1、第二章 p-n結(jié)二極管,什么是p-n結(jié) ? p-n結(jié)中的空間電荷層、勢(shì)壘高度和勢(shì)壘厚度 非平衡的p-n結(jié) p-n結(jié)的耗盡層電容 p-n結(jié)的直流特性 p-n結(jié)的交流小信號(hào)特性和擴(kuò)散電容 p-n結(jié)的開關(guān)特性 p-n結(jié)的擊穿特性 附 Schottky二極管和歐姆接觸, p-n 結(jié)中的電荷和電場(chǎng)（熱平衡情況） * 空間電荷層 空間電荷的產(chǎn)生？ 空間電荷密度的分布為 (x) = q ( p n + ND NA ) q ( ND NA ) . * 內(nèi)建電場(chǎng) E(x) d2/dx2 = - (x) /, E(x) = - d/ dx ； 內(nèi)建電場(chǎng)的分布決定于摻雜 濃度的分布. 最大電場(chǎng)Em在冶金界面處。,n

2、,p, , ,電場(chǎng) E,Em,電子能量,Ei,x,0,-xP,W,qVbi,EF,xn,突變p-n結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)、內(nèi)建電勢(shì)和空間電荷層寬度,在空間電荷區(qū), 采用耗盡層近似有 d2/dx2 = - (x) / - q ( ND NA ) /, 對(duì) xP x 0, d2/dx2 = q NA / , 對(duì) 0 x xn , d2/dx2 = - q ND / ; 利用耗盡層邊界和外面電場(chǎng)為0的條件, 得到耗盡層內(nèi)的電場(chǎng)分布為 E(x) = - d/dx = q NA ( x + xP ) /, ( xP x 0), E(x) = - d/dx = q ND ( x - xn ) /, ( 0 x xn

3、 ); 則最大電場(chǎng)出現(xiàn)在 x = 0 處 : Em = ( q NA xP ) /= ( q ND xn ) /. 由E(x)可求出內(nèi)建電勢(shì)為 Vbi = q NA (xP )2 / 2+ q ND (xn)2 / 2= Em W / 2 ., 突變p-n 結(jié)中的內(nèi)建電勢(shì)和耗盡層寬度 （熱平衡情況） * 內(nèi)建電勢(shì) Vbi 勢(shì)壘高度 q Vbi : 電場(chǎng)分布E(x)曲線下的面積就是內(nèi)建電勢(shì) Vbi = - E(x) dx = Em W / 2 . * 耗盡層寬度 W 勢(shì)壘寬度 : W = xn + xP = 2( NA + ND ) Vbi / ( q ND NA ) 1/2 . 勢(shì)壘寬度W 與

4、勢(shì)壘高度 q Vbi 直接有關(guān) . p-n結(jié)的勢(shì)壘高度和勢(shì)壘寬度都由其中的電場(chǎng)分布來決定 ; 勢(shì)壘高度增加, 勢(shì)壘寬度也相應(yīng)增厚 .,-xP,xn,由于 ， ，故得,Vbi 與摻雜濃度、溫度及半導(dǎo)體的種類有關(guān)。在通常的摻雜范圍和室溫下，硅的 Vbi 約為 0.75V，鍺的 Vbi 約為 0.35V。,突變p-n 結(jié)中的內(nèi)建電勢(shì), p-n 結(jié)的能帶圖（熱平衡情況）,W,E,ND-NA,ND-NA,E,線性緩變p-n結(jié),突變p-n結(jié),例1對(duì)硅突變p-n結(jié), 已知NA = 1018 cm-3, ND = 1015 cm-3. 求出300K時(shí)的內(nèi)建電勢(shì).,解:因?yàn)?ni2 = pP0nP0 = NA

5、nn0 exp( - qVbi / kT ) = NA ND exp(-qVbi / kT) , 則 Vbi = (kT/q) ln( NA ND / ni2 ) = 0.0259ln10181015 /(1.45 1010 )2 = 0.755 V.,例2對(duì)硅單邊突變p-n結(jié), 已知NA = 1019 cm-3, ND = 1016 cm-3. 求出300K時(shí)的耗盡層寬度和0偏下的最大電場(chǎng).,解: 因?yàn)?Vbi = 0.0259 ln10191016 /(1.45 1010 )2 = 0.874 V, 則 W = 2 Vbi / q ND 1/2 = 2128.8510-12F/m0.874

6、V/1.610-19C 1016 m-3 1/2 = 3.37 10-5 cm = 0.337 m; Em = q ND W / = 5.4 104 V/cm .,2.2 非平衡狀態(tài)下的 p-n 結(jié)及勢(shì)壘電容 * 加正向電壓VF 時(shí): 勢(shì)壘高度由 q Vbi 降低到 q ( Vbi VF ) ; 勢(shì)壘寬度也相應(yīng)減薄. * 加反向電壓VR 時(shí): 勢(shì)壘高度由 q Vbi 升高到 q ( Vbi + VR ) ; 勢(shì)壘寬度也相應(yīng)增厚. 凡是與( Vbi ) 有關(guān)的量, 只要把其中的( Vbi )改換成( Vbi V )后, 就可把熱平衡下的關(guān)系推廣到非平衡態(tài).,q(Vbi-VF),q VF,q(Vb

7、i+VR),q VR,( 正向偏置 ),( 反向偏置 ),1. 勢(shì)壘電容的定義 當(dāng)外加電壓有 ( - V ) 的變化時(shí)，勢(shì)壘區(qū)寬度發(fā)生變化 ，使勢(shì)壘區(qū)中的空間電荷也發(fā)生相應(yīng)的 Q 的變化。,P區(qū),N區(qū),PN 結(jié)勢(shì)壘微分電容 CT 的定義為,簡(jiǎn)稱為 勢(shì)壘電容。,（2-126）,2. 突變結(jié)的勢(shì)壘電容,根據(jù)勢(shì)壘電容的定義，,對(duì)于 P+N 單邊突變結(jié)，,對(duì)于 PN+ 單邊突變結(jié)，,可見，CT 也是取決于低摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃度。,PN 結(jié)的 小信號(hào)交流導(dǎo)納 為,在 的情況下，由近似公式 ，得,其中，,，就是 PN 結(jié)的 擴(kuò)散電容,由上式可見，CD 與正向直流偏流成正比，即,，為 PN 結(jié)的 直流增量電導(dǎo)

8、,2.4 PN 結(jié)的交流小信號(hào)特性與擴(kuò)散電容,對(duì)于 P+N 單邊突變結(jié)， 可見 CD也是取決于低摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃度。,N 區(qū)：（同時(shí)產(chǎn)生）,擴(kuò)散電容的物理意義,P 區(qū)：（同時(shí)產(chǎn)生 ）,P區(qū),N區(qū),勢(shì)壘電容與擴(kuò)散電容的比較,勢(shì)壘區(qū)中電離雜質(zhì)電荷隨外加電壓的變化率； 正負(fù)電荷在空間上是分離的； 與直流偏壓成冪函數(shù)關(guān)系； 正偏反偏下均存在，可作電容器使用； 要使 CT， 應(yīng)使 A，xd （N , 反偏）。,中性區(qū)中非平衡載流子電荷隨外加電壓的變化率； 正負(fù)電荷在空間上是重疊的； 與直流電流成線性關(guān)系，與直流偏壓成指數(shù)關(guān)系； 只存在于正偏下； 要使 CD，應(yīng)使 IF（A， 正偏）， 。, 注入的少數(shù)載

9、流子：濃度分布和擴(kuò)散電流 ,( 正向偏置 ),( 反向偏置 ),p,p,n,n,+,-,-,+,Jn,JP,nP,pn,pn,nP,Jn,JP,JP,JP,Jn,Jn,電流密度,電流密度,濃度分布,濃度分布,J,J,pn0,pn0,nP0,nP0,2.3.2 p-n結(jié)的直流特性 * 理想p-n結(jié)的I-V特性 “理想”: 非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體; 小注入; 耗盡層近似; 勢(shì)壘區(qū)無復(fù)合中心影響. 電流與電壓有整流特性關(guān)系 : (純粹是少數(shù)載流子擴(kuò)散的電流！) J JP + Jn JS exp( qV / kT ) 1 反向飽和電流密度 JS =(q DP pn0 / LP) + (q Dn nP0 / Ln

10、) = q (DP / LP ND) + (Dn / Ln NA ) ni2 ni2 .,通過理想p-n結(jié)的電流, 無論是正向電流, 還是反向電流, 都是少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流 ; 是注入的少數(shù)載流子在中性區(qū)擴(kuò)散形成的電流, 有效范圍是少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度大小.,1.影響pn結(jié)電流電壓特性偏離理想方程的各種因素,偏離情況： 反向電流較大且不飽和； 正向電流較小時(shí)，實(shí)際電流大于理論值。 (a)段 正向電流較大時(shí)，實(shí)際值比理論值小，有Jexp(qV/2k0T)的關(guān)系 (c)段 在更大的電流時(shí)，電流電壓不再是指數(shù)關(guān)系，而是線性關(guān)系。 (d)段,2.3.2 實(shí)際p-n結(jié)的I-V特性,當(dāng) V = 0 時(shí)，

11、Jgr = 0,當(dāng) V kT/q 時(shí)，,當(dāng) V kT/q 時(shí)，,a.勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生復(fù)合電流,復(fù)合電流,產(chǎn)生電流,正偏,反偏,2、實(shí)際pn結(jié)中勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生-復(fù)合電流,當(dāng)外加正向電壓且 V kT/q 時(shí)，,當(dāng) V 比較小時(shí)，以 Jr 為主； 當(dāng) V 比較大時(shí)，以 Jd 為主。,對(duì)于硅 PN 結(jié)，當(dāng) V 0.45V 時(shí)，以 Jd 為主。,b、擴(kuò)散電流與勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生復(fù)合電流的比較( P+N 結(jié)為例),實(shí)際pn結(jié)中電流小結(jié),通過p-n結(jié)的三種電流成分 (不考慮p-n結(jié)電容的效應(yīng)): 少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流 I擴(kuò)散 = IS exp ( q V / kT ) 1 , IS = (q A DP pn0 / LP) +

12、 (q A Dn nP0 / Ln) = q A (DP / LP ND) + (Dn / Ln NA ) ni2. 勢(shì)壘區(qū)中的復(fù)合電流 (在低的正向電壓時(shí)重要) I復(fù)合 = ( q A ni W / 2r )exp ( q V / 2kT ). 勢(shì)壘區(qū)中的產(chǎn)生電流 (在反向電壓時(shí)重要) I產(chǎn)生 = ( q A ni W / g ).,大注入效應(yīng): -大注入是指正偏工作時(shí)注入載注子密度等于或高于平衡態(tài)多子密度的工作狀態(tài)。 A.大注入時(shí)邊界處的少子濃度: 大注入時(shí)有 pn(xn) nn ,nP(-xP) pP , 代入到 pn = ni2 exp ( q V / kT ) 中, 得到大注入時(shí)的邊

13、界條件為: pn(xn) = ni exp (qV / 2kT), nP(-xP) = ni exp (qV / 2kT) . 與電壓的關(guān)系變小 ( 由kT2 kT ) ; B.大注入自建電場(chǎng): 使少子擴(kuò)散系數(shù)加倍; 用2D代替D; 用ni exp(qV / 2kT ) 代替 pn0 exp(qV / kT) 或 nP0 exp(qV / kT). 得到大注入時(shí)的電流 exp(qV / 2kT ) , 即在大電流下電流隨電壓增加的速率減小. C.串聯(lián)電阻壓降IR: 使勢(shì)壘上的電壓實(shí)際降低為(V-IR), 這在電流很大時(shí)影響十分顯著.,2.3.4 大注入時(shí)p-n結(jié)的I-V特性,這相當(dāng)于空穴電流仍

14、只由擴(kuò)散電流構(gòu)成，但擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)大了一倍。這個(gè)現(xiàn)象稱為 Webster 效應(yīng)。,大注入條件下的 PN 結(jié)電流,將大注入自建電場(chǎng)代入空穴電流密度方程，得,由此可見，當(dāng)發(fā)生大注入時(shí)，PN 結(jié)的電流電壓關(guān)系為,這時(shí)，PN 結(jié)的 lnI V 特性曲線的斜率，將會(huì)從 小注入時(shí)的 ( q/kT ) 過渡到 大注入時(shí)的 ( q/2kT ) 。,* 理想p-n結(jié)的小信號(hào)等效電路 耗盡層電容 CJ = A/ W . 擴(kuò)散電容 CD = A (q / kT) (q LP pn0 / 2 ) + (q Ln nP0 / 2 ) exp(qV0/kT) . 擴(kuò)散電導(dǎo) GD = A (q / kT) (q DP pn0

15、/ LP ) +(qDn nP0/ Ln ) exp(qV0/kT) .,GD,CD,CJ,V,I,2.5 p-n結(jié)的開關(guān)特性 * 開態(tài) 注入非平衡少數(shù)載流子 等量的過剩電子電荷和過?？昭姾傻拇鎯?chǔ): 注入電流 IF 越大, 少子壽命越長(zhǎng), 存儲(chǔ)的電荷也就越多. * 瞬變過程 開啟過程較快, 則開關(guān)時(shí)間主要決定于從開態(tài)到關(guān)態(tài)的過程: 反向電流恒定階段 (存儲(chǔ)時(shí)間ts的過程): 處于反向低阻狀態(tài); 存儲(chǔ)電荷通過反向 抽取和自身復(fù)合而減少;存儲(chǔ)時(shí)間為 ts = P ln ( 1 + IF / IR ) . 反向電流衰減階段(下降時(shí)間tf的過程): 已進(jìn)入反向高阻狀態(tài);是p-n結(jié)上反向 偏壓逐漸上升

16、、勢(shì)壘電容充電的過程; 可有 tf (P + R CJ ) .,ts,tf,IF,- IR,t,I,曲線 1 4 為存儲(chǔ)過程，即 ts 期間，,這期間 Ir 變化不大。,E1,-E2,I,0,ts,* 提高開關(guān)速度的措施 減短少數(shù)載流子壽命 (引入Au等復(fù)合中心雜質(zhì) 或缺陷); 減短基區(qū)的長(zhǎng)度 (等效于使P); 在線路上, 使 IF 小 (存儲(chǔ)電荷少), 使IR大 (存儲(chǔ)電荷消失快); 徹底避免電荷存儲(chǔ) (如采用多數(shù)載流子工作的 金屬-半導(dǎo)體接觸的二極管).,t = 0,t = ts,x,pn(x),p-n結(jié)的關(guān)斷過程 ( 少子存儲(chǔ)電荷的衰減過程 ),t = tf,2.6 PN 結(jié)的擊穿,雪崩

17、倍增 隧道效應(yīng) 熱擊穿,擊穿現(xiàn)象,擊穿機(jī)理：,電擊穿,* 兩種擊穿機(jī)理 隧道擊穿 ( Zener擊穿 ): 是量子隧穿效應(yīng); 擊穿電壓主要與勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)、摻雜濃度、勢(shì)壘高度和勢(shì)壘厚度有關(guān). 雪崩擊穿: 是熱載流子碰撞電離、倍增的效應(yīng); 擊穿電壓主要由載流 子從電場(chǎng)所獲得的能量來決定. 擊穿效應(yīng)的利用: 例如 穩(wěn)壓二極管, 反向二極管, IMPATTD, APD .,( 隧穿效應(yīng) ),( 雪崩倍增 ), 兩種擊穿機(jī)理的比較 ,隧道擊穿 擊穿電壓主要決定于勢(shì)壘區(qū)的 電場(chǎng); 擊穿電壓與外激發(fā) (使勢(shì)壘區(qū)載 流子數(shù)目增加) 關(guān)系不大; 擊穿電壓為負(fù)溫度系數(shù) (溫度時(shí), Eg, 擊穿電壓); 擊穿電壓很

18、低 (一般是 4V).,雪崩擊穿 擊穿電壓主要決定于熱載流子所獲 得的能量(與勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)和寬度 有關(guān)); 擊穿電壓與外激發(fā)關(guān)系很大; 擊穿電壓為正溫度系數(shù) (溫度時(shí), 晶格散射使載流子損失的能量); 擊穿電壓可以很高 (一般是 6V ).,附 Schottky勢(shì)壘,金 屬,金 屬,qs,q,qm,qVbi,qn,金 屬,qVbi,qn,q,qm,理想的M-S接觸 (熱平衡),實(shí)際的M-S接觸 (熱平衡),qo,第三章 雙極型晶體管（BJT）,基本工作原理 直流特性 雙極型晶體管模型 頻率特性 功率特性 開關(guān)特性 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 晶閘管,3.1 雙極結(jié)型晶體管工作原理,PN 結(jié)正向電流的來

19、源是多子，所以正向電流很大；反向電流的來源是少子，所以反向電流很小。 如果給反偏 PN 結(jié)提供大量少子，就能使反向電流提高。給反偏 PN 結(jié)提供少子的方法之一是在其附近制作一個(gè)正偏 PN 結(jié)，使正偏 PN 結(jié)注入的少子來不及復(fù)合就被反偏 PN 結(jié)收集而形成很大的反向電流。 反向電流的大小取決于正偏 PN 結(jié)偏壓的大小。 通過改變正偏 PN 結(jié)的偏壓來控制其附近反偏 PN 結(jié)的電流的方法稱為 雙極晶體管效應(yīng). 由此發(fā)明的雙極結(jié)型晶體管獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。,* 基本結(jié)構(gòu) * 構(gòu)成: 由2個(gè)p-n結(jié)(集電結(jié)、發(fā)射結(jié))背靠背組成, 形成 n-p-n 或 p-n-p 三層結(jié) 構(gòu)(三個(gè)區(qū)：發(fā)射區(qū)-基區(qū)-集

20、電區(qū)，三個(gè)電極：發(fā)射極-基極-集電極). 放大工作時(shí): 發(fā)射結(jié)正偏 (則發(fā)射結(jié)電阻re很小 ); 集電結(jié)反偏 (則集電結(jié) 電阻rC 很大 ). 制造: Si晶體管常采用平面工藝 (外延, 氧化, 光刻, 擴(kuò)散, ).,低阻襯底,外延層(集電區(qū)),E,B,B,C,(基區(qū)),(發(fā)射區(qū)),n+,p,n,E,C,B,B,C,E,VBE,+,+,VBC,RL,IC,IE,IB,qVBE,qVBC,C,B,E,要點(diǎn)： re RL rc ； 基區(qū)寬度少子擴(kuò)散長(zhǎng)度； IC IE ，輸出IC RL很大放大。,RL,3.1.2 晶體管的放大作用,一個(gè)理想的BJT的能帶圖.,三個(gè)區(qū)的雜質(zhì)濃度分布，發(fā)射區(qū)最重的摻雜，

21、基極摻雜濃度小于發(fā)射區(qū)，大于集電結(jié)。,放大模式,發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏情況下的能帶圖。,3.2.1 晶體管的放大情況,晶體管放大電路有兩種基本類型：共基極接法 與 共發(fā)射極接法。,B,E,C,B,P,N,P,NE,NB,NC,IE,IB,IC,E,C,B,N,P,IE,IB,P,E,NE,NB,NC,IC,以 PNP 管為例。忽略勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生復(fù)合電流， 處于放大狀態(tài)的晶體管內(nèi)部的各電流成分如下圖所示，,從 IE 到 IC ，發(fā)生了兩部分虧損：InE 與 Inr 。,要減小 InE ，就應(yīng)使 NE NB ；,要減小 Inr ，就應(yīng)使 WB LB 。, BJT中的電流成分： (設(shè)發(fā)射結(jié)耗盡層中的復(fù)合

22、電流為IE R） IE = IE n + IE p + IE R ， IC = IC n + ICBO ， IB = IE p + IE R +（IE n ICn） ICBO， IE = IC + IB 。 電流增益： 共基極(輸出直流短路)電流增益 0 hFB = IC n / IE = T ， 注射效率 IE n / IE ， 輸運(yùn)系數(shù)T IC n / IE n ； 則 IC = 0 IE + ICBO . 共發(fā)射極(直流短路)電流增益 0 hFE = IC /IB =0 / (10 ) ， ICEO = ICBO /(10 ) = (1 + 0 ) ICBO , 則 IC = 0 IB

23、+ ICEO.,3.2.2 均勻基區(qū)晶體管中載流子濃度分布,（1）基區(qū)必須很薄，即 WB LB ?？衫?基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)對(duì)其進(jìn)行定量分析；,要使晶體管區(qū)別于兩個(gè)反向串聯(lián)的二極管而具有放大作用，晶體管在結(jié)構(gòu)上必須滿足下面兩個(gè)基本條件：,（2）發(fā)射區(qū)雜質(zhì)總量遠(yuǎn)大于基區(qū)雜質(zhì)總量，當(dāng) WE 與 WB 接近時(shí)，即要求 NE NB ?？衫?發(fā)射結(jié)注入效率 對(duì)其進(jìn)行定量分析。,本節(jié)的討論以 PNP 管為例。,載流子分布 Carrier distribution,3.2.2 理想BJT中載流子濃度的分布： * 中性基區(qū)(0W)中電子的分布: np(x) = np0 + nP0 (expqVBE/kT1)sin

24、h(W-x)/Ln / sinh(W/Ln) + nP0 (expqVBC/kT1)sinh(x/Ln) / sinh(W/Ln) , 在WkT/q的有源放大區(qū), 可簡(jiǎn)化為 np(x) np0 + nP0 expqVBE / kT ( 1 - x / W ) = np0 + nP(0) ( 1 - x / W ) , 這時(shí)基區(qū)少子濃度的分布由發(fā)射結(jié)處的最大值nP(0)而線性下降到集電結(jié)邊緣處的0. * 同樣, 可求出E區(qū)和C區(qū)中的少子分布pE (x)和pC (x)與電壓的關(guān)系.,3.2.3 理想(均勻基區(qū))BJT的電流電壓關(guān)系,電流,一、理想BJT中載流子濃度的分布： * 中性基區(qū)(0W)中電

25、子的分布: 在WLn時(shí)近似為線性分布: np(x) np0 + nP0 ( exp q VBE / k T 1 ) ( 1 - x / W ) + nP0 ( exp q VBC / k T 1 ) ( x / W ) ; * E區(qū)和C區(qū)中的少子分布pE (x)和pC (x)與電壓的關(guān)系.,二、理想BJT的電流,pnp結(jié): 基區(qū)內(nèi)電子濃度分布：,理想BJT：假定發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)都是均勻摻雜，小注入，耗盡區(qū)內(nèi)無產(chǎn)生-復(fù)合電流，器件中不存在串聯(lián)電阻。,x,0,-XE,W,XC,集電極電流：,發(fā)射極電流：,考慮薄基區(qū)，WB LB ，可得：,E區(qū)和C區(qū)中的少子分布pE (x)和pC (x)：,注入

26、發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的空穴電流,注入發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的空穴電流分別為：,三、電流基本方程,npn管所有工作狀態(tài)普遍適合的方程： (規(guī)定注入晶體管的電流為正),a i j參數(shù): a 11 = - q A ( Dn / NBW ) + ( DPE / NELE ) ni2 ; a 12 - q A ( Dn / NBW ) ni2 ; a 21 = a 12 ; a 22 = - q A ( Dn / NBW ) + ( DPC / NCLC ) ni2 .,小結(jié) 理想BJT的電流電壓關(guān)系： * 根據(jù) np (x) , 即可求得擴(kuò)散流過E結(jié)的電子電流 IE n 以及擴(kuò)散流過C結(jié)的 電子電流 IC n分別與

27、電壓的關(guān)系; 并且在一定電壓下, 窄基區(qū)晶體管的 電流為常數(shù) (因?yàn)檫@時(shí)少子濃度的梯度等于常數(shù)). *由pE (x)和pC (x) ,可得到注入E區(qū)和C區(qū)的空穴電流IEP和ICP與電壓的關(guān)系. * 輸入和輸出伏安特性為 ( a i j 為與材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù) ) : IE = IE n + IE p = a11exp(qVBE/kT) - 1 + a12exp(qVBC/kT) - 1, IC = IC n + IC p = a21exp(qVBE/kT) -1 + a22exp(qVBC/kT) - 1, IB = IE - IC = (a11-a21)exp(qVBE/kT) - 1 +

28、 (a12-a22)exp(qVBC/kT) - 1, * 可求得電流增益o 和o 與材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系.,3.2.4 BJT的放大工作狀態(tài)的分析 一、四種工作狀態(tài) 放大狀態(tài) E結(jié)正偏, C結(jié)反偏. 截止?fàn)顟B(tài) E結(jié)反偏 (或0偏), C結(jié)反偏; 2個(gè)結(jié)流過的是反向 電流 ( IB = ICBO + IEBO ); 為大電壓、小電流的狀態(tài). 飽和狀態(tài) E結(jié)正偏, C結(jié)正偏 (或0偏); 為低電壓、 大電流的狀態(tài), IC基本上不隨輸入電流IB而變化 ( IC VCC / RL ). 反向放大狀態(tài) E結(jié)反偏, C結(jié)正偏. 即把器件反向使用, C結(jié)的注射 效率通常很低.,定義：基區(qū)中到達(dá)集電結(jié)的

29、少子電流 與 從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的少子形成的電流之比， 稱為 基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)，記為 。對(duì)于 PNP 管，為,由于少子空穴在基區(qū)的復(fù)合，使 JpC JpE ， 。,3、基區(qū)輸運(yùn)系數(shù),對(duì)于npn管，基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)：,( x 很小時(shí)),式中， 即代表了少子在基區(qū)中的復(fù)合引起的電流虧損所占的比例。要減少虧損，應(yīng)使 WB，LB。,4. 發(fā)射結(jié)注入效率,定義：從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的少子形成的電流 與 總的發(fā)射極電流之比，稱為 注入效率（發(fā)射效率），記為 。對(duì)于 PNP 管，為,發(fā)射結(jié)的注射效率：,當(dāng) WB LB 及 WE LE 時(shí)，,為提高 ，應(yīng)使 NE NB ，即（NB /NE） 1 ，則上式可近似寫為,小結(jié) 理

30、想BJT放大狀態(tài)的性能分析 ( VBE 0, VBC 0 ) IE a11exp(qVBE/kT) -1 + a12 , IC a21exp(qVBE/kT) -1 + a22 ; IC = (a21/a11) IE + a22 - (a21 a12 / a11) 0 IE + ICBO , 則 0 = (a21/a11)1 / 1+ (E W/BLpE) 1- (W2 / 2LnB2), = 1 / 1+ (E W /B LpE ), T = 1 (W2 / 2LnB2) ; 對(duì)于淺發(fā)射結(jié) ( WE LpE ) 有: = 1/ 1+ (E W /B WE ), 1/0 =(1 /0 ) -

31、1 (E W /B WE ) + ( W2 / 2 LnB2 ) .,例1 對(duì)理想的p-n-p晶體管, 若各個(gè)區(qū)的摻雜濃度分別是1019 cm-3, 1017 cm-3 和51015 cm-3; 又已知 DN = 1 cm2/ V-s, DP = 10 cm2/ V-s, LEN = 1.0 m, LP = 10 m, W = 0.5 m . 計(jì)算共基極電流增益.,解: 因?yàn)?1 + (DN/DP) (W/LEN) (NB/NE) -1 = 0.9995, T 1 W2/2LP2 = 0.9987, 所以 0 = T = 0.9982 .,提高BJT直流電流增益的一般考慮： 一般原則 提高注射

32、效率（增大發(fā)射結(jié)的正向電流,減小發(fā)射結(jié)的 反向注入電流,減小發(fā)射結(jié)耗盡層中的復(fù)合電流); 提高輸運(yùn)系數(shù) (減小基區(qū)的體內(nèi)和表面復(fù)合電流) . 一般技術(shù) 提高E區(qū)摻雜濃度,降低B區(qū)摻雜濃度; 減小發(fā)射結(jié)耗盡層中的缺陷和復(fù)合中心雜質(zhì); 發(fā)射區(qū)的長(zhǎng)度(E結(jié)深)需要 LPE ; 減小基區(qū)寬度; 增大基區(qū)中載流子的壽命和遷移率,使擴(kuò)散長(zhǎng)度增大; 減小發(fā)射結(jié)和基區(qū)表面的復(fù)合電流 .,一、發(fā)射區(qū)重?fù)诫s的影響,重?fù)诫s效應(yīng)：當(dāng)發(fā)射區(qū)摻雜濃度 NE 太高時(shí)，不但不能提高注入效率 ，反而會(huì)使其下降，從而使 和 下降。,原因：發(fā)射區(qū)禁帶寬度變窄 與 發(fā)射區(qū)俄歇復(fù)合增強(qiáng) 。,1、發(fā)射區(qū)重?fù)诫s效應(yīng),3.2.5 影響B(tài)JT

33、直流放大系數(shù)的因素,二、非理想BJT小電流增益下降的主要原因 Sha效應(yīng) 發(fā)射結(jié)勢(shì)壘區(qū)的復(fù)合電流 IE r 使注射效率降低: 因?yàn)镋結(jié)復(fù)合電流 IER exp qVBE /2kT, 而 IC exp qVBE / kT , 則當(dāng)VBE 很小時(shí), IER在IB中將占主要成分; 于是有 0 exp 1- (1/2)qVBE / kT. 故在IC很小時(shí), E結(jié)中的復(fù)合將使0下降 Sah效應(yīng). 基區(qū)的表面復(fù)合電流 ISR 基區(qū)表面復(fù)合項(xiàng)為 ISR / IE n Aeff s W / (A Dn) , 則輸運(yùn)系數(shù)為 T = 1 (基區(qū)體內(nèi)復(fù)合項(xiàng)) (基區(qū)表面復(fù)合項(xiàng)) = 1 W2/ 2Ln2 Aeff

34、s W / (A Dn) . 在小電流時(shí), 表面復(fù)合的影響比較重要.,3.3.2 非理想BJT的一些重要效應(yīng) (1) 基區(qū)擴(kuò)展電阻效應(yīng) * 基區(qū)擴(kuò)展電阻 是在發(fā)射區(qū)的正下方、與結(jié)面平行的電阻(二個(gè)2rbb的并聯(lián)),因?yàn)镮B在 發(fā)射區(qū)下方是不均勻的(在流向發(fā)射極中央時(shí)不斷減小),故為擴(kuò)展電阻. 總的基極電阻rb是二個(gè) ( 2rbb + RDB ) 的并聯(lián), RDB是歐姆電阻. 擴(kuò)展電阻上的橫向電壓為 Vbb = rbb IB . * 減小基極電阻rb的途徑 減小E-B間距 ; 提高基區(qū)摻雜濃度; 減小基極歐姆接觸電阻.,(2)非理想BJT的發(fā)射極電流集邊效應(yīng) : * 發(fā)射極電流集邊效應(yīng) (基極電

35、阻自偏壓效應(yīng)) 現(xiàn)象：在大電流時(shí), 橫向電壓Vbb將明顯改變各點(diǎn)的電壓VEB E極注入 電流密度從邊緣至中央指數(shù)下降 ( IE = I0 exp(qVBE/kT ), 當(dāng)VEB 減小kT/q 時(shí), IE 降為IE /e ) 在Vbb kT/q 時(shí), IE 將集中在發(fā)射結(jié)邊緣附近 電流 集邊效應(yīng)(基極電阻引起的橫向電壓所致), 使得發(fā)射極有效寬度減小 (存 在發(fā)射極有效條寬). 影響：發(fā)射結(jié)邊緣處電流密度易產(chǎn)生基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)和基區(qū)展寬 效應(yīng), 同時(shí)使發(fā)射結(jié)的有效利用面積晶體管最大電流容量取決于發(fā)射極周長(zhǎng)存在發(fā)射極單位周長(zhǎng)電流容量, 極大地影響晶體管的功率特性. * 降低電流集邊效應(yīng)的方法 限制

36、電流 (因?yàn)榇箅娏鲿r(shí)容易產(chǎn)生集邊效應(yīng)); 基區(qū)摻雜NB不能太低; 采用高的發(fā)射極周長(zhǎng)/面積比的結(jié)構(gòu)(梳狀結(jié)構(gòu)有很高的周長(zhǎng)/面積比).,(3)非理想BJT的Early效應(yīng) (基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)) : * 現(xiàn)象 在放大態(tài), VCB變化 C結(jié)寬度變化 基區(qū)寬度W變化 Early效應(yīng). 該效應(yīng)將使增益變化和輸出電阻降低. * Early電壓 因?yàn)?IC IEn , 則有 = - Ic pp(W) - Ic / VA , 其中VA稱為Early電壓: VA = Pp(x) dx = QB / Cjc , 基區(qū)多子電荷總量QB = qA pp(x) dx , = Cjc (C結(jié)小信號(hào)電容),1,pp(x)

37、dx,W,VBC, pp(W) W/VBC ,W,0,W,0,dQB,dVBC, IC,VBC,0,W,* Early電壓VA 的圖解確定 因VA與VCB近似無關(guān), 故VA常取VCB= 0 時(shí)的值; 再根據(jù) = ， 即可由共發(fā)射極 輸出特性曲線來 確定 VA .,d IC,dVBC,IC,VA,0,-VA,VCE,IE = 0,IE 0, VBC = 0,IC,VCE,IC,IC,(4) 非理想BJT的Kirk效應(yīng) (基區(qū)展寬效應(yīng)) * 現(xiàn)象: 在大電流時(shí),基區(qū)發(fā)生展寬的現(xiàn)象即為Kirk效應(yīng). * 影響: 基區(qū)存儲(chǔ)少子電荷增加; 0下降; 頻率特性變差. 嚴(yán)重 影響晶體管的高頻功率特性. *

38、改進(jìn)方法: 保證 “集電極電流密度 臨界電流密度 Jco q vs NC ”. 提高C區(qū)摻雜濃度; 減小C區(qū)厚度; 設(shè)定集電極最大允許工作電流.,B (p),C (n),勢(shì)壘區(qū),x,E,？,(5) 非理想BJT的Webster效應(yīng)(基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)) : * 現(xiàn)象: 當(dāng)VBE 較大、大注入電子時(shí) 基區(qū)中也有大量的空穴積累 (并維 持與電子相同的濃度梯度), 這相當(dāng)于增加了基區(qū)的摻雜濃度, 使基區(qū)電阻 率下降 基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) 注射效率降低, 0下降 Webster效應(yīng). * 電阻率的變化: 若原來p型基區(qū)的電阻率為 0 (q p NB)-1 , 大注入時(shí), pP = NB + p = NB +

39、 n , 則電阻率變?yōu)?= q p ( NB + n ) - 1 = 0 NB / ( NB + n ) . 可見: 大注入可使電阻率大大降低, 而且注入越大, 降低得越多. 這對(duì)大電 流狀態(tài)下工作的均勻基區(qū)晶體管的影響特別嚴(yán)重 (是引起大電流0下降 的主要原因)., 0 IC 的關(guān)系曲線: 小電流時(shí), 0 隨 IC 的增大而上升( 0 IC ( 1 - 1/m ) ) ; 中等電流時(shí), 0 與 IC 無關(guān); 大電流時(shí), 0 隨 IC 的增大而下降 ( 0 1/ IC , Webster效應(yīng)+Kirk效應(yīng)). 注: 均勻基區(qū)的合金管容 易發(fā)生Webster效應(yīng); 而緩變基區(qū)的平面管 容易發(fā)生K

40、irk效應(yīng).,IC,0,E結(jié)復(fù)合 等電流,大注入,3.3.3 非理想BJT的擊穿效應(yīng) (擊穿電壓BV) : * 擊穿電壓 是集電極反向電流急劇增加時(shí)的反向VCB 或 VCE值. 大多為雪崩擊穿. 通常需要定義和測(cè)量下列擊穿電壓： BVCBO：發(fā)射極開路，集電極基極擊穿電壓 BVEBO：集電極開路，發(fā)射極基極擊穿電壓,BVCEo ：基極開路時(shí)，C-E之間的擊穿電壓.,由于內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)構(gòu)不同，BJT的擊穿電壓按以下兩種情況分別討論。 1.BJT的兩個(gè)PN結(jié)中，一個(gè)結(jié)反偏，另一個(gè)PN結(jié)處于不同狀態(tài)時(shí)的雪崩擊穿或隧道擊穿。 2.基區(qū)穿通。在未出現(xiàn)雪崩擊穿或隧道擊穿條件下，集電結(jié)或發(fā)射結(jié)上反偏電壓增加到一

41、定數(shù)值時(shí)，由于空間電荷區(qū)的展寬，導(dǎo)致發(fā)射結(jié)和集電結(jié)在基區(qū)穿通 .習(xí)慣上將此時(shí)的外加電壓稱為擊穿電壓。 * 擊穿特性 有硬擊穿、軟擊穿，甚至有負(fù)阻型的擊穿.,非理想BJT的穿通效應(yīng) (穿通電壓VPT) :,中性區(qū)被耗盡，,能帶圖顯示穿通狀態(tài),* 基區(qū)穿通電壓 是基區(qū)寬度減小到0時(shí)的VCB值. 因基區(qū)穿通后,發(fā)射結(jié)即變?yōu)榉雌?引起雪崩擊穿,則晶體管的耐壓受到此穿通電壓的限制: BVCBo = BVEBo + VPT = BVCEo . 在基區(qū)寬度小和摻雜低時(shí),容易發(fā)生穿通而非雪崩擊穿. 對(duì)均勻基區(qū)晶體管有: VPT ( q / 2) ( NB / NC ) ( NB + NC ) WB2 . *

42、 外延層穿通電壓 是雙擴(kuò)散外延平面晶體管中發(fā)生外延層穿通時(shí)的VCB電壓.一旦穿通后, 與低阻襯底構(gòu)成的 p+ - n+ 結(jié)隨即發(fā)生擊穿. 為了防止外延層穿通,外延層的厚度應(yīng)該足夠大.,例：試確定集摻雜濃度和集電區(qū)寬度，以滿足穿通電壓的要求。,有一均勻摻雜的硅雙極晶體管，基區(qū)寬度為0.5m，NB1016cm-3,穿通電壓期望值為25V。,共基極情況,正向有源模式(Active mode)是 BEJ 正偏，CBJ 反偏。,飽和發(fā)生在BEJ 正偏， CBJ 正偏。,當(dāng)IE=0, 器件工作在截止?fàn)顟B(tài), IC 是集電結(jié)的反向漏電流.,3.3.4 晶體管的輸出特性,共發(fā)射極,飽和狀態(tài)發(fā)生在發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均

43、正偏的情況下。,正向有源模式對(duì)于線性放大器中是最有用的。,飽和模式和截止模式對(duì)于開關(guān)器件中最有用的。,當(dāng) VBC = 0 時(shí)，,在放大區(qū)，VBC 0 ，且當(dāng) 時(shí)，,ICBO 代表發(fā)射極開路 ( IE = 0 )、集電結(jié)反偏 ( VBC 0 ) 時(shí)的集電極電流，稱為共基極反向截止電流。,式中，,當(dāng) VBC = 0，或 VBE = VCE 時(shí)，,在放大區(qū)，VBC 0 ，或 VBE VCE ，,ICEO 代表基極開路 ( IB = 0 ) 、集電結(jié)反偏 ( VBC 0 ) 時(shí)從發(fā)射極穿透到集電極的電流，稱為共發(fā)射極反向截止電流，或共發(fā)射極穿透電流。,BJT的輸入直流特性曲線：,VCB =5V,IE,

44、VBE,0,VCB =1V,0.8V,VBE,IB,0,ICBO,VCE =0,VCE =5V,0.7V,共基極輸入特性,共發(fā)射極輸入特性,在VCB一定時(shí), 有指數(shù)規(guī)律, 類似正向p-n結(jié)的特性; 與單個(gè)p-n結(jié)不同的是, VCB對(duì)IE VBE關(guān)系有影響 (Early效應(yīng)).,VCE = 0時(shí): 相當(dāng)于2個(gè)正向pn結(jié)并聯(lián), 類似pn結(jié)的特性; 而且這時(shí)2個(gè)p-n結(jié)上的偏壓均為0, 晶體管中無電流, 故 IB = 0 . VCE增大時(shí): 因Early效應(yīng)而基區(qū)寬度, 使基區(qū)少子的復(fù)合電流減小, 則IB; 若VBE = 0, 但，VCB 0, 故 IB = - ICBO ., BJT的輸出直流特性

45、曲線：,0,VCB,IC,IE= 0,IE,ICBO,BVCBO,VCE,IC,IB,ICEO,BVCEO,0,IB= 0,共基極輸出特性,共發(fā)射極輸出特性, IE = 0 (發(fā)射極開路) 時(shí), 即為集電結(jié)的反向特性, 則IC = ICBO IE 增加時(shí), IC = O IE IE ; IE 一定時(shí), IC基本恒定, 不隨VCB變化; VBc降低為正時(shí), C結(jié)收集能力下降, IC迅速減小., IB = 0 (基極開路) 時(shí): IC = ICEO = (1+0) ICBO ICBO IB增加, IC = 0 IB 增大. VCE增大時(shí), 由于Early效應(yīng), 使0增大, 則特性曲線是傾斜的. 當(dāng)

46、VCE降低到C結(jié)為正時(shí), C結(jié)收集能力下降, IC即迅速減小.,一、正向有源區(qū) (VBE0, VBC0),電路模型,二、反向有源區(qū) (VBE0),IE: 電子從集電極注射到基極,被發(fā)射極收集,IB: 空穴從基區(qū)注射到集電區(qū)，在集電區(qū)中與電子復(fù)合,三、截止區(qū) (VBE0),IE: E區(qū)的空穴注射到B區(qū).,IC: C區(qū)的空穴注射到B區(qū)。,這里有少量的漏電流(10-12A),四、飽和區(qū) (VBE0,VBC0),IC,IE:平衡下，電子由C區(qū)到B區(qū)和E區(qū)到B區(qū)的電流。,IB:空穴注射到E/C, 分別與 E/C中發(fā)生復(fù)合,基極電流變化時(shí)，集 電極電流沒有變化.,3.4 BJT的頻率特性,當(dāng)晶體管對(duì)高頻信

47、號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，首先用被稱為 “偏置” 或 “工作點(diǎn)” 的直流電壓或直流電流使晶體管工作在放大區(qū)，然后 把欲放大的高頻信號(hào)疊加在輸入端的直流偏置上。,當(dāng) 信號(hào)電壓的振幅遠(yuǎn)小于 ( kT/q ) 時(shí)，稱為 小信號(hào)。這時(shí)晶體管內(nèi)與信號(hào)有關(guān)的各電壓、電流和電荷量，都由直流偏置和高頻小信號(hào)兩部分組成，其高頻小信號(hào)的振幅都遠(yuǎn)小于相應(yīng)的直流偏置。各高頻小信號(hào)電量之間近似地成 線性關(guān)系。,跨導(dǎo)：代表集電極電流受發(fā)射結(jié)電壓變化的影響，也稱晶體管的 轉(zhuǎn)移電導(dǎo) 。,根據(jù)發(fā)射極增量電阻 re 的表達(dá)式，gm 與 re 之間的關(guān)系為,由直流電流電壓方程，當(dāng)集電結(jié)反偏時(shí)，跨導(dǎo)可表為 ：,3.4.1 BJT的小信號(hào)交流等效

48、電路:,輸入電導(dǎo)： gBE = IB / VBE = (IC /0) / VBE = gm / 0 .,共基極交流輸出短路電流 放大倍數(shù)：,電流增益,f,f,f,fT,0,0 = 1,3dB,3dB,共發(fā)射極交流輸出短路電流 放大倍數(shù)：,電流增益的數(shù)值常用分貝 （dB）表示，即,1.共發(fā)射極輸出端交流短路時(shí)高頻小信號(hào)電流放大倍數(shù)：,VBE,gmVBE,E,E,C,B,1/gBE,CE,C,rB,iB , iC,B,高頻 等效電路, = gBE /(CE+C) , C= (1+ rC gm ) Cjc .,3.4.2 BJT的頻率參數(shù): 共發(fā)射極截止頻率f f = /2= (1/2)F + (k

49、T/qIC) (CjE + Cjc ) +C Cjc -1 . 共基極截止頻率f 可由f來求得: f = (0 +1) f. 特征頻率fT 為= 1 時(shí)的頻率. fT 0 f=(0 /2)F + (kT/qIC) (CjE + Cjc) +C Cjc -1 . 在 f f 時(shí)有 f = 0 f= fT . 最高振蕩頻率fm fm = fT / 8(rB+fT L)Cjc fT 8rB fT Cjc -1/2 . 在 f fT 時(shí)有 f Gp1/2 = fm , 故也稱fm為功率增益-帶寬乘積.,稱為 信號(hào)延遲時(shí)間，代表信號(hào)從發(fā)射極到集電極總的有效渡越時(shí)間，則 可寫為,令,定義：當(dāng) 下降到 時(shí)的

50、角頻率和頻率分別稱為 的截止角頻率 和 截止頻率，記為 和 ，即,共發(fā)射極高頻小信號(hào)短路電流放大系數(shù)及其截止頻率,的截止角頻率 和 截止頻率，記為 和 ，即,定義：當(dāng) 下降到 時(shí)的角頻率和頻率分別稱為,這時(shí) 又可表為,隨頻率的變化,在此頻率范圍內(nèi)， ic 比 ib 滯后 900 ，且 與 f 成反比，即 頻率每加倍， 減小一半。由于功率正比于電流平方，所以 頻率每加倍，功率增益降為 1/4 。,定義：當(dāng) 降為 1 時(shí)的頻率稱為 特征頻率 ，記為 fT 。,由 可解得,特征頻率的定義,因 所以 fT 可表為,對(duì)于 fa 500 MHz 的晶體管，ec 中以 b 為主，這時(shí),，故一般情況下應(yīng)減小

51、WB 。但當(dāng) WB 減小到 b 不再是 ec 的主要部分時(shí)，再減小 WB 對(duì)繼續(xù)減小ec 已作用不大，而對(duì) rbb 的增大作用卻不變。同時(shí)工藝上的難度也越來越大。,幾個(gè)主要矛盾,(1) 對(duì) WB 的要求,總結(jié)以上可知，對(duì)高頻晶體管結(jié)構(gòu)的基本要求是：淺結(jié)、細(xì)線條、無源基區(qū)重?fù)诫s、N+ 襯底上生長(zhǎng) N - 外延層。,3.6.3 開關(guān)時(shí)間 * 開關(guān)過程的圖示 延遲時(shí)間 td = t1 - t0 ; 上升時(shí)間 tr = t2 - t1 ; 存儲(chǔ)時(shí)間 ts = t4 - t3 ; 下降時(shí)間 tf = t5 - t4 .,IB,VB,QB(t),QB,t,t,t,t,(基極輸入脈沖),(基極電流),(基區(qū)

52、存儲(chǔ)電荷),IC,(集電極電流),t0,t1,t2,t3,t4,t5,開啟時(shí)間,關(guān)閉時(shí)間,0,W,np(x),QS,t2 (和t4 ),tn,tn,t3,QBS,IB1,IB2,第四章 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）,結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 GaAs-MESFET HEMT,1,場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor，F(xiàn)ET）是另一類重要的微電子器件。這是一種電壓控制型多子導(dǎo)電器件，又稱為單極型晶體管。這種器件與雙極型晶體管相比，有以下優(yōu)點(diǎn), 輸入阻抗高； 溫度穩(wěn)定性好； 噪聲?。?大電流特性好； 無少子存儲(chǔ)效應(yīng)，開關(guān)速度高； 制造工藝簡(jiǎn)單； 各管之間存在天然隔離，適宜于制作 V

53、LSI 。,JFET 和 MESFET 的工作原理相同。以 JFET 為例，用一個(gè)低摻雜的半導(dǎo)體作為導(dǎo)電溝道，在半導(dǎo)體的一側(cè)或兩側(cè)制作 PN 結(jié)，并加上反向電壓。利用 PN 結(jié)勢(shì)壘區(qū)寬度隨反向電壓的變化而變化的特點(diǎn)來控制導(dǎo)電溝道的截面積，從而控制溝道的導(dǎo)電能力。兩種 FET 的不同之處僅在于，JFET 是利用 PN 結(jié)作為控制柵，而 MESFET 則是利用金- 半結(jié)（肖特基勢(shì)壘結(jié)）來作為控制柵。,結(jié)型柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ J FET ）,肖特基勢(shì)壘柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ MESFET ）,絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ IGFET 或 MOSFET ),場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （FET）的分類, JFET的基本結(jié)構(gòu)和工作原

54、理： n 溝道JFET 襯底是低阻n型; 2個(gè)對(duì)稱的p+n結(jié)構(gòu)成柵極; 中間留有溝道(長(zhǎng)為L(zhǎng), 寬為W). 工作 電壓控制溝道的電阻 Rmin = L / qnND 2( a - x0 )W 在平衡 (不加電壓)時(shí), 溝道電阻最小; 電壓VDS和VGS都可改變柵結(jié)勢(shì)壘寬度 改變溝道電阻 從而改變 IDS .,n,P+,P+,S,D,G,G,2a,L,W,3, JFET的輸出特性： * 在VGS=0 和正常VDS 時(shí) 線性電阻段(A點(diǎn)) 溝道夾斷點(diǎn)(B點(diǎn)) 電流飽和段(C點(diǎn)) . * 在VDS 較大時(shí) 漏端柵結(jié)雪崩擊穿, 源-漏擊穿電壓BVDS 隨著反向VGS的增大 而下降. 對(duì)應(yīng)于D點(diǎn).,4,

55、VDS,IDS,IDsat,VDSat,VGS 0,VGS = 0,C,B,A,夾斷,飽和,擊穿,0,(溝道夾斷),G,G,- S,D +,BVDS,電流飽和機(jī)理: 長(zhǎng)溝道溝道夾斷; 短溝道速度飽和.,D, JFET的轉(zhuǎn)移特性: * 最大飽和漏極電流 IDSS G-S電壓為0時(shí), IDS 0, 而為 IDSS . * 夾斷電壓 VP 當(dāng)G-S電壓為負(fù)(VGS 0 ) 時(shí), 溝道變窄; 當(dāng)VGS = VP 時(shí), 溝道夾斷, IDS = 0 . 根據(jù)柵p-n結(jié)耗盡層厚度等于溝道寬度, 得: VP - q ND a2 / (20 ) ND a2 . * 由輸出特性曲線可以求得在某一定 VDS 時(shí)的轉(zhuǎn)移特性曲線. JFET的代表符號(hào):,5,VGS,IDS