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1、第十五章 场效应导言 J-FET和MESFET,场效应 通过调节加在金属板上的电压来调节其下的半导体的电导，从而调制欧姆接触A和B之间流过的电流。这种通过加在半导体表面上的垂直电场来调制半导体的电导率的现象称为场效应。,图15-2 结型场效应晶体管,图15.3 MOS场效应晶体管,15.2 J-FET(结型场效应晶体管）,一、J-FET简介1952年，W.Shockley首次提出并分析了结型场效应晶体管。在J-FET中所加的栅电压改变了pn结耗尽层宽度，耗尽层宽度的变化，反过来调节源、漏欧姆接触之间的电导。,图15.9 现代的外延层J-FET的透视图,为分析J-FET的基本工作原理，首先设定一
2、个标准的偏置条件。VG0:pn结总是0偏或反偏 VD0：确保n区电子从源端流向漏端。通过系统地改变端电压来分析器件内发生的变化。,二、器件工作的定性理论,首先假设VG=0，分析VD逐渐增加时，从S-D的电流ID的变化（1）VD=0：器件处于热平衡，p+n结存在很小的耗尽区（2）VD缓慢增加一个较小的电压，会有电流流过n区沟道，沟道就像一个纯电阻，ID随VD的增加线性增加。（3）当VD增加到零点几伏以上时，由于从S到D逐渐增大，导 致顶部和底部的耗尽区会逐渐扩大，沟道变窄，使沟道电 阻逐渐增大，ID-VD 曲线的斜率将会减小（4）不断增大漏电压，直到靠近漏 端附近的顶部和底部的耗尽区最终 连接到
3、一起，此时沟道完全耗尽，这一条件称为“夹断”，所对应的漏 电压称为“夹断电压VDsat”(5)当VDVDsat后，随VD的增加，ID基本 保持不变，达到饱和,VG=0时J-FET的各种工作状态示意图,图15.12 ID-VD特性曲线（a)线性 漏电压很小（b)沟道变窄导致斜率变缓 中等漏电压（c)夹断和饱和现象 VDVDsat,VG0时ID-VD特性曲线会有什么变化？（1）VG0,即使VD=0,顶部和底部的p+n结都处于反偏,增加 了耗尽层宽度，而使沟道的宽度变窄，沟道电阻变 大，使ID-VD曲线中线性部分的斜率变小。（2）栅极加负偏压VG0时，夹断电压VDsat变小。（3）对于较大的负偏压V
4、G，即使VD=0，也可能使整个沟道 都处于耗尽状态。当VD=0，使整个沟道完全耗尽的栅 电压VG=VP称为“夹断栅电压”。对于VGVP，在所有 漏偏压下漏电流等于0。（如果没有击穿现象发生时）,三、定量的ID-VD关系,1、器件说明 沟道长度L，宽度Z，两冶金结间距离2a.x轴垂直沟道向下为正 y轴平行于沟道从S向D V（y)是任一点处的电势，W(y)=Wtop(y)=Wbottom(y)是任一点处的耗尽层宽度,图15.15定量分析中假设的器件结构、尺寸和坐标方向,基本假设：（1）p+n结是突变结，n区均匀掺杂浓度ND。（2）器件关于x=a平面上下对称（3）电流限制在n区的非耗尽部分且只考虑y
5、方向上的分量（4）W(y)=a也不会使p+n结击穿（5）从源端到y=0和从y=L到漏端的电压降可忽略不计。（6）La,n=ND，扩散电流分量较小,在任一点y处，流过沟道横截面内的电流,注：定义-y方向为ID正方向，V(y）只是y的函数，与x无关,（15.1),(15.2),（15.3）,ID与y无关,注：V，W都是y的函数，所以W是V的函数，求解具体 的函数关系。静电变量E，V是x和y的函数，相比之下，沿y方向上的变化比较缓慢，引入缓变沟道近似，对于沟道中,(15.4),(15.5),VA=VG-V（y)是位于给定点y处pn结上的电压降。当VD=0,VG=VP时，W=a 代入上式得出：,(15
6、.6),(15.7),(15.8),结论：夹断前,夹断后,沟道漏端出现夹断：即V（L）=VDsat，Wa,代入下式,得,与,比较,确定VDsat,VG，VP之间的关系,图15.16理论计算得到的ID-VD曲线,图15.17 实验测得的ID-VD曲线,改进的J-FET模型，包括了有效沟道和源/漏之间的体内电阻,若考虑从源端到y=0和从y=L到漏端的电压降，则J-FET可表示为,四、交流响应,低频小信号等效电路,高频小信号等效电路,双端口网络,15.3 MESFET,MESFET适用于高频应用，如工作频率超过5GHz的放大器和振荡电路中。可以作成分立器件，也可作成集成芯片，GaAsMESFET是微
7、波集成电路的核心,MESFET分为耗尽模式（D-MESFET）和增强模式（E-MESFET）,VG=0时，沟道没有完全耗尽,VG=0时，沟道已完全耗尽，必须加一个正向偏压，以减少耗尽层宽度，增加沟道电流,短沟效应,MESFET与J-FET类似，J-FET的ID-VD理论进行一点修改就适用于MESFET对于短沟道MESFET，前面的假设就变的不可靠了。因为短沟道时，沟道内的电场已很大。迁移率不再是常数。（1）可变迁移率模型,（2）饱和速度模型,（3）两区模型 在0yy1,长沟道理论成立 在y1yL，饱和速度模型,15.2,(a),(b),第十五章,15.5(a),底部的pn结宽度等于热平衡时的宽度，顶部的宽度大于a,(b),(c),(d),顶部pn结的耗尽层宽度,底部pn结的耗尽层宽度,VGB=0，所以,又根据（b)的结果,（e)VGB=0时的夹断电压比VGB=VGT时的夹断电压大,
