1、Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesJFETJFET特性分析特性分析5.25.2Physics of Semiconductor Devices1、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 OutlinePhysics of Semiconductor Devices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JFETJFET的的I-VI-V特性特性Physics of Semiconductor De
2、vices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Physics of Semiconductor Devices2、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系,反映了栅压对漏极电流的控制作用,称为JFET的转移特性。Physics of Semiconductor DevicesJFET的转移特性曲线IDSS栅极电压为零时的漏极饱和电流Physics of Semiconductor Devices即使y方向为任意非均匀的杂质分布,所有JF
3、ET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:Physics of Semiconductor Devices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Physics of Semiconductor Devices2、线性区跨导Physics of Semiconductor Devices3、饱和区跨导线性输出导纳等于饱和跨导。Physics of Semiconductor Devices跨导的理论曲线和实验曲线的比较
4、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的串联电阻的影响,必须对跨导理论公式进行修正。较小Physics of Semiconductor Devices具有漏电阻和源电阻的JFETPhysics of Semiconductor Devices4、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Physics of Semiconductor Devices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
5、,上式改写为:Physics of Semiconductor Devices可得:移项得到:Physics of Semiconductor Devices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。Physics of Semiconductor Devices除串联电阻作用外,在栅和沟道之间的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
6、的栅电容为:Physics of Semiconductor Devices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:Physics of Semiconductor Devices小信号等效电路简化的等效电路简化Physics of Semiconductor Devices三 JFET的截止频率截止频率定义为不
7、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。输入输出简化的小信号等效电路Physics of Semiconductor Devices输入电容的电流:输出的漏极电流:截止频率:?式中用gm代替gmPhysics of Semiconductor Devices(内夹断电压)观察:可见:截止频率为夹断电压决定而:Physics of Semiconductor Devices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
8、。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。Physics of Semiconductor Devices夹断后的沟道长度调制Physics of Semiconductor Devices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:Physics of Semiconductor Devices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。Physics of Semiconductor Devices发生雪崩击穿JFET在高VD时发生击穿Physics of Semiconductor Devices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