第四章 结型场效应晶体管和金属-半导体场效应晶体管结型场效应晶体管又称 PN 结场效应晶体管，通常用其英文缩写词 JFET（JunctionField Effect Transistor）表示；金属-半导体场效应晶体管又称肖特基势垒栅场效应晶体 管，通常用其英文缩写词 MESFET（ Metal Semiconductor Field Effect Transistor）表示 目前JFET和MESFET在微波、高速、高功率应用领域占据着重要的地位§ 4.1 JFET和MESFET的结构和工作原理1 ．JFET 和 MESFET 的结构（1）JFET 的基本结构源极 上栅极 漏极图为 N 沟道 JFET 的结构示意图在 N型半导体的上下两侧各有一个高掺杂的p+区，形成上下两个P + N结，通常称之为栅结N 区两端各做欧姆接触，从其上引出的电极分别称为源极（S）和漏极（D）上下P +区表面也做欧姆接触，引出 的电极称为栅极（G）,大多数JFET的上下栅极是连在一起的，因此，JFET实际上只有三个引出端其中N区为电导沟道JFET的结构参数主要有：沟道长度L、沟道宽度Z、沟道厚度2a等；工艺参数主要有N型沟道区和P +型栅极区的掺杂浓度N和N。
da2）MESFET 的基本结构源极 栅极 漏极MESFET 的基本结构如图所示与 JFET结构类似，MESFET也有源极、栅 极、漏极三个引出端，主要区别是栅结 不同:JFET的栅结为PN结;而MESFET 的栅结为金属－半导体接触形成的肖特 基势垒（或称肖特基结）目前，半导体 材料多选用GaAs在半绝缘GaAs衬底 上外延生长一层N型GaAs，然后用蒸发方法一次完成源、漏的欧姆接触和栅肖特基势垒2．JFET 的工作过程为了简化说明JFET的工作过程，首先我们把源和栅端接地，使漏电压置于V，栅DPN 结的两端为反向偏压忽略源和漏的接触电阻和它们下方的体电阻在这些条件下，在x = 0处，栅PN结两边电压为零，但在x = L处，整个电压V都加在PN结上当电D流（称为漏极电流或漏电流）从漏极沿沟道流向源极时，由于沟道电阻的存在，从漏极端到源极端沿着整个沟道会产生电位降，即从x = L处的V下降到x = 0处的零电位结D果是，在漏的一端空间电荷区向沟道内扩展得更深些，如图（a）所示当V增加时，沟道的狭口变得更窄，沟道电阻进一步增大随着漏端电压进一步D增大，则将会达到如图（b）所示的情况：在x = L处，空间电荷区连通，且连通区域内 的自由载流子全部耗尽，这种现象叫做沟道夹断。
沟道夹断时的漏电压称为饱和漏电压， 用v表示DS 夹断后再增加漏电压，夹断点将向源端移动，但由于夹断点电位保持为 V ，所以P 漏电流将不会显著增加，因而电流处于饱和而沟道电阻变得很大漏电流用I表示，饱和漏电流用I表示漏相对地的电流一电压特性如上图（c）D DS所示，其中V称为夹断电压P3・JFET和MESFET的分类无论是JFET还是MESFET，按导电的沟道可分为N沟道和P沟道型按零栅压（V =0）时器件的工作状态分为增强型（常关型）和耗尽型（常开型）增强型指栅 G偏压为零时，沟道是夹断的，只有外加正向偏压时，才能开始导电耗尽型指栅偏压为 零时，沟道是导通的，而欲使沟道夹断，必须给PN结施加反向偏压因此JFET还是MESFET有4种类型：N沟耗尽型、N沟增强型、P沟耗尽型和P 沟增强型下面简要介绍一下四类JFET的特点1） N沟耗尽型JFETN沟耗尽型的导电沟道为N型，栅极区为P +层当V =0时，已存在导电沟道，G 沟道电阻小，一旦在漏、源极之间加上电压，就有很大的电流 I 流过沟道；只有当栅压D为负，且高到一定程度时，漏极电流I才截止（所以其夹断电压为负值）D（ 2） N 沟增强型 JFETN沟增强型与N沟耗尽型JFET的结构基本类似。
当V = 0时，整个沟道已被栅结G 空间电荷所占满，全沟道夹断，沟道电阻很大，因此即使在漏、源极之间加上电压，沟 道电流I也接近于零（即N沟增强型JFET为常关型器件）只有当正栅压（V > 0）DG高到一定程度时，漏极电流I才开始显著增加，所以其阈值电压是正值D（ 3） P 沟耗尽型 JFETP沟耗尽型导电沟道为P型半导体，栅极区为n +层当V = 0时，已存在导电沟道，G沟道电阻小，一旦在漏、源极之间加上电压，就有很大的沟道电流I流过沟道；只有当D栅压为正，且高到一定程度时，漏极电流I才截止D（ 4） P 沟增强型 JFETP沟增强型JFET与P沟耗尽型JFET的结构基本类似当V = 0时，整个沟道已被G 栅结空间电荷所占满，全沟道夹断，沟道电阻很大，因此即使在漏、源极之间加上电压， 沟道电流I也接近于零（即P沟增强型JFET为常关型器件）只有当负栅压（V < 0）DG高到一定程度时，漏极电流I才开始显著增加，所以其阈值电压是负值D各种类型的MESFET有与上述JFET相应的特点§ 4.2理想JFET的I-V特性由于电子的迁移率比空穴的高，N沟道JFET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，下面的讨论仅限于N沟耗尽型JFET。
基于以下几点假设 的JFET称为理想JFET（P 158）：① 栅 PN 结为单边突变结② 沟道内杂质分布均匀③ 沟道内载流子迁移率为常数④ 忽略有源区以外源、漏区以及接触上的电压降，于是沟道长度为 L ⑤ 缓变沟道近似，即空间电荷区内电场沿 y 方向，而中性沟道内的电场只有 x 方 向上的分量⑥ 长沟道近似：l > 2（2a），于是W沿着L改变很小，看作是矩形沟道1．线性区的电流－电压特性前面我们定性分析了漏极电流 I 与漏极电ID压V关系，在V较小时，I随V近似呈线性增D D I D D加，当V增加到夹断电压V后，I达到饱和，V D V P I D几乎不随V而变化如果在栅极相对于源极加负 VD偏压V （ V < 0），在不同的V下，可以获得G V G GI ~ V 曲线，如图所示图中电流－电压特性可ID V D以用夹断条件作为界限划分为线性区和饱和区坨NP+Lx=Qx=L有源沟道下面我们先分析线性区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PN结为单边突变结，JFET中x处耗尽层的宽度可表示为W (x)= 勺：(V + V (x) - V ) ①qN 0 Gd式中，V f栅PN结的自建电势差;V0V (x) f为沟道x处电势(以x = 0处为参考点);(b为电子的电导率；E (x)=-必乜)n d x(G二nq卩，卩为电子的迁移率)nV (x) - V f为在x处跨在反偏结上电压差。
VG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 电流中便只有电子漂移电流的成分，根据欧姆定律有(注意一维形式)i d V (x)I = - A b E (x) = A bD n n dxdV(x)nn=2[a - W (x)] Z - nq 卩•-n dxd V (x)=2[a - W (x)]Z - n qd n dx0TVDJ L 1D d x J0 2 N q 卩 Z 0dnI 2 £ £ a - —qN dddV ( x)2 2 £ £ V -_J —I D 3 \ q a 2 N' d、( )3/2 ( )3/2、V + V - V 丿 -、v - V 丿D 0 G 0 G式中，G = MZq卩n N d为没有任何耗尽层时的沟道电导 0式③可以很好地描述线性区(在到达夹断条件之前)的漏极电流(I)与漏极电压D(V )的关系，与实验结果十分接近上式长期被看作是描述长沟道 JFET 线性区直流 D特性的基本方程事实上，在低漏极电压下，即在V « V - V时，③式可以简化为D 0 G1 -J: 、'V - V 0 G:Vpo上式表明，I与V确实是线性依赖关系。
DD2．夹断电压在夹断点X处，空间电荷区的宽度正好等于沟道的宽度，即：w(x) = a同时在夹断点，跨过栅结的偏压也为常数，即：V(x) - V = VVGp称为夹断电压因此由 p将①式代入②式积分，积分限x: 0 T L的有源区长度；电压V (x):可得夹断电压为q a2 NV + V = & = V0 p 2 8 8 p0r0式中，V f夹断电压与自建电势差的总和，常称为内夹断电压真空中的介电常数V p 08 = 8.85 x 10-12 F /m03．饱和区的电流－电压特性 （1）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条件VD-VG=VpV 称为夹断电压，为一常数因此，对于不同的栅电压 V 来说，为达到夹断条件所需 pG要的漏电压V是不同的将上式在i-v特性图中绘制成曲线，称为夹断曲线超出夹D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将上式代入式③，并用到V + V = V，很容易导出饱和漏极电流I为0 p p 0 DS‘2 i'V ]3Y-V)+ 1 GV0 G 3 0 p0- 1V po丿上式把漏极电流表示为栅极电压的函数，反映了栅极电压对漏极电流的控制作用 它称为 JFET 的转移特性。
上式与下面的经验公式非常接近1 - 5 V丿p0DS = G 0=IDS DSS式中， I 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， I DSSJFET 通常工作在饱和区，并且在已知电压信号时，可利用转移特性求得输出的漏极电 流2）饱和区漏极电流特性上面分析表明，在饱和区，在不同的栅极电压V下，漏极电流I为常数，不随漏 G DS极电压V而变化但实际测量发现，I不饱和，而缓慢地随V增加而上升这一现D DS DGSD回WNLALG象可以用沟道长度调制效应来解释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 V ，并由耗尽的沟道区承担电压 pV - V由于被减短的电中性沟道长度承受着同样的V，因而，对于夹断后的任何漏D p p 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，且 漏极电阻为有限考虑到这种物理图像，我们再来研究饱和区的情形。
通过修正后夹断后的漏极电流 可表示为DS( '2 V - V—I ―0 G、3飞V\ p0\ 11(V - V)+ -G V0 G 3 0 P0丿式中，G = 2qaZ卩n Nd，新的沟道长度LL承受夹断电压V0 L p1/2漏极电压在夹断后使被耗尽的沟道长度增加了2 £ £ (V - V ) r~0 D P—qN -d1。