原理 3. JFET的特性曲线,n沟JFET输出特性,12,6.1 JFET的基本工作原理 3. JFET的特性曲线,转移特性,13,MESFET的工作原理和JFET相同，只是用金-半接触取代了PN结做栅极。 实际的MESFET是在半绝缘衬底上的外延层上制成的，以减小寄生电容。 将金属栅极直接做在半导体表面上可以避免表面态的影响。 对于因为有高密度界面态而不能做成MIS器件的材料及很难形成pn结的材料，均可作成肖特基场效应器件。 一般半导体材料的电子迁移率均大于空穴迁移率，所以高频场效应管都采用n型沟道型式。,6.1 JFET的基本工作原理 4. MESFET,14,GaAs与Si
7、相比，电子迁移率大5倍，峰值漂移速度大一倍，所以在GaAs材料制备及其外延和光刻工艺发展成熟之后，GaAs-MESFET很快在高频领域内得到了广泛的应用。它在工作频率、低噪声、高饱和电平、高可靠性等许多方面大大超过了硅微波双极晶体管。 由于JFET与MESFET在电学特性上相仿，而后者又主要用于高频范围。故讨论直流特性以JFET为主，交流特性以MESFET为例。,6.1 JFET的基本工作原理 4. MESFET,15,6.1 JFET的基本工作原理 4. MESFET,16,6.1 JFET的基本工作原理,表6-1 JFET和MESFET的电路符号,箭头代表沟道电流方向 短粗线代表沟道,17
8、,18,6.2 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. 非均匀沟道杂质浓度分布 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,19,6.2 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,肖克莱(Shockley)1952年关于JFET的理论至今仍是分析JFET和MESFET各种理论的基础。 JFET在工作时，由于栅源电压和漏源电压同时作用，沟道中电场、电位、电流分布均为二维分布(如果认为沟道无限宽
9、)，方程求解非常复杂，肖克莱提出的缓变沟道近似模型很好地简化了这个问题。 该模型的基本核心点是： 假定沟道中电场、电位和电流分布均可用缓变沟道近似，(即沿沟道方向缓慢变化) 认为漏极电流饱和是由于沟道夹断所引起。,20,6.2 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,为了分析简单起见做了一些可以修正的假设，其主要假设如下(以n沟JFET为例)： (1)忽略源接触电极与沟道源端之间、漏接触电极与沟道漏端之间的电压降； (2)忽略沟道边缘扩展开的耗尽区，源极和漏极之间的电流只有y分量； (3)p+栅区与n型沟道区杂质浓度NA、ND都是均匀分布的，且NAND，即栅结
10、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。,21,6.2 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,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
11、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：,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,利用边界条件 积分，并由,（6-11）,（6-12）,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),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,
12、以VDS=VDsat时，h2=a代入所得到的非饱和区电流-电压方程，得,（6-14）,（6-15）,（6-13）,（6-13）代表饱和区的电流电压关系 （6-14）IDSS称为最大饱和漏极电流 （6-15）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的直流参数,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,（6-13）,28,6.2 JFET的直流特性与低频小
13、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,由于存在着沟道体电阻，漏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，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
14、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表示为：,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
15、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
16、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)。,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。,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：,非饱和区跨导与VGS、VDS有关 饱和区跨导仅与VGS有关,36,6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数 3. JFET的交流小
