第五章結型場效應晶體管

1、第五章結型場效應晶體管和金屬-半導體場效應晶體管結型場效應晶體管JFET的基本結構和工作原理介紹介紹JFETJFET器件器件JFETJFET的基本結構和工藝流程的基本結構和工藝流程JFETJFET的基本工作原理的基本工作原理溝道夾斷、漏電流飽和、夾斷電壓的概念。溝道夾斷、漏電流飽和、夾斷電壓的概念。JFETJFET特點及應用特點及應用與與BJTBJT的比較的比較JFET的基本結構和工作原理介紹介紹JFETJFET器件器件結型場效應晶體管（結型場效應晶體管（JFETJFET）指的是）指的是PNPN結場效應晶體結場效應晶體管。管。JFETJFET和和MESFETMESFET（金屬（金屬- -半導體

2、場效應晶體管）都是半導體場效應晶體管）都是利用柵結的外加電壓，控制耗盡層厚度，改變兩個歐姆利用柵結的外加電壓，控制耗盡層厚度，改變兩個歐姆結之間的電阻，進而控制兩個歐姆結之間的電流。結之間的電阻，進而控制兩個歐姆結之間的電流。這兩種結在反偏時空間電荷區(qū)的厚度隨外加電壓變這兩種結在反偏時空間電荷區(qū)的厚度隨外加電壓變化而變化的規(guī)律相似，其工作原理是相同的。不同之處化而變化的規(guī)律相似，其工作原理是相同的。不同之處是是MESFETMESFET用金屬用金屬- -半導體結替代半導體結替代PNPN結作為柵結。結作為柵結。JFET的基本結構和工作原理圖圖5-1 由兩種工藝制成的溝道由兩種工藝制成的溝道JFET

3、（a）外延）外延擴散工藝（擴散工藝（b）雙擴散工藝）雙擴散工藝源極源極SourceS 漏極漏極DrainD 柵極柵極GateG：上柵、下柵：上柵、下柵JFET的基本結構和工藝流程的基本結構和工藝流程JFET的基本結構和工作原理其中結型場效應晶體管半導體芯片的結構與雙極型其中結型場效應晶體管半導體芯片的結構與雙極型晶體管的芯片結構幾乎沒有什么區(qū)別，只不過在結型場晶體管的芯片結構幾乎沒有什么區(qū)別，只不過在結型場效應晶體管中使用兩個重摻雜層。如圖效應晶體管中使用兩個重摻雜層。如圖5-15-1（a a）所示的）所示的采用標準平面外延工藝制成的理想的采用標準平面外延工藝制成的理想的JFETJFET的的N

4、 N溝道結型溝道結型場效應晶體管，下邊重摻雜的場效應晶體管，下邊重摻雜的P P+ +層為襯底，在層為襯底，在P P+ +層襯底層襯底上外延生長摻雜的上外延生長摻雜的N N型層。上邊的重摻雜型層。上邊的重摻雜P P+ +層是通過向層是通過向N N型外延層中擴展硼形成的。型外延層中擴展硼形成的。采用雙擴散工藝制造采用雙擴散工藝制造JFETJFET如圖如圖(b)(b)所示，該技術通所示，該技術通過擴散形成溝道和上柵極。過擴散形成溝道和上柵極。JFET的基本結構和工作原理 如如右右圖所示的結型場效圖所示的結型場效應晶體管的典型結構。兩個應晶體管的典型結構。兩個重摻雜的重摻雜的P+層與層與N層形成個層形

5、成個P+N結，通常稱之為柵結；結，通常稱之為柵結；N區(qū)兩端做歐姆接觸，引出區(qū)兩端做歐姆接觸，引出的電極分別稱為源極（的電極分別稱為源極（S）和漏極（和漏極（D）；兩個）；兩個P+區(qū)表區(qū)表面也做歐姆接觸，引出的電面也做歐姆接觸，引出的電極為柵極（極為柵極（G），大多數的），大多數的結型場效應管的兩個柵極是結型場效應管的兩個柵極是連在一起的，因此，結型場連在一起的，因此，結型場效應晶體管盡管有效應晶體管盡管有4個電極個電極但不是四端器件，而是三端但不是四端器件，而是三端器件。器件。JFET的基本結構和工作原理JFETJFET工作原理工作原理：在正常工作條件下，反向偏壓加于柵：在正常工作條件下，反向

6、偏壓加于柵極極PNPN結的兩側，使得空間電荷區(qū)向溝道內部擴展，耗盡結的兩側，使得空間電荷區(qū)向溝道內部擴展，耗盡層中的載流子耗盡。結果溝道的截面積減小，從而溝道層中的載流子耗盡。結果溝道的截面積減小，從而溝道電導減小。這樣，源極和漏極之間流過的電流就收到柵電導減小。這樣，源極和漏極之間流過的電流就收到柵極電壓的調制。這種通過表面電場調制半導體電導的效極電壓的調制。這種通過表面電場調制半導體電導的效應就稱為場效應，這就是應就稱為場效應，這就是JFETJFET的基本工作原理。的基本工作原理。所以說所以說JFETJFET實際上是一個電壓控制的電阻。實際上是一個電壓控制的電阻。JFET的基本結構和工作原

7、理選取選取N N溝道結型場效應晶體管作為分析對象。一般溝道結型場效應晶體管作為分析對象。一般將結型場效應晶體管在電路中連接成共源極接地法，即將結型場效應晶體管在電路中連接成共源極接地法，即在漏源極之間接偏置電壓，在柵源極之間接柵極控制電在漏源極之間接偏置電壓，在柵源極之間接柵極控制電壓。結型場效應晶體管源漏極之間電壓為壓。結型場效應晶體管源漏極之間電壓為U UDSDS，源漏極，源漏極電流為電流為I ID D，該電流由，該電流由N N區(qū)的溝道電導決定。溝道電導與區(qū)的溝道電導決定。溝道電導與N N區(qū)摻雜濃度及柵、漏、源電壓有關。還與區(qū)摻雜濃度及柵、漏、源電壓有關。還與N N溝道的形狀溝道的形狀有關

8、，即溝道的長度有關，即溝道的長度、寬度和厚度寬度和厚度。JFET的基本結構和工作原理 在柵源控制電壓為零條件下，討論理想在柵源控制電壓為零條件下，討論理想JFET的工作過的工作過程和漏極特性。并熟悉一些基本概念。程和漏極特性。并熟悉一些基本概念。 本過程忽略源極和漏極的接觸電阻以及它們下方的體本過程忽略源極和漏極的接觸電阻以及它們下方的體電阻。電阻。JFET的基本結構和工作原理當漏電壓比較小時，發(fā)現漏電流當漏電壓比較小時，發(fā)現漏電流I ID D隨漏電壓隨漏電壓V VD D的增的增加線性增加。加線性增加。 隨著漏電壓隨著漏電壓V VD D的增加，空間電荷區(qū)將向溝道內擴的增加，空間電荷區(qū)將向溝道內

9、擴展。由于溝道電阻的存在，從漏端到源端沿著整個溝道展。由于溝道電阻的存在，從漏端到源端沿著整個溝道會產生電位降，即從會產生電位降，即從x=Lx=L處的處的V VD D下降到下降到x=0 x=0處的零電位，處的零電位，隨著漏電壓隨著漏電壓V VD D的增加溝道逐漸變窄，漏電流的增加變得的增加溝道逐漸變窄，漏電流的增加變得越來越來緩慢，如圖中的彎曲部分。越來越來緩慢，如圖中的彎曲部分。隨著漏電壓隨著漏電壓V VD D的繼續(xù)增加，溝道的狹口會變得越來的繼續(xù)增加，溝道的狹口會變得越來越來窄，溝道電阻進一步增大，最終出現如圖所示情況：越來窄，溝道電阻進一步增大，最終出現如圖所示情況：在在x=Lx=L處，

10、空間電荷區(qū)連通，在空間電荷區(qū)連通的區(qū)域處，空間電荷區(qū)連通，在空間電荷區(qū)連通的區(qū)域內自由載流子全部耗盡，這種情況稱為內自由載流子全部耗盡，這種情況稱為溝道夾斷溝道夾斷。JFET的基本結構和工作原理溝道夾斷時的漏電壓稱為溝道夾斷時的漏電壓稱為飽和漏電壓飽和漏電壓，用，用V VDSDS表示。表示。夾斷后再增加漏電壓，夾斷點將向源端移動，但是夾斷夾斷后再增加漏電壓，夾斷點將向源端移動，但是夾斷點的點位點的點位V VP P等于常數，又稱為等于常數，又稱為夾斷電壓夾斷電壓。忽溝略溝道長。忽溝略溝道長度調制效應，漏電流將處于飽和，溝道電阻會變得很大，度調制效應，漏電流將處于飽和，溝道電阻會變得很大，溝道夾斷

11、時電流稱為溝道夾斷時電流稱為飽和漏電流飽和漏電流，用，用I IDSDS表示。表示。本章節(jié)中是以本章節(jié)中是以N N溝道耗盡型結型場效應晶體管為例溝道耗盡型結型場效應晶體管為例介紹的，還有其他三種類型的結型場效應晶體管，介紹的，還有其他三種類型的結型場效應晶體管，P P溝溝道耗盡型、道耗盡型、N N溝道增強型和溝道增強型和P P溝道增強型，在溝道增強型，在5-85-8節(jié)中將節(jié)中將介紹。介紹。JFET的基本結構和工作原理JFETJFET特點及應用特點及應用JFETJFET的電流傳輸主要由一種型號的載流子的電流傳輸主要由一種型號的載流子多數載流子多數載流子承擔，不存在少數載流子的貯存效應，因此有利于達

12、到承擔，不存在少數載流子的貯存效應，因此有利于達到比較高的截止頻率和快的開關速度。比較高的截止頻率和快的開關速度。JFETJFET是電壓控制器件。它的輸入電阻要比是電壓控制器件。它的輸入電阻要比BJTBJT的高得多，的高得多，因此其輸入端易于與標準的微波系統(tǒng)匹配，在應用電路因此其輸入端易于與標準的微波系統(tǒng)匹配，在應用電路中易于實現級間直接耦合。中易于實現級間直接耦合。由于是多子器件，因此抗輻射能力強。由于是多子器件，因此抗輻射能力強。與與BJTBJT及及MOSMOS工藝兼容，有利于集成。工藝兼容，有利于集成。JFET的基本結構和工作原理與與BJTBJT的比較的比較JFET的基本結構和工作原理控

13、制元件：場效應管是電壓控制元件；三極管是電流控控制元件：場效應管是電壓控制元件；三極管是電流控制元件。在只允許從信號源取較少電流的情況下，用場制元件。在只允許從信號源取較少電流的情況下，用場效應管；而在信號電壓低，又允許從長信號源取較多電效應管；而在信號電壓低，又允許從長信號源取較多電流的條件下，則用三極管。流的條件下，則用三極管。器件類型：場效應管是單極性器件，因為它是利用多數器件類型：場效應管是單極性器件，因為它是利用多數載流子導電；三極管是雙極型器件，因為它是利用多數載流子導電；三極管是雙極型器件，因為它是利用多數載流子及少數載流子導電載流子及少數載流子導電。靈活性：場效應管比三極管強。

14、有些場效應管的源極和靈活性：場效應管比三極管強。有些場效應管的源極和漏極可以互換使用，柵極電壓可正可負，而三極管的各漏極可以互換使用，柵極電壓可正可負，而三極管的各個極不能這樣使用。個極不能這樣使用。JFET的基本結構和工作原理工作頻率：場效應管是低頻，三極管是高頻。工作頻率：場效應管是低頻，三極管是高頻。熱穩(wěn)定性：場效應管比三極管穩(wěn)定性強。熱穩(wěn)定性：場效應管比三極管穩(wěn)定性強。接腳偏壓：場效應管的源極（接腳偏壓：場效應管的源極（S S）與漏極（）與漏極（D D）在濃度、）在濃度、大小相同時可以相互對調；三極管的集電極（大小相同時可以相互對調；三極管的集電極（C C）與發(fā)）與發(fā)射極（射極（E E

15、）則不可對調。）則不可對調。場效應管沒有死區(qū)電壓，而三極管則有，硅管是場效應管沒有死區(qū)電壓，而三極管則有，硅管是0.6V0.6V或或0.7V0.7V，鍺管是，鍺管是0.2V0.2V或或0.3V0.3V。理想JFET的I-V特性理想理想JFETJFET的基本假設及其意義的基本假設及其意義單邊突變結：單邊突變結：SCRSCR在輕摻雜一側在輕摻雜一側溝道內雜質分布均勻：無內建電場，載流子分布均勻，無擴溝道內雜質分布均勻：無內建電場，載流子分布均勻，無擴散運動。散運動。溝道內載流子遷移率為常數；溝道內載流子遷移率為常數；忽略有源區(qū)以外源、漏區(qū)以及接觸上的電壓降，于是溝道長忽略有源區(qū)以外源、漏區(qū)以及接觸

16、上的電壓降，于是溝道長度為度為L L；緩變溝道近似，即空間電荷區(qū)內電場沿緩變溝道近似，即空間電荷區(qū)內電場沿y y方向，而中性溝道方向，而中性溝道內的電場只有內的電場只有X X方向上的分量：二維問題化為一維問題。方向上的分量：二維問題化為一維問題。長溝道近似：長溝道近似：L2L2（2a2a），于是），于是W W沿著沿著L L改變很小，看作是矩改變很小，看作是矩形溝道。形溝道。理想JFET的I-V特性JFET中的有源溝道示意圖，中的有源溝道示意圖，在有源溝道內空間電荷在有源溝道內空間電荷區(qū)逐漸改變區(qū)逐漸改變.加上加上N+是為了提供良好的歐姆接觸是為了提供良好的歐姆接觸理想JFET的I-V特性JFE

17、TJFET中中X X處耗盡層寬度為處耗盡層寬度為式中，式中，V V(X)(X)和和V VG G為在為在x x處跨在反偏結上的電壓。方括號中出現處跨在反偏結上的電壓。方括號中出現- -V VG G是因為是因為V VG G取負值。取負值。在夾斷點，空間電荷區(qū)的寬度正好等于溝道的寬度，則在夾斷點，空間電荷區(qū)的寬度正好等于溝道的寬度，則令令W=aW=a以及以及V-VV-VG G=V=VP P，可求的夾斷電壓，可求的夾斷電壓式中，式中，V VP P為夾斷電壓，常稱為夾斷電壓，常稱V VP0P0為內夾斷電壓。可以看出為內夾斷電壓?？梢钥闯鯲 VP0P0僅由器件的材料參數和結構參數決定，與外加電壓無關，僅由

18、器件的材料參數和結構參數決定，與外加電壓無關，是器件的固有參數。是器件的固有參數。理想JFET的I-V特性在外電場和載流子濃度梯度同時存在的情況下，載在外電場和載流子濃度梯度同時存在的情況下，載流子要同時進行漂移運動和擴散運動。假設中，在電中流子要同時進行漂移運動和擴散運動。假設中，在電中性溝道中，電子分布是均勻的，電子的濃度梯度為零，性溝道中，電子分布是均勻的，電子的濃度梯度為零，因此漏極電流中便只有電子漂移的成分。漏極電流：因此漏極電流中便只有電子漂移的成分。漏極電流：式中，式中，A A為電流垂直流過的面積，等于為電流垂直流過的面積，等于2Z(a-W).2Z(a-W).理想JFET的I-V

19、特性式中式中理想JFET的I-V特性例例5-15-1圖圖 的硅的硅N N溝道溝道JFETJFET的電流的電流- -電壓特性電壓特性理想JFET的I-V特性 由圖中理論曲線與實驗曲線，可以看出明顯的差由圖中理論曲線與實驗曲線，可以看出明顯的差異，其可由串聯電阻的差異來解釋。在書中異，其可由串聯電阻的差異來解釋。在書中5-45-4節(jié)中，節(jié)中，跨導跨導g gm m定義為漏極電流對柵極電壓的變化率，反映出晶定義為漏極電流對柵極電壓的變化率，反映出晶體管的增益。體管的增益。 從圖中可以看出，在從圖中可以看出，在gm數值較大時，不能正確數值較大時，不能正確描述描述JFET，這是因為在理，這是因為在理想的想

20、的JFET中，忽略了靠近中，忽略了靠近源端和漏端的串聯電阻，由源端和漏端的串聯電阻，由于串聯電阻的影響，測得的于串聯電阻的影響，測得的跨導和溝道導納都變小了?？鐚Ш蜏系缹Ъ{都變小了。靜態(tài)特性靜態(tài)特性線性區(qū)線性區(qū) 當流經結型場效應晶體管的電流較小時，電流在溝道中當流經結型場效應晶體管的電流較小時，電流在溝道中產生的產生的電電位梯度較小，可以看作柵極空間電荷區(qū)形狀受影響位梯度較小，可以看作柵極空間電荷區(qū)形狀受影響非常小，則溝道形狀發(fā)生改變很小。此時，可以認為溝道是非常小，則溝道形狀發(fā)生改變很小。此時，可以認為溝道是一個固定阻值的電阻區(qū)，在溝道中載流子的漂移運動滿足歐一個固定阻值的電阻區(qū)，在溝道中載

21、流子的漂移運動滿足歐姆定律，其端電壓姆定律，其端電壓U UDSDS隨漏極電流隨漏極電流I ID D線性變化。線性變化。靜態(tài)特性在線性區(qū)，可令在線性區(qū)，可令V VD D0 0-V-VG G, ,運用多項級數展開，運用多項級數展開，得到得到靜態(tài)特性過渡區(qū)過渡區(qū)( (非飽和狀態(tài)非飽和狀態(tài)) ) 隨著漏極電流的增加，溝道中的壓降增加，漏端電位就隨著漏極電流的增加，溝道中的壓降增加，漏端電位就會明顯高于源端電位。由于整個柵電極的電位都是與源端相會明顯高于源端電位。由于整個柵電極的電位都是與源端相參照的，因而柵結的漏端現對于源端，處于明顯的反偏增加參照的，因而柵結的漏端現對于源端，處于明顯的反偏增加狀態(tài)。

22、此時柵結空間電荷區(qū)從源到漏逐漸展寬，溝道寬度會狀態(tài)。此時柵結空間電荷區(qū)從源到漏逐漸展寬，溝道寬度會相應的逐漸減小，于是溝道電阻增大，這種情況會隨著相應的逐漸減小，于是溝道電阻增大，這種情況會隨著U UDSDS的的升高而越來越嚴重，升高而越來越嚴重，I ID D對其線性值得偏離也會越來越大。對其線性值得偏離也會越來越大。靜態(tài)特性飽和區(qū)飽和區(qū) 溝道電壓繼續(xù)升高，溝道的空間電荷區(qū)將隨著溝道電壓溝道電壓繼續(xù)升高，溝道的空間電荷區(qū)將隨著溝道電壓的升高從漏端開始閉合，并逐漸將閉合點向源端緩慢推進。的升高從漏端開始閉合，并逐漸將閉合點向源端緩慢推進?？臻g電荷區(qū)的閉合使導電溝道在漏端被夾斷。夾斷的本質是空間電

23、荷區(qū)的閉合使導電溝道在漏端被夾斷。夾斷的本質是導電溝道的一端變成載流子已經被耗盡的空間電荷區(qū)。此時，導電溝道的一端變成載流子已經被耗盡的空間電荷區(qū)。此時，隨著溝道電壓的增加，漏極電流不再增加，稱為飽和狀態(tài)。隨著溝道電壓的增加，漏極電流不再增加，稱為飽和狀態(tài)。靜態(tài)特性 注：較高反偏漏源偏置電壓同較高反偏的柵源控制注：較高反偏漏源偏置電壓同較高反偏的柵源控制電壓對導電溝道的夾斷有著本質的不同。較高反偏柵源電壓對導電溝道的夾斷有著本質的不同。較高反偏柵源控制電壓的夾斷是使整個導電溝道載流子耗盡，漏極電控制電壓的夾斷是使整個導電溝道載流子耗盡，漏極電流為零。較高反偏漏源偏置電壓的夾斷只是使導電溝道流為

24、零。較高反偏漏源偏置電壓的夾斷只是使導電溝道的漏端局部耗盡，電子仍然可以被其中的強電場掃過空的漏端局部耗盡，電子仍然可以被其中的強電場掃過空間電荷區(qū)而進入漏極，因而漏極電流是不為零的，相應間電荷區(qū)而進入漏極，因而漏極電流是不為零的，相應的電流被稱作飽和漏電流。的電流被稱作飽和漏電流。靜態(tài)特性夾斷點首先發(fā)生在漏端，在漏端，夾斷點首先發(fā)生在漏端，在漏端，V(L)=VV(L)=VDSDS,可見，夾斷電壓由柵電壓和漏電壓共同確定。對于可見，夾斷電壓由柵電壓和漏電壓共同確定。對于不同的柵電壓來說，為達到夾斷條件所需要的漏電壓是不同的柵電壓來說，為達到夾斷條件所需要的漏電壓是不同的。不同的。得到飽和漏電流

25、得到飽和漏電流靜態(tài)特性在圖中又畫出拋物線在圖中又畫出拋物線式中，式中，I IDSSDSS表示柵極電壓為零（即柵源短路）時的漏極飽表示柵極電壓為零（即柵源短路）時的漏極飽和電流。和電流。靜態(tài)特性JFET的轉移特性靜態(tài)特性 實驗發(fā)現，即使在實驗發(fā)現，即使在y y方向為任意非均勻的雜質分布，方向為任意非均勻的雜質分布，所有的轉移特性都落在圖中所示的兩條曲線之間。在放所有的轉移特性都落在圖中所示的兩條曲線之間。在放大應用當中，通常工作在飽和區(qū)，并且在已知柵電壓信大應用當中，通常工作在飽和區(qū)，并且在已知柵電壓信號時，可利用轉移特性求得輸出的漏極電流。并且飽和號時，可利用轉移特性求得輸出的漏極電流。并且飽

26、和區(qū)的起始電壓（夾斷電壓）和終止電壓（雪崩擊穿電壓）區(qū)的起始電壓（夾斷電壓）和終止電壓（雪崩擊穿電壓）都會隨著柵源控制電壓的絕對值升高而降低，這是因為都會隨著柵源控制電壓的絕對值升高而降低，這是因為柵源電壓反偏升高時溝道變薄，空間電荷區(qū)在漏端擴展柵源電壓反偏升高時溝道變薄，空間電荷區(qū)在漏端擴展的余地變小。的余地變小。靜態(tài)特性擊穿電壓擊穿電壓 導電溝道的漏端一旦變成空間電荷區(qū)，漏源電壓的的持續(xù)上升就主要降落在這個高阻區(qū)域，其中的電場將會越來越強，會出現空間電荷區(qū)中載流子倍增的雪崩電離效應，只要漏源電壓有微小的增加，都會引起漏極電流的急劇上升，最終導致器件擊穿。擊穿首先發(fā)生在溝道的漏端，那里有最高

27、的反偏電壓。此時擊穿電壓表示為;VBS=VD+|VG|式中，VD為擊穿時的漏電壓。小信號參數和等效電路JFETJFET所包含的電學特性。所包含的電學特性。具有源電阻和漏電阻的具有源電阻和漏電阻的JFET小信號參數和等效電路漏極導納（輸出導納）漏極導納（輸出導納）g gdldl漏極導納定義為漏極電流對漏極電壓的變化率，在漏極導納定義為漏極電流對漏極電壓的變化率，在線性區(qū)，可以得到漏極導納的表達式：線性區(qū)，可以得到漏極導納的表達式：從式中可以看出漏極導納與外加柵極電壓的關系。從式中可以看出漏極導納與外加柵極電壓的關系。小信號參數和等效電路跨導跨導g gm m跨導跨導g gm m定義為漏極電流對柵極電壓的變化率，反映定義為漏極電流對柵極電壓的變化率，反映出晶體管的增益。出晶體管的增益。線性區(qū)的跨導可以推導出：線性區(qū)的跨導可以推導出：飽和區(qū)的跨導可以推導出：飽和區(qū)的跨導可以推導出：跨導標志了跨導標志了JFETJFET的放大能力。的放大能力。小信號參數和等效電路柵源擴散電容柵源擴散電容r rgsgs和柵漏擴散電阻和柵漏擴散電阻r rgdgd柵極漏泄電流用和表示，它們是柵極漏泄電流用和表示，它們是P-NP-N結反向飽和電結反向飽和電流產生電流和表面