结型场效应晶体管

Junction Field-Effect Transistor（JFET）也称结型场效应管、PN结栅场效应管

用栅极 PN 结耗尽层改变导电沟道截面、以多数载流子传导电流的场效应晶体管。

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约 1 分钟

JFET 的源漏连接导电沟道，栅极与沟道构成 PN 结。反向栅偏压扩大耗尽层、缩小中性导电截面，使电流减小。漏端局部夹断通常意味着电流进入饱和区，不是整个器件立刻关断。

系统理解

约 2 分钟

以 n 沟道耗尽型 JFET 为例，VGS 定义为门电压减源电压，正常反向控制时 VGS≤0。加正漏电压后，漏端栅结的反偏大于源端，耗尽区沿沟道变宽。长沟道模型可把这种横向电势变化与纵向耗尽近似结合，解释线性区和夹断饱和；当源端也被完全耗尽时才接近门控关断。短沟道、高场、漏电和击穿等情况需要超出这一理想模型。

从 PN 结耗尽层和多数载流子输运出发，理解非绝缘栅对沟道截面的控制，再与 MESFET 的肖特基栅比较。

关键参数

关键参数
参数	单位	含义
栅源电压	V	VGS=VG−VS，n沟道正常反向控制时通常不大于零
几何夹断势	V	在指定沟道深度与掺杂模型下使该深度完全耗尽所需的正电势降
门控阈值	V	源端达到完全耗尽的门源电压，耗尽型n沟道模型中为负
跨导	S	给定漏偏置下漏电流对门源电压的小信号变化率

常见误区

漏端夹断后漏电流必然为零。
正的几何夹断势就是 n 沟道耗尽型器件的负关断门电压。
JFET 的栅极在所有偏置下都没有电流。

工程深入

12 条结论 · 1 道例题

结构与控制电极

定义

JFET 用 PN 栅结控制导电沟道截面

JFET 的源极与漏极通过欧姆接触连接导电沟道，栅极与沟道形成整流 PN 结。栅压改变结耗尽层向沟道内伸展的深度，从而改变剩余中性导电截面。^{1, 2}

成立条件 讨论常规结型场效应结构。；源漏欧姆接触与栅极整流接触具有不同功能。

机制

沟道电流以多数载流子输运为主

在常规 JFET 的主要工作模型中，n 沟道电流主要由电子、p 沟道电流主要由空穴承担。多数载流子导电是其单极型特征，不意味着所有漏电、产生复合与高场效应都不存在。^{1, 2}

成立条件 讨论正常导电沟道而非栅结正向注入或雪崩状态。；n沟道与p沟道的电压极性需要相应转换。

耗尽层与门压符号

边界

n 沟道反向门压必须先固定符号约定

本页统一定义 VGS=VG−VS，n 沟道正常反向控制时 VGS≤0；若另用反向电压幅值 UG，则 UG=−VGS≥0。采用反偏计正的教材公式时，必须先转换变量，不能把正反两种门压直接代入同一表达式。^{1, 2}

成立条件 以下关系针对n沟道并以源极为电势参考。；p沟道需要反转相应电压极性。

公式

一侧突变结模型给出局部耗尽深度

在均匀掺杂、单侧突变耗尽与缓变沟道近似下，局部沟道电势和栅源电压共同决定耗尽深度。漏端沟道电势更高时，其栅结反偏和耗尽深度也更大。^{1, 2}

W(x)=\sqrt{\frac{2\varepsilon_s[\psi_{\mathrm{bi}}+V(x)-V_{\mathrm{GS}}]}{qN_D}}

W(x): 局部耗尽深度，单位 cm
εₛ: 半导体介电常数，单位 F/cm
ψ_bi: 栅结内建电势，单位 V
V(x): 相对源极的局部沟道电势，单位 V
VGS: 门电压减源电压，单位 V
q: 元电荷，单位 C
N_D: 沟道施主浓度，单位 cm⁻³

成立条件 均匀n型沟道，单侧突变结，源端V(0)=0。；VGS按门对源定义，耗尽近似和缓变沟道近似有效。；耗尽深度不超过所定义的沟道可耗尽深度；超出后不再把平方根结果当中性截面。

线性、夹断与关断

机制

小漏压下可把 JFET 看成门控电阻

当漏源电压足够小、沿沟道的耗尽深度变化有限时，漏电流对漏源电压近似线性，比例系数受门压控制。该电阻近似不能推广到夹断后的饱和区。^{1, 2}

成立条件 低横向电场，迁移率近似不随场变化。；漏源电压相对相关栅结电势降足够小，且沟道保持导通。

机制

漏端局部夹断通常对应饱和而不是零电流

长沟道 JFET 随漏压增加，漏端耗尽层先到达可耗尽深度，形成局部夹断。器件仍可把载流子输运通过漏端高场区，电流进入近似饱和；这与源端被门压完全耗尽的门控关断不同。^{1, 2}

成立条件 长沟道、夹断主导的饱和模型。；尚未进入击穿，且门结未产生显著正向电流。

公式

几何夹断势与带符号的门控阈值不是同一量

均匀沟道模型中的正几何夹断势 ψ_p 取决于掺杂与可耗尽深度，而按门对源定义的门控阈值为内建电势减去 ψ_p。耗尽型 n 沟道器件的该阈值为负，不能把它和正的 ψ_p 混写成一个 Vp。^{1, 2}

\psi_p=\frac{qN_Da^2}{2\varepsilon_s},\qquad V_T=\psi_{\mathrm{bi}}-\psi_p

ψ_p: 正的几何夹断势，单位 V
q: 元电荷，单位 C
N_D: 均匀沟道施主浓度，单位 cm⁻³
a: 所建模一侧的完整可耗尽深度，单位 cm
εₛ: 半导体介电常数，单位 F/cm
VT: 按门对源定义的门控阈值，单位 V
ψ_bi: 栅结内建电势，单位 V

成立条件 单侧耗尽或对称双侧结构的一半沟道，a为从该栅侧至完整耗尽边界的深度。；均匀掺杂、突变耗尽，采用VGS=VG−VS。；器件在零门压有中性导电开口时，模型给出VT<0。

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学假设：均匀硅n沟道单侧耗尽模型，N_D=1.00×10¹⁶ cm⁻³，a=0.500 μm，ψ_bi=0.800 V。求几何夹断势、门控阈值及VGS=−0.500 V时的源端耗尽深度。

已知

εₛ=11.7ε₀；ε₀=8.8541878128×10⁻¹⁴ F/cm。
a=5.00×10⁻⁵ cm；q=1.602176634×10⁻¹⁹ C。
源端V(0)=0；VGS=−0.500 V；忽略高场和漏电。
数值为教学假设，不是具体JFET规格。

步骤

εₛ = 11.7×8.8541878128×10⁻¹⁴ ≈ 1.03594×10⁻¹² F/cm，统一用厘米表示掺杂、几何和介电常数。
ψ_p = qN_Da²/(2εₛ) ≈ 1.93 V，正几何夹断势由电荷与可耗尽深度决定。
VT = 0.800 − 1.93324 ≈ −1.13 V，零门压正常导通，因此带符号门控阈值为负。
W(0) = √[2εₛ(0.800 + 0.500)/(qN_D)] ≈ 0.410 μm，负VGS增加反向势降；所得耗尽深度仍小于0.500 μm，源端尚未完全耗尽。

结果 ψ_p约1.93 V，VT约−1.13 V；给定门压下源端耗尽深度约0.410 μm。

正的几何夹断势与负的门控阈值属于不同定义，不能只按Vp字母替换。

不能外推到 不适用于非均匀掺杂、任意三维几何、显著漏电或高场击穿状态。

公式

长沟道饱和起点与门压相对阈值的距离有关

在恒迁移率长沟道模型中，漏端刚达到完整耗尽时的漏源电压等于 VGS−VT。门压更接近关断阈值时，开始饱和所需的漏压也更小。^{1, 2}

V_{\mathrm{DS,sat}}=V_{\mathrm{GS}}-V_T

VDS,sat: 长沟道夹断模型的饱和起点漏源电压，单位 V
VGS: 门电压减源电压，单位 V
VT: 常规门对源定义的阈值，单位 V

成立条件 n沟道且VGS>VT，电流饱和由漏端夹断主导。；忽略速度饱和、沟道长度调制和击穿。

非理想与应用边界

边界

实际饱和区电流不一定严格水平

夹断后的漏压继续上升可以使夹断点向源端移动、缩短有效沟道，实际饱和电流因而仍随漏压变化。不能把理想恒流近似当成输出电阻无穷大。¹

成立条件 器件工作在饱和区且未击穿。；这里只解释有限输出斜率的一种机制，不排除其他短沟道效应。

边界

反向栅结高输入阻抗不等于允许任意门压

反向偏置的 PN 栅结可提供较高输入阻抗，但正向驱动过大时会产生显著门电流，反向电压过高又可能触发结击穿。理想零门电流模型只在允许偏置范围内成立。^{1, 2}

成立条件 讨论常规PN栅结，未把正向导通或击穿当正常高阻输入。；具体允许门压与电流以器件结构和规格为准。

边界

平方律只是特定模型和偏置范围的近似

均匀掺杂 JFET 的完整电流关系包含耗尽宽度的非线性变化，近阈值展开可以出现电流对门压差的平方关系。不能把任一简化平方律当成所有掺杂、所有门压和高场状态的精确方程。^{1, 2}

成立条件 需区分恒迁移率长沟道模型与速度饱和模型。；使用近阈值平方近似时，门压范围应满足相应展开条件。

机制

常开与常关取决于零门压时是否完全耗尽

JFET 并非只能做成常开器件。若零门压下内建耗尽不足以占满沟道，器件可为耗尽型常开；若沟道在零门压时已完全耗尽，则可形成常关结构，但开启时仍要遵守整流栅的门电流限制。^{1, 2}

成立条件 n沟道的常开与常关阈值按VGS=VG−VS区分。；不因常关而假设器件获得MOS绝缘栅的偏置自由度。

出处

2 本教材 · 23 处引用

1
Physics of Semiconductor Devices
S. M. Sze, Yiming Li, Kwok K. Ng · 第4版 · 2021
- §8.2.1，图2；PDF pp.785–786；印刷页未映射 支持：JFET 用 PN 栅结控制导电沟道截面
- §8.2及§8.2.1；PDF pp.784–786；印刷页未映射 支持：沟道电流以多数载流子输运为主
- §8.2.1，图2–3、式2–4；PDF pp.786、788–789；印刷页未映射 支持：n 沟道反向门压必须先固定符号约定
- §8.2.1，式2、4；PDF pp.788–789；印刷页未映射 支持：一侧突变结模型给出局部耗尽深度
- §8.2.1，式10–12；PDF p.791；印刷页未映射 支持：小漏压下可把 JFET 看成门控电阻
- §8.2.1，式14–16及夹断点说明；PDF pp.791–792；印刷页未映射 支持：漏端局部夹断通常对应饱和而不是零电流
- §8.2.1，式4–5、13；PDF pp.789、791；印刷页未映射 支持：几何夹断势与带符号的门控阈值不是同一量
- §8.2.1，式14；PDF p.791；印刷页未映射 支持：长沟道饱和起点与门压相对阈值的距离有关
- §8.2.1，式16后说明；PDF p.792；印刷页未映射 支持：实际饱和区电流不一定严格水平
- §8.2、§8.2.1及§8.2.3；PDF pp.784、789、804、812–813；印刷页未映射 支持：反向栅结高输入阻抗不等于允许任意门压
- §8.2.1，式17–18及说明；PDF p.792；印刷页未映射 支持：平方律只是特定模型和偏置范围的近似
- §8.2.2，图11、式51；PDF pp.810–812；印刷页未映射 支持：常开与常关取决于零门压时是否完全耗尽
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2
The Physics of Semiconductors
Marius Grundmann
- §24.3–24.4.1，图24.14；；PDF pp.818–819，第 803–804 页 支持：JFET 用 PN 栅结控制导电沟道截面
- §24.3、式24.39脚注；；PDF pp.818、821，第 803、806 页 支持：沟道电流以多数载流子输运为主
- §24.4.2，式24.35及式24.49脚注；；PDF pp.820、823，第 805、808 页 支持：n 沟道反向门压必须先固定符号约定
- §24.4.2，式24.35–24.36；；PDF pp.820–821，第 805–806 页 支持：一侧突变结模型给出局部耗尽深度
- §24.4.1、式24.49；；PDF pp.819、823，第 804、808 页 支持：小漏压下可把 JFET 看成门控电阻
- §24.4.1–24.4.2，式24.43–24.44；；PDF pp.819、822，第 804、807 页 支持：漏端局部夹断通常对应饱和而不是零电流
- §24.4.2，式24.36–24.37、24.44；；PDF pp.821–822，第 806–807 页 支持：几何夹断势与带符号的门控阈值不是同一量
- §24.4.2，式24.43前条件；；PDF p.822，第 807 页 支持：长沟道饱和起点与门压相对阈值的距离有关
- §24.3、§24.4.2–24.4.3；；PDF pp.818、822、824，第 803、807、809 页 支持：反向栅结高输入阻抗不等于允许任意门压
- §24.4.2，式24.43–24.45；；PDF p.822，第 807 页 支持：平方律只是特定模型和偏置范围的近似
- §24.4.3，图24.16–24.17；；PDF pp.823–824，第 808–809 页 支持：常开与常关取决于零门压时是否完全耗尽
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关键参数

常见误区

结构与控制电极

#JFET 用 PN 栅结控制导电沟道截面

#沟道电流以多数载流子输运为主

耗尽层与门压符号

#n 沟道反向门压必须先固定符号约定

#一侧突变结模型给出局部耗尽深度

线性、夹断与关断

#小漏压下可把 JFET 看成门控电阻

#漏端局部夹断通常对应饱和而不是零电流

#几何夹断势与带符号的门控阈值不是同一量

已知

步骤

#长沟道饱和起点与门压相对阈值的距离有关

非理想与应用边界

#实际饱和区电流不一定严格水平

#反向栅结高输入阻抗不等于允许任意门压

#平方律只是特定模型和偏置范围的近似

#常开与常关取决于零门压时是否完全耗尽

Physics of Semiconductor Devices

The Physics of Semiconductors