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1、,Physics of Semiconductor Devices,JFET特性分析,半导体器件物理,5.2,1、JFET的静态特性2、小信号参数与等效电路3、JFET的截止频率4、沟道夹断后的JFET性能,Outline,一 JFET的静态特性,低电压时，漏极电流与电压成正比。,原点附近，曲线斜率是栅压的函数。,夹断曲线,JFET的I-V特性,多项式展开,线性区的电流-电压方程：,1、线性区,上式反映了：1、漏极电流对漏极电压的线性依赖关系；2、栅压对I-V曲线斜率的影响。,G0为没有任何耗尽层时的沟道电导,2、饱和区,在夹断点，漏极和栅极上的偏置电压的大小满足条件：,漏极电流和栅压的函数关
2、系，反映了栅压对漏极电流的控制作用，称为JFET的转移特性。,JFET的转移特性曲线,IDSS栅极电压为零时的漏极饱和电流,即使y方向为任意非均匀的杂质分布，所有JFET的转移特性都落在两条曲线之间。在放大应用当中，JFET通常工作在饱和区，并且在已知栅电压信号时，可利用转移特性求得输出的漏极电流。,实验发现：,二 小信号参数与等效电路,1、线性区漏极导纳,漏极导纳与外加栅电压的关系。这种特性使得JFET适用于作电压控制的可变电阻,2、线性区跨导,3、饱和区跨导,线性输出导纳等于饱和跨导。,跨导的理论曲线和实验曲线的比较,跨导较小时，两者吻合较好；跨导较大时，误差较大，此时需考虑靠近源端和漏端
3、的串联电阻的影响，必须对跨导理论公式进行修正。,较小,具有漏电阻和源电阻的JFET,4、交流小信号分析,交流漏电压和交流栅电压叠加到相应的直流电压上，且假设JFET能跟得上交流电压的变化：,或：,第一项展开成泰勒级数，保留直流电压和交流电压的线性项，可得：,分别表示沟道导纳和跨导,考虑源漏串联电阻的影响，其端电压-电流方程表示为：,因此：,对于小信号参数，上式改写为：,可得：,移项得到：,因此，具有串联电阻的导纳分别表示为：,可见：由于串联电阻的存在，跨导和导纳都变小,对于实际的JFET还需考虑栅极漏电流的影响。由于较大表面漏电流的存在，可以严重降低JFET的输入阻抗。,除串联电阻作用外，在栅
4、和沟道之间的PN结在反偏压下具有结电容，栅极总电容可以表示为：,平均耗尽层宽度。因子2考虑了两个PN结的作用。,结面积,在VG=0，且处于夹断条件时，平均耗尽层宽度为a/2，则夹断时的栅电容为：,为简化设计，往往用两个集总电容，即栅-漏电容Cgd和栅-源Cgs电容来表示，而不管栅电容的实际分布性质如何。此外，器件封装要在漏和源两端引起一个小电容Cds。电阻rgd、rgs表示栅极漏泄电流，通常较大，对于大多数实用的目的可以忽略不计。电阻rds为有限的漏极电阻，是由沟道长度的调制引起的，典型值在100200k。,参数说明：,小信号等效电路,简化的等效电路,简化,三 JFET的截止频率,截止频率定义
5、为不能再放大输入信号时的最高频率。当通过输入电容的电流与输出的漏极电流相等时，达到增益为1(不再放大)的条件。,简化的小信号等效电路,输入电容的电流：,输出的漏极电流：,截止频率：,？,式中用gm代替gm,（内夹断电压）,观察：,可见：截止频率为夹断电压决定,而：,四 沟道夹断后的JFET性能,夹断条件规定为两个空间电荷区在沟道中心相遇。当漏极电压进一步增加时，沟道内有更多的载流子耗尽。耗尽区的长度增加，电中性的沟道长度减小。这种现象称为沟道长度调制。在沟道中心，外加漏电压VD由耗尽区(VDVP)和电中性区(Vp)分摊。由于沟道长度减小，导致漏极电流略有增加，即夹断后电流不是饱和的，漏极电阻也不是无限的。,夹断后的沟道长度调制,漏极电流修正为：,式中：,夹断后耗尽的沟道长度增加了：,假设被耗尽的沟道向漏端和源端的扩展相等，则有：,夹断时的小信号漏极电阻可近似地用漏极电流-电压特性的斜率表示，即：,漏极电流-电压特性不是线性关系，必须对每个漏极电压情况下的漏极电阻rds进行计算以求得漏极电阻的变化。,发生雪崩击穿,JFET在高VD时发生击穿,随着漏极电压的增加，最终会导致栅-沟道二极管产生雪崩击穿，这是漏极电流突然增加所致。击穿发生在沟道的漏端，因为这里有最高的反向偏压。,VB=VD+|VG|,击穿电压表示为：,击穿时的漏电压,
