第五章 结型场效应晶体管和金属半导体场效应晶体管一、名词 术语 概念 问题n场效应：利用电场使半导体电导改变的效应n单极器件(unipolar devices)：主要靠一种载流子传输电流的器件n沟道夹断：栅结空间电荷区完全扩展进沟道，以至于导电沟道完全被耗尽自由载流子的耗尽区所充满的现象沟道夹断首先发生在漏端（xL处）（夹断点）随着栅偏压或漏电压的增加夹断点向源端移动n夹断电压：形成沟道夹断时的外加电压（ ） n内夹断电压：沟道夹断时的总电压（ ）n漏极导纳：漏极电流对漏极电压的变化率，它反映了JFET的输出特性n跨导：漏极电流对栅极电压的变化率，它反映了JFET的转移特性 n栅极总电容：在栅PN结在反偏压下的结电容 在 ，并处于夹断条件时，栅电容为n截止频率：JFET不能再放大输入信号（当通过输入电容的电流与输出的漏极电流相等时，达到增益为1）时的最高频率 n沟道长度调制效应：夹断条件规定为两个空间电荷区在沟道中心相遇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效应在沟道中心，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受电压 ，并由耗尽的沟道区承受电压n由于被减短的电中性沟道长度承受着同样的 ，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，且漏极电阻为有限n画出结构示意图，简述JFET得工作原理（图5.1a、b两图任画一个即可）：答：采用标准的平面外延工艺制成的理想 示于图5-1a中下边的重掺杂 层为衬底在 衬底上外延生长轻掺杂的N型层上边的重掺杂 层是通过向N型外延层中扩散硼形成的器件的有源区为夹在两个 层之间的N型层有源层也称为导电沟道上下两个 区不是被内连接就是被外连接以形成栅极端连接在沟道两端的欧姆接触分别称为漏极端和源极端，通过它们流过沟道电流源极发射载流子，漏端收集载流子 另外，还可以采用双扩散技术制造JFET，该技术通过扩散形成沟道和上栅，如绘于图5-1（b）中的情形 由于沟道掺入的是施主杂质，沟道电流由电子传输，所以这里表示的结构称为N沟道JFET倘若沟道是受主原子掺杂而栅区为 型，则沟道电流是由空穴传输的此种器件称为P沟道JFET由于电子的迁移率比空穴的高，N沟道器件能提供更高的电导和更高的速度，它在大多数应用中处于优先地位在正常工作条件下，反向偏压加于P-N栅结的两侧，使得空间电荷区向沟道内部扩展，并使耗尽层中的载流子耗尽结果是，沟道的截面积被减小，因而沟道电阻增加。
这样，源和漏之间流过的电流就受到栅电压的调制这就是JFET的基本工作原理源极上栅极漏极Z源极漏极栅极Z下栅极（a）（b）图5-1 由两种工艺制成的沟道JFET（a）外延扩散工艺 （b）双扩散工艺n与JFET相比MESFET有哪些特点？答：（1）MESFET工艺简单MS工艺允许把沟道长度做得更短，使得结电容更小，有利于提高器件的开关速度和工作频率；（2）MESFET多用砷化镓材料制做，砷化镓的电子迁移率大约是硅的六倍，因此可以制造出高频、高速器件n什么是增强型和耗尽型JFET？答：耗尽型指JFET在栅偏压为零时就存在导电沟道，而欲使沟道夹断，必须给P-N结施加反向偏压，使沟道内载流子耗尽增强型JFET同增强型MESFET一样，在栅偏压为零时，沟道是夹断的，只有外加正偏压时，才能开始导电考虑到P沟和N沟两类导电沟道，则总共可有四种类型的JFET和MESFET，即N沟增强型，N沟耗尽型，P沟增强型和P沟耗尽型二 重要推导 n1.导出夹断电压的表达式解：根据 公式（2.23），JFET加栅、漏电压之后， 公式（5.1）在夹断点，空间电荷区的宽度正好等于沟道的宽度，在上式中令以及 ，可求得夹断电压：式中 为达到夹断条件的外加电压，即夹断电压。
为夹断电压与自建电势差的总和，常称为内夹断电压可以看出，夹断电压仅 由器件的材料参数和结构参数决定n2画出简化等效电路图，导出JFET的截止频率解：简化等效电路图如下根据简化等效电路和截止频率 的定义，输入电流为输出电流为使（1）式和（2）式相等，得到截止频率为 公式（5.26） （1） （2） 图5-8 简化的小讯号等效电路三 重要图表 图5.1、5.9、5.12 四 重要习题n5-2 试推导N沟道JEFT的电流与电压、关系它的截止面为2a2a，为 所包围，器件长度为L解： 2a2an5-3 推导结型场效应四级管的电流-电压关系，在该四极管中，两个栅极是分开的两个栅上的外加电压为 和 假设为单边突变结解：（画出结构示意图）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，漏极电流为式中 表示漏极电流 为电流流过的截面积 ，负号表示电流沿 方向其中 （1） （2） （3） 把（2）、（3）式代入（1）式求积分，积分限由从 到 和0到 的相应电压确定，得到（4）式即为所求 5.6、下图为结型场效应晶体管的低频小信号等效电路图，其中RS为源极电阻。
证明：由于RS的存在，晶体管的跨导变成（4） 式中 为忽略RS时的跨导 G+S_SRsDIDSn解：有RS存在时，由 回路可知。
