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1、西安电子科技大学西安电子科技大学 XIDIDIAN UNIVERSITYXIDIDIAN UNIVERSITY第三章第三章 结型场效应晶体管结型场效应晶体管 2022-4-121场效应器件物理场效应器件物理2022-4-12XIDIAN UNIVERSITY 3.0 引言引言 FETFET（Field Effect TransistorField Effect Transistor）pFET基本结构原理：基本结构原理：u半导体导电沟道，阻值是受控的；半导体导电沟道，阻值是受控的；u控制电极（栅电极）产生与沟道垂直方向上的控制电极（栅电极）产生与沟道垂直方向上的“电场电场”u上述电场上述电场“调

2、制调制”导电沟道的电导导电沟道的电导-场效应场效应电）电子、或空穴）参与导（只有一种载流子（或）场效应晶体管载流子同时参与导电）（电子和空穴两种极性双极性晶体管晶体管 TransistorEffect FET(Field BT2022-4-12XIDIAN UNIVERSITY3ppn-JFET pn Junction FETpMESFET Metal-Semiconductor FET (Schottly Barrier Gate)pMOSFET Metal- Oxide -Semiconductor FET u传统结构：金属铝栅传统结构：金属铝栅-SiO2-Si系统系统FETu典型结构：高

3、掺杂多晶硅栅典型结构：高掺杂多晶硅栅-SiO2-Si系统系统FETu新结构：金属硅化物栅新结构：金属硅化物栅-高高K介质（绝缘层）介质（绝缘层）-Si系统系统FETuIGFET： Insulator Gate FET，栅和半导体之间存在绝缘层，栅和半导体之间存在绝缘层(绝缘栅）绝缘栅）3.0 引言引言 FETFET分类分类电容栅：栅晶体管MOSMOSFET：肖特基 结MESFET结栅pn：JFET-pnFET场效应3.1 JFET 主要内容主要内容p JFET的结构和类型的结构和类型p JFET的基本工作原理的基本工作原理u I-V特性的定性分析特性的定性分析u I-V特性的定量分析特性的定量

4、分析p JFET的几个重要参数的几个重要参数JFET结合结合n沟耗尽型沟耗尽型3.1 JFET n n沟耗尽型沟耗尽型JFETJFET结构结构p栅（栅（Gate）：又称控制栅，高掺杂）：又称控制栅，高掺杂P+， P+区等电位区等电位p源（源（Source）：提供导电载流子）：提供导电载流子p漏（漏（Drain）：接受导电载流子）：接受导电载流子p沟道（沟道（Channel）：两个）：两个P+区耗尽层之间的半导体区区耗尽层之间的半导体区(n区区)，导电通道，导电通道pL-沟道长度，沟道长度，W-沟道宽度，沟道宽度，d-沟道厚度，沟道厚度，2a-原始沟道厚度原始沟道厚度u加加VDS，载流子从源漂移

5、到漏，形成漏电流，载流子从源漂移到漏，形成漏电流IDu栅结偏压栅结偏压VGS则改变耗尽层厚度，从而调制沟道电导则改变耗尽层厚度，从而调制沟道电导P+N结：栅结结：栅结3.1 JFET 分类分类(1)(1)n沟道沟道pn-JFETn型沟道，电子导电型沟道，电子导电VDS0，使电子从源流到漏，使电子从源流到漏p沟道沟道pn-JFETp型沟道，空穴导电型沟道，空穴导电VDS0n沟道沟道耗尽型耗尽型pn-JFET零栅压时已存在沟道，零栅压时已存在沟道，VPN0u沟道为高阻材料，零栅压时，栅结内沟道为高阻材料，零栅压时，栅结内建电势已使沟道完全耗尽而夹断建电势已使沟道完全耗尽而夹断 p按照按照0栅压时是

6、否存在沟道划分：耗尽型，增强型栅压时是否存在沟道划分：耗尽型，增强型3.1 JFET 分类分类(3)(3)p沟道沟道增强型增强型pn-JFET零栅压时不存在反型沟道，零栅压时不存在反型沟道，VTP03.1 JFET I-VI-V特性定性分析特性定性分析pp+n结，耗尽层（势垒区）宽度结，耗尽层（势垒区）宽度W与外加偏置电压与外加偏置电压Vpn（反偏：（反偏：Vpn为负）为负）关系：关系：uW与与Vpn之间有一一对应关系，无论知道其中哪一个量，就唯一确定另之间有一一对应关系，无论知道其中哪一个量，就唯一确定另一个量。一个量。p注意电压下标字母前后顺序的含义以及表示的电压之间关系注意电压下标字母前

7、后顺序的含义以及表示的电压之间关系 如：如：VDG = VDS+VSG = VDS-VGSdbieNVV)(2WpnVGS0SDGGP+nP+栅结：栅结：p+n结结3.1 JFET I ID D-V-VDSDS特性定性分析特性定性分析p偏置特点：偏置特点：VGS=0P+型栅区均为型栅区均为0电位，沟道存在电位，沟道存在VDS0，u有电流有电流IDu导电沟道形状：源端沟道截面积最大，从源到漏不断减小导电沟道形状：源端沟道截面积最大，从源到漏不断减小沟道中沟道中X点从源到漏，栅结反偏压点从源到漏，栅结反偏压VXS增加增加(VDS0)，源端源端PN结结0偏，近漏端偏，近漏端PN结反偏，漏端反偏压最大

8、结反偏，漏端反偏压最大为栅结反偏压栅结偏压有电势差点相对于降落在沟道上，沟道方向上任一点XSXSXSGSSXGSGXXSDSVVVVVVVVSXVX0, 0,n沟道沟道耗尽型耗尽型pn-JFET：0栅压沟道存在栅压沟道存在XoVDS 很小很小 ID VDS（线性区（线性区）VDS 很小很小沟道方向沟道厚度不相等的现象很不明显沟道方向沟道厚度不相等的现象很不明显 沟道相当于是一个截面积均匀的电阻沟道相当于是一个截面积均匀的电阻 源漏电流源漏电流ID随随VDS几乎是线性增加几乎是线性增加 ID VDS（线性区）（线性区）3.1 JFET I ID D-V-VDSDS特性定性分析特性定性分析oVDS

9、 ID随随VDS增加的趋势减慢，偏离直线增加的趋势减慢，偏离直线(过渡区过渡区)VDS沟道方向沟道厚度不相等的现象逐步表现沟道方向沟道厚度不相等的现象逐步表现 近漏端近漏端pn结耗尽层加宽，即沟道变窄结耗尽层加宽，即沟道变窄 沟道等效电阻沟道等效电阻 ID随随VDS增加的趋势减慢，偏离直线增加的趋势减慢，偏离直线3.1 JFET I ID D-V-VDSDS特性定性分析特性定性分析oVDS增加增加 “夹断夹断”（Pinchoff） VDS栅漏结反偏压增加栅漏结反偏压增加漏端沟道厚度刚好减小到零，漏端沟道夹断漏端沟道厚度刚好减小到零，漏端沟道夹断u相应相应VDS和和ID分别为漏源饱和电压分别为漏

10、源饱和电压VDS(sat)和饱和漏电流和饱和漏电流IDsatp夹断点夹断点:沟道厚度刚好等于沟道厚度刚好等于0的点的点u夹断点的栅结偏压是一定的（使耗尽层厚度夹断点的栅结偏压是一定的（使耗尽层厚度h=原始沟厚原始沟厚a）u若若VGS不变，不管夹断点在什么位置，则夹断点与源之间的电位差（栅不变，不管夹断点在什么位置，则夹断点与源之间的电位差（栅结偏压）都保持不变，为结偏压）都保持不变，为VDS(sat)3.1 JFET I ID D-V-VDSDS特性定性分析特性定性分析DSDSGSGDVVVV栅结偏压oVDS VDSsat ，器件进入饱和区，器件进入饱和区 VDS漏端漏端pn结耗尽层进一步扩大

11、，夹断点逐步向源端移动结耗尽层进一步扩大，夹断点逐步向源端移动u原沟道区：导电沟道区原沟道区：导电沟道区+耗尽层夹断区，电流被夹断了吗？耗尽层夹断区，电流被夹断了吗？o电流连续性：电流连续性：u导电沟道区上的电势差导电沟道区上的电势差VDSsat使电子从源出发漂移到达夹断点，立即被使电子从源出发漂移到达夹断点，立即被漏极与夹断点间耗尽层中强电场漏极与夹断点间耗尽层中强电场(VDS-VDSsat产生产生) 扫向漏极，形成扫向漏极，形成IDuID大小由导电沟道区决定大小由导电沟道区决定3.1 JFET I ID D-V-VDSDS特性定性分析特性定性分析oID=IDsat：u夹断点与源之间（导电沟

12、道区两端）的电位差保持夹断点与源之间（导电沟道区两端）的电位差保持VDS(sat)不变不变u夹断点与源间长度（有效沟长）夹断点与源间长度（有效沟长）LL-L Lu长沟器件，长沟器件，L较长，较长， LL,有效沟长基本不变有效沟长基本不变, 沟道形状不变，沟道形状不变，导电沟道区的等效电阻近似不变导电沟道区的等效电阻近似不变电流维持为夹断点时的电流维持为夹断点时的IDsat不变不变p沟道长度调制效应（短沟器件显著）：沟道长度调制效应（短沟器件显著）：u短沟器件，短沟器件，L较短，夹断点与源间长度的减小相对明显，较短，夹断点与源间长度的减小相对明显，导电沟道区的等效电阻减小导电沟道区的等效电阻减小

13、IDS略有增加略有增加3.1 JFET I ID D-V-VDSDS特性定性分析特性定性分析oVDS再继续增加再继续增加击穿区：击穿区： VDS 使栅和漏极之间反偏电压过大，导致使栅和漏极之间反偏电压过大，导致pn结击穿，结击穿， 使使JFET进入击穿区。记这时电压为进入击穿区。记这时电压为BVDS0u 注意：实际上这时真正击穿是由于注意：实际上这时真正击穿是由于D-G之间电压达到击穿电压之间电压达到击穿电压BVDGu BVDS0= BVDG，栅漏结击穿，栅漏结击穿， BVDG一定一定3.1 JFET I ID D-V-VDSDS特性定性分析特性定性分析DSDSGSDSDGVVVVV03.1

14、JFET V VGSGS00的修正的修正p偏置特点：偏置特点：uVGS0，导电沟道形状还是与零偏时一样导电沟道形状还是与零偏时一样，沿沟道方向沟道截面积不沿沟道方向沟道截面积不断减小断减。档谰攘闫榭鱿鹿档谰攘闫榭鱿赂璸修正修正1:u线性区：线性区：有效沟道电阻增加有效沟道电阻增加,曲线斜率在减。咝甭试诩跣。 ID比零偏情况小比零偏情况小p 修正修正2:u 饱和电压：饱和电压：u 击穿电压：击穿电压：越厉害越负，是定值，栅漏反偏压漏端夹断夹断点：漏端沟道刚好)()()()(0satDSGSsatDsatDSGSsatDSGSGDGDVVIVVVVVVah3.1 JFET

15、V VGSGS00的修正的修正越负越负，一定，栅漏结击穿，DSGSDSGSDSGSGDGDBVVBVVBVVBVBV03.1 JFET 夹断电压夹断电压 p夹断电压：沟道全夹断时（夹断电压：沟道全夹断时（h=a）的栅源电压）的栅源电压VGS ， 记为记为Vpu（耗尽器件（耗尽器件Vp）n沟，沟， Vp 0,使使n+p结反偏结反偏u（增强器件（增强器件VT）n沟，沟， VT 0,使使p+n结正偏；结正偏；p沟，沟， VT VDsat IDS(VGS-VP)2(1+VDS) 为沟道长度调制系数为沟道长度调制系数,L/(LVDS)， 代表漏源电压引起的沟道长度的相对变化率。代表漏源电压引起的沟道长度

16、的相对变化率。u 截止区：截止区：VGSVP沟道完全消失，沟道完全消失， IDS02022-4-12XIDIAN UNIVERSITY3.2 JFET I IDSDS-V-VDSDS特性定量分析特性定量分析pJFET转移特性转移特性u转移特性：栅源电压转移特性：栅源电压VGS对漏极电流对漏极电流ID的控制特性。的控制特性。通常用饱和区中的通常用饱和区中的ID-VGS关系表示。关系表示。uID-VGS表达式：由饱和区表达式：由饱和区IDS电流表达式可得电流表达式可得IDS(VGS-VP)2= =IDSS IDSS为栅压为栅压0V时的沟道漏电流时的沟道漏电流 22P)1 (VPGSVV2)1 (P

17、GSVVp电压控制器件：电压控制器件：输入电压输入电压VGS调控沟道电阻，调控沟道电阻，控制控制IDS（BJT为电流控制器件）为电流控制器件）p 输入端输入端G-S为反向偏置，输入电流为反向偏置，输入电流为反偏为反偏pn结电流，结电流，很。涑鲎韬苄。涑鲎杩购芨呖购芨撸˙JT低输入阻抗）低输入阻抗）p沟道电流沟道电流IDS为多子漂移电流，所以为多子漂移电流，所以JFET为单极器件为单极器件（BJT为双极器件）为双极器件）p饱和区指沟道电流为饱和的区域饱和区指沟道电流为饱和的区域（BJT饱和区指饱和区指VCE基本不变区域）基本不变区域） 3.1 JFET JFETJFET器件特点器件特点2022-4-12XIDIAN UNIVERSITYEND