半導(dǎo)體器件物理17

1、由于電子的遷移率比空穴的高，由于電子的遷移率比空穴的高，N 溝道溝道 JFET 能提供更高的電能提供更高的電導(dǎo)和更高的速度，在大多數(shù)應(yīng)用中處于優(yōu)先地位，下面的討導(dǎo)和更高的速度，在大多數(shù)應(yīng)用中處于優(yōu)先地位，下面的討論僅限于論僅限于 N 溝耗盡型溝耗盡型 JFET。基于以下幾點(diǎn)假設(shè)的。基于以下幾點(diǎn)假設(shè)的 JFET 稱為稱為理想理想 JFET： 4.2 理想理想 JFET 的的 特性特性VI 柵柵 PN 結(jié)為單邊突變結(jié)結(jié)為單邊突變結(jié) 溝道內(nèi)雜質(zhì)分布均勻溝道內(nèi)雜質(zhì)分布均勻 溝道內(nèi)載流子遷移率為常數(shù)溝道內(nèi)載流子遷移率為常數(shù) 忽略有源區(qū)以外源、漏區(qū)以及接觸上的電壓降，于是溝道忽略有源區(qū)以外源、漏區(qū)以及接觸

2、上的電壓降，于是溝道長(zhǎng)度為長(zhǎng)度為 緩變溝道近似，即空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)沿緩變溝道近似，即空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)沿 方向，而中性溝方向，而中性溝道內(nèi)的電場(chǎng)只有道內(nèi)的電場(chǎng)只有 方向上的分量方向上的分量 長(zhǎng)溝道近似：長(zhǎng)溝道近似： ，于是，于是 沿著沿著 改變很小，看作改變很小，看作是矩形溝道是矩形溝道 Lyx)2(2aL WL1線性區(qū)的電流電壓特性線性區(qū)的電流電壓特性如果在柵極相對(duì)于源極加負(fù)偏壓如果在柵極相對(duì)于源極加負(fù)偏壓 （ ），在不同的），在不同的 下，可以獲得下，可以獲得 曲線，如上圖所示。圖中電流電壓曲線，如上圖所示。圖中電流電壓特性可以用夾斷條件作為界限劃分為線性區(qū)和飽和區(qū)。特性可以用夾斷條件作為界

3、限劃分為線性區(qū)和飽和區(qū)。前面定性分析了漏極電流前面定性分析了漏極電流 與漏極電壓與漏極電壓 關(guān)系，在關(guān)系，在 較較小時(shí)，小時(shí)， 隨隨 近似呈線性增加，當(dāng)近似呈線性增加，當(dāng) 增加到夾斷電壓后，增加到夾斷電壓后， 達(dá)到飽和，幾乎不隨達(dá)到飽和，幾乎不隨 而變化。而變化。IDVDVDIDVDVDVPIDVDVG0GVVIDDVGVxVVNqxWG0d0r)(2)( 在到達(dá)夾斷條件之前（線性區(qū)）的空間電荷區(qū)的輪廓如上圖在到達(dá)夾斷條件之前（線性區(qū)）的空間電荷區(qū)的輪廓如上圖所示。根據(jù)假設(shè)，柵所示。根據(jù)假設(shè)，柵 PN 結(jié)為單邊突變結(jié)，結(jié)為單邊突變結(jié)，JFET 中中 處耗盡處耗盡層的寬度可表示為層的寬度可表示為

4、x：柵：柵 PN 結(jié)的自建電勢(shì)差結(jié)的自建電勢(shì)差 ：溝道：溝道 處電勢(shì)（以處電勢(shì)（以 處為參考點(diǎn)）處為參考點(diǎn)） ：在：在 處跨在反偏結(jié)上電壓差處跨在反偏結(jié)上電壓差V0)(xVVxVG)(0 xxx由于假設(shè)在電中性溝道中，電子分布是均勻的，電子的濃度由于假設(shè)在電中性溝道中，電子分布是均勻的，電子的濃度梯度為零，因此，漏極電流中只有電子漂移電流的成分，根梯度為零，因此，漏極電流中只有電子漂移電流的成分，根據(jù)歐姆定律有（注意一維形式）：據(jù)歐姆定律有（注意一維形式）：xxVnqZxWd)(d)( 2nxxVqNZxWd)(d)( 2nd xxVxEd)(d)(（ ）xxVAxEAId)(d)(nnDnn

5、nqnn：電子的電導(dǎo)率：電子的電導(dǎo)率：電子的遷移率：電子的遷移率)(d)(2d2D0G0d0r0ndDxVVxVVNqxZqNIVLVVVVVNqVGIG02/3G0D2/3d20rD0D232 式中，式中， 為沒有任何耗盡層時(shí)的溝道電導(dǎo)。為沒有任何耗盡層時(shí)的溝道電導(dǎo)。LNZqGdn02將將 式代入式代入 式積分，積分限式積分，積分限 ： 的有源區(qū)長(zhǎng)度；的有源區(qū)長(zhǎng)度；電壓電壓 ：L0)(xVVD0 x式式 可以很好地描述線性區(qū)（在到達(dá)夾斷條件之前）的漏極可以很好地描述線性區(qū)（在到達(dá)夾斷條件之前）的漏極電流電流 與漏極電壓與漏極電壓 的關(guān)系，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分接近。上式的關(guān)系，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分接近。上

6、式長(zhǎng)期被看作是描述長(zhǎng)溝道長(zhǎng)期被看作是描述長(zhǎng)溝道 JFET 線性區(qū)直流特性的基本方程。線性區(qū)直流特性的基本方程。IDVD事實(shí)上，在低漏極電壓下，即在事實(shí)上，在低漏極電壓下，即在 時(shí)，時(shí)， 式可式可以簡(jiǎn)化為以簡(jiǎn)化為VVVG0DVVVVGID0pG00D1上式表明，上式表明， 與與 確實(shí)是線性依賴關(guān)系。確實(shí)是線性依賴關(guān)系。 IDVD2夾斷電壓夾斷電壓在夾斷點(diǎn)在夾斷點(diǎn) 處，空間電荷區(qū)的寬度正好等于溝道的寬度，處，空間電荷區(qū)的寬度正好等于溝道的寬度，即：即： 。同時(shí)在夾斷點(diǎn)，跨過(guò)柵結(jié)的偏壓也為常數(shù)，。同時(shí)在夾斷點(diǎn)，跨過(guò)柵結(jié)的偏壓也為常數(shù)，即：即： 。 稱為夾斷電壓。因此有稱為夾斷電壓。因此有axW)(V

7、VxVpG)(VpxVxVVNqxWG0d0r)(2)(VVNqap0d0r2VNaqVV0p0rd2p02 為夾斷電壓為夾斷電壓 與自建電勢(shì)差與自建電勢(shì)差 的總和，稱為內(nèi)夾斷電壓。的總和，稱為內(nèi)夾斷電壓。V0pVpV03飽和區(qū)的電流電壓特性飽和區(qū)的電流電壓特性（1）飽和區(qū)電流電壓方程）飽和區(qū)電流電壓方程剛好達(dá)到夾斷條件時(shí)，漏極和柵極上的偏置電壓的大小滿足：剛好達(dá)到夾斷條件時(shí)，漏極和柵極上的偏置電壓的大小滿足：VVVpGD夾斷電壓夾斷電壓 為一常數(shù)，因此，對(duì)于不同的柵電壓為一常數(shù)，因此，對(duì)于不同的柵電壓 來(lái)說(shuō)，為來(lái)說(shuō)，為達(dá)到夾斷條件所需要的漏電壓達(dá)到夾斷條件所需要的漏電壓 是不同的。是不同的。

8、VpVGVD將上式在將上式在 特性圖中繪制成曲線，稱為夾斷曲線。超出特性圖中繪制成曲線，稱為夾斷曲線。超出夾斷曲線的電流電壓特性稱為飽和區(qū)，這是由于漏極電流是夾斷曲線的電流電壓特性稱為飽和區(qū)，這是由于漏極電流是飽和的。飽和的。VIDDVGVVVVVGI0p0G00pG00DS31132上式與下面的經(jīng)驗(yàn)公式非常接近上式與下面的經(jīng)驗(yàn)公式非常接近VVII0pG2DSSDS1式中，式中， 表示柵極電壓為零（即柵、源短路）時(shí)的漏極飽和表示柵極電壓為零（即柵、源短路）時(shí)的漏極飽和電流。在放大應(yīng)用當(dāng)中，電流。在放大應(yīng)用當(dāng)中，JFET 通常工作在飽和區(qū)。通常工作在飽和區(qū)。 IDSS將將 代入式代入式 ，并用到

9、，并用到 ，可得到飽，可得到飽和漏極電流和漏極電流 為為VVV0pp0VVVpGDIDS上式把漏極電流上式把漏極電流 表示為柵極電壓表示為柵極電壓 的函數(shù)，反映出了柵的函數(shù)，反映出了柵極電壓對(duì)漏極電流的控制作用，它稱為極電壓對(duì)漏極電流的控制作用，它稱為 JFET 的轉(zhuǎn)移特性。的轉(zhuǎn)移特性。IDSVG（2）飽和區(qū)漏極電流特性）飽和區(qū)漏極電流特性前面分析表明，在飽和區(qū)，不同前面分析表明，在飽和區(qū)，不同 下，漏極電流下，漏極電流 均不隨均不隨漏極電壓漏極電壓 而變化。但實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)，而變化。但實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)， 不飽和，而緩慢地不飽和，而緩慢地隨隨 增加而上升。這一現(xiàn)象可以用溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)來(lái)解釋。增加而

10、上升。這一現(xiàn)象可以用溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)來(lái)解釋。 VGIDSVDIDSVD夾斷條件規(guī)定為兩個(gè)空間電荷區(qū)在溝道中心相遇，如圖中實(shí)夾斷條件規(guī)定為兩個(gè)空間電荷區(qū)在溝道中心相遇，如圖中實(shí)線所表示的情形。當(dāng)漏極電壓進(jìn)一步增加時(shí)，溝道中更多的線所表示的情形。當(dāng)漏極電壓進(jìn)一步增加時(shí)，溝道中更多的自由載流子耗盡。結(jié)果是耗盡區(qū)的長(zhǎng)度增加，電中性的溝道自由載流子耗盡。結(jié)果是耗盡區(qū)的長(zhǎng)度增加，電中性的溝道長(zhǎng)度減小。這種現(xiàn)象稱為溝道長(zhǎng)度調(diào)制。長(zhǎng)度減小。這種現(xiàn)象稱為溝道長(zhǎng)度調(diào)制。在溝道中心，外加漏極電壓這時(shí)由耗盡區(qū)和電中性區(qū)分?jǐn)?，在溝道中心，外加漏極電壓這時(shí)由耗盡區(qū)和電中性區(qū)分?jǐn)?，由電中性的溝道區(qū)承擔(dān)電壓由電中性的溝道區(qū)承

11、擔(dān)電壓 ，并由耗盡的溝道區(qū)承擔(dān)電，并由耗盡的溝道區(qū)承擔(dān)電壓壓 。由于被減短的電中性溝道長(zhǎng)度承受著相同的電。由于被減短的電中性溝道長(zhǎng)度承受著相同的電壓壓 ，因而，對(duì)于夾斷后的任何漏極電壓，都會(huì)使漏極電，因而，對(duì)于夾斷后的任何漏極電壓，都會(huì)使漏極電流略有增加。由于這個(gè)原因，夾斷后的漏極電流不是飽和的，流略有增加。由于這個(gè)原因，夾斷后的漏極電流不是飽和的，且漏極電阻為有限。且漏極電阻為有限。VpVVpDVp考慮到溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)后，夾斷后的漏極電流可修正為考慮到溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)后，夾斷后的漏極電流可修正為VGVVVVVGI0p0G00pG00DS31132式中，式中， ，新的溝道長(zhǎng)度，新的溝道長(zhǎng)度

12、承受夾斷電壓承受夾斷電壓 。LNqaZGdn02LVp漏極電壓在夾斷后使被耗盡的溝道長(zhǎng)度增加了漏極電壓在夾斷后使被耗盡的溝道長(zhǎng)度增加了NqVVLdpD0r2/1)(2在實(shí)踐當(dāng)中通常用下面簡(jiǎn)便的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)描述器件飽和區(qū)的在實(shí)踐當(dāng)中通常用下面簡(jiǎn)便的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)描述器件飽和區(qū)的漏極電流漏極電流假設(shè)被耗盡的溝道向源端和漏端的擴(kuò)展相等，則得到假設(shè)被耗盡的溝道向源端和漏端的擴(kuò)展相等，則得到 為為L(zhǎng)NqVVLLLLdpD0r2/1)(22121從上式可以看出，在夾斷后，從上式可以看出，在夾斷后， 增加，增加， 減小，減小， 增加，增加，所以所以 增加。增加。G0IDSVDL)1 (DDSDSVII稱為溝道調(diào)制系數(shù)稱為溝道調(diào)制系數(shù) VGVVVVVGI0p0G00pG00DS31132式中：式中：（3）柵結(jié)雪