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第5章习题第5章习
第五章
思考题:
5.1 分别画出PNJFET和MESFET的截面结构图,比较其异同。
答: PNJFET和MESFET的截面结构图如图5.1所示:
相同点:都是通过调节栅极电压来控制耗尽层宽度,改变沟道电阻,从而控制漏源电流的大小。
不同点:是通过改变反偏结在轻掺杂一侧的势垒区宽度来调节沟道电阻,而是通过改变金属-半导体接触的肖特基势垒宽度来调节沟道电阻。
5.2 试述的工作原理,有哪些基本类型?
答:有如图5.2所示的四种基本类型;N沟道耗尽型、P沟道耗尽型、N沟道增强型、P沟道增强型。
的工作原理如下:以N沟道耗尽型为例,在电路中通常采用共源连接,偏置状态见图5.2。当栅极G对源极S加负电压时,栅结反偏。如果此时漏源电压VDS不变,且漏源电压为正,源端的电子将向漏端漂移形成漏源电流。改变VGS就可以改变结势垒区的宽度,即改变沟道电阻,从而改变流过漏源之间的电流。也就是说,改变栅源电压,就可以改变漏源电流。随着VGS反偏压的增加,两侧栅结耗尽层宽度也增加,位于中间的沟道宽度则减小,沟道电阻增加,漏源电流则减小。当VGS增加至沟道消失时,沟道被夹断,。这一点所对应的VGS称为夹断电压。
当VGS不变时,沟道宽度也不变,即沟道电阻不变,此时若使VDS从零开始增加,则漏源之间的电场增加,IDS亦从零开始增加。随着IDS的增加,在沟道的漏源两端将产生一个电压降,使得漏端的电位高于源端的单位。这也就是说,靠近漏端的栅结反偏的程度高于源端栅结反偏的程度,因此,漏端栅结耗尽层厚度应大于源端栅结耗尽层厚度,漏端沟道宽度应小于源端沟道宽度。但是,在VDS很小时,沟道漏源两端的电位差也很小,漏源两端沟道宽度的这种差别也很小,可以不作考虑。在这种情况下,沟道电阻可以作为一个常数,IDS随着VDS线性变化,见图5.3(a)。
当漏源电压较大时,随着漏源电压增加,IDS在沟道中的电压降逐渐变得不可忽略。漏端沟道的宽度随着VDS增加而减小,即沟道电阻随着VDS增加而增加,因此,IDS随VDS增加而增加的斜率越来越小,PNJFET的特性曲线偏离线性区而进入非饱和区,见图5.3(b)。
当VDS继续增加,超过某一数值时,使得上下栅结耗尽区连通,则沟道在漏端被夹断。漏源电流将达到某一定值,并不再随着漏源电压的增加而增加。称这一电流为饱和漏源电流,用IDSAT表示。IDS刚刚达到IDSAT 时所对应的漏源电压为饱和漏源电压,用VDSAT表示,见图5.3(c)。
VDS再继续增加,当时,因为沟道夹断起始点与源端的电位差始终等于VDSAT ,漏源电压超出VDSAT的部分,即将降落在载流子已经耗尽的沟道夹断部分,故IDS不再随VDS增大而增大。
5.3 什么是JFET的夹断电压?和本征夹断电压VP0有何不同?
答:当栅压增加到使两个栅结的耗尽层相连时,沟道区完全被耗尽层所占有。此时,沟道电荷为零,沟道电流亦为零。称这时所加的栅源电压为夹断电压,用VP表示。
本征夹断电压VP0为沟道夹断时PN结的全部电势差,而夹断电压VP实际上是沟道夹断时加在PN上的反向电压。所以有
其中,a为上述结构中沟道的半宽度。
5.4 试述MESFET的工作原理。增强型MESFET的特点是什么?
答:MESFET与JFET的工作原理相同。只是用金-半接触的肖特基结取代了PN结作为栅控电极。下面以增强型N沟MESFET为例来分析其工作原理。
在时,肖特基结的耗尽层已经扩展至半绝缘衬底,(见图5. 4 a)。所以沟道是完全夹断的。沟道有源层的宽度比零偏压下耗尽层的宽度还要小。为了沟道能够导通,栅极必须加上正的电压,使耗尽层厚度减小。如图5.4(b),当VGS增大到耗尽层宽度刚好等于N型有源层宽度时,所对应的VGS为阈值电压,用VT表示。当时,沟道导通。这时,只要漏源两端有电位差,就会有漏源电流。调节VGS的大小可以改变沟道的宽度,从而调节漏源电流的大小。
增强型MESFET的特点是,沟道有源层的厚度应和肖特基结零偏压下的耗尽层厚度相当。这一耗尽层厚度对应于肖特基结的内建电势差VD,故外加正偏栅压被限制在零点几伏特以内。
5.5 什么是沟长调制效应?对器件特性有何影响?
答:JFET达到饱和后,漏端出现夹断,若VDS进一步增大,夹断区(即空间电荷区)宽度也会扩展。从而使电中性的N沟道长度减小,漏源电流增大,不饱和。随着漏源电压的变化,使有效沟道长度发生变化,从而导致漏源电流变化这一现象称为沟道长度调制效应。
考虑沟道长度调制效应以后,饱和区电流不再是一恒定值,而是随着VDS增大而增大,可以写为
其中为沟长调制系数,其大小为。此式说明由于有效沟道长度随着VDS改变,漏源电流也随VDS改变。
5.6 什么是速度饱和效应?对器件特性有何影响?
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