第十五章場效應(yīng)導(dǎo)言

J-FET和MESFET

場效應(yīng)

通過調(diào)節(jié)加在金屬板上的電壓來調(diào)節(jié)其下的半導(dǎo)體的電導(dǎo)，從而調(diào)制歐姆接觸A和B之間流過的電流。這種通過加在半導(dǎo)體表面上的垂直電場來調(diào)制半導(dǎo)體的電導(dǎo)率的現(xiàn)象稱為場效應(yīng)。圖15-2結(jié)型場效應(yīng)晶體管

圖15.3MOS場效應(yīng)晶體管15.2J-FET(結(jié)型場效應(yīng)晶體管）一、J-FET簡介1952年，W.Shockley首次提出并分析了結(jié)型場效應(yīng)晶體管。在J-FET中所加的柵電壓改變了pn結(jié)耗盡層寬度，耗盡層寬度的變化，反過來調(diào)節(jié)源、漏歐姆接觸之間的電導(dǎo)。圖15.9現(xiàn)代的外延層J-FET的透視圖

為分析J-FET的基本工作原理，首先設(shè)定一個標(biāo)準(zhǔn)的偏置條件。VG0:pn結(jié)總是0偏或反偏

VD0：確保n區(qū)電子從源端流向漏端。通過系統(tǒng)地改變端電壓來分析器件內(nèi)發(fā)生的變化。二、器件工作的定性理論首先假設(shè)VG=0，分析VD逐漸增加時，從S-D的電流ID的變化（1）VD=0：器件處于熱平衡，p+n結(jié)存在很小的耗盡區(qū)（2）VD緩慢增加一個較小的電壓，會有電流流過n區(qū)溝道，溝道就像一個純電阻，ID隨VD的增加線性增加。（3）當(dāng)VD增加到零點幾伏以上時，由于從S到D逐漸增大，導(dǎo)致頂部和底部的耗盡區(qū)會逐漸擴(kuò)大，溝道變窄，使溝道電阻逐漸增大，ID-VD

曲線的斜率將會減?。?）不斷增大漏電壓，直到靠近漏端附近的頂部和底部的耗盡區(qū)最終連接到一起，此時溝道完全耗盡，這一條件稱為“夾斷”，所對應(yīng)的漏電壓稱為“夾斷電壓VDsat”(5)當(dāng)VD>VDsat后，隨VD的增加，ID基本保持不變，達(dá)到飽和VG=0時J-FET的各種工作狀態(tài)示意圖圖15.12ID-VD特性曲線（a)線性漏電壓很?。╞)溝道變窄導(dǎo)致斜率變緩中等漏電壓（c)夾斷和飽和現(xiàn)象VDVDsatVG<0時ID-VD特性曲線會有什么變化？（1）VG<0,即使VD=0,頂部和底部的p+n結(jié)都處于反偏,增加了耗盡層寬度，而使溝道的寬度變窄，溝道電阻變大，使ID-VD曲線中線性部分的斜率變小。（2）柵極加負(fù)偏壓VG<0時，夾斷電壓VDsat變小。（3）對于較大的負(fù)偏壓VG，即使VD=0，也可能使整個溝道都處于耗盡狀態(tài)。當(dāng)VD=0，使整個溝道完全耗盡的柵電壓VG=VP稱為“夾斷柵電壓”。對于VG<VP，在所有漏偏壓下漏電流等于0。（如果沒有擊穿現(xiàn)象發(fā)生時）三、定量的ID-VD關(guān)系1、器件說明溝道長度L，寬度Z，兩冶金結(jié)間距離2a.x軸垂直溝道向下為正

y軸平行于溝道從S向DV（y)是任一點處的電勢，W(y)=Wtop(y)=Wbottom(y)

是任一點處的耗盡層寬度圖15.15定量分析中假設(shè)的器件結(jié)構(gòu)、尺寸和坐標(biāo)方向基本假設(shè)：（1）p+n結(jié)是突變結(jié)，n區(qū)均勻摻雜濃度ND。（2）器件關(guān)于x=a平面上下對稱（3）電流限制在n區(qū)的非耗盡部分且只考慮y方向上的分量（4）W(y)=a也不會使p+n結(jié)擊穿（5）從源端到y(tǒng)=0和從y=L到漏端的電壓降可忽略不計。（6）L>>an=ND，擴(kuò)散電流分量較小在任一點y處，流過溝道橫截面內(nèi)的電流注：定義-y方向為ID正方向，V(y）只是y的函數(shù)，與x無關(guān)（15.1)(15.2)（15.3）ID與y無關(guān)注：V，W都是y的函數(shù)，所以W是V的函數(shù)，求解具體的函數(shù)關(guān)系。靜電變量E，V是x和y的函數(shù)，相比之下，沿y方向上的變化比較緩慢，引入緩變溝道近似，對于溝道中(15.4)(15.5)VA=VG-V（y)是位于給定點y處pn結(jié)上的電壓降。當(dāng)VD=0,VG=VP時，W=a代入上式得出：(15.6)(15.7)(15.8)結(jié)論：夾斷前夾斷后溝道漏端出現(xiàn)夾斷：即V（L）=VDsat，Wa,代入下式得與比較確定VDsat,VG，VP之間的關(guān)系圖15.16理論計算得到的ID-VD曲線圖15.17實驗測得的ID-VD曲線改進(jìn)的J-FET模型，包括了有效溝道和源/漏之間的體內(nèi)電阻若考慮從源端到y(tǒng)=0和從y=L到漏端的電壓降，則J-FET可表示為四、交流響應(yīng)低頻小信號等效電路高頻小信號等效電路雙端口網(wǎng)絡(luò)15.3MESFETMESFET適用于高頻應(yīng)用，如工作頻率超過5GHz的放大器和振蕩電路中?？梢宰鞒煞至⑵骷部勺鞒杉尚酒珿aAsMESFET是微波集成電路的核心MESFET分為耗盡模式（D-MESFET）和增強(qiáng)模式（E-MESFET）VG=0時，溝道沒有完全耗盡VG=0時，溝道已完全耗盡，必須加一個正向偏壓，以減少耗盡層寬度，增加溝道電流短溝效應(yīng)MESFET與J-FET類似，J-FET的ID-VD理論進(jìn)行一點修改就適用于MESFET對于短溝道MESFET，前面的假設(shè)就變