如果半导体层的厚度a很小或者ND比较低，则VG＝0时器件因自建电压Vbi的作用在源端夹断，只有在VGS超过VT时才能导通，这类器件称为增强型（常关型）；相反，如果a较厚或ND较大，VGS＝0时已经有导电沟道，称为耗尽型（常开型），耗尽型器件只有在比VT更负的栅压下才会截止。
8.4.3. 电流-电压特性 1. 恒定迁移率模型.
假定漏极电压VDS不很高，因而沿沟道方向的电场强度处处低于速度饱和时的电场，这时电流/电压关系服从欧姆定律，y处的电流密度可表示为：
J(y)=qNDμnEy(y) (8.4.4)
由Ey(y)=dV(y)/dy,
IDS=qNDμn(dV/dy)[a-h(y)]W (8.4.5) 由(8.4.1), dV=qND h(y)dh/ε0ε (8.4.6) 经积分，可得
IDS =(1/L)∫h1h2 qNDμn [a-h(y)]W qND h(y)dh/ε0ε
= (Wμnq2ND2/2ε0εL)[a(h22-h12)-(2/3)(h23-h13)] (8.4.7) h1及h2分别为源端和漏端的耗尽层厚度, 由(8.4.1) h1=[2ε0ε(VD-VGs)/qND] (8.4.8) h2=[2ε0ε(VD-VGs+VDS)/qND] (8.4.9)
21
代入(8.4.7)，经整理后得，
IDS=IP{VDS/VP-2/3[(VDS-VGs+VD)/VP]3/2+2/3[(VD-VGs)/VP]3/2} (8.4.10)
IP= Wμnq2ND2a3/2ε0εL (8.4.11) VP =qND a2/ 2ε0ε (8.4.12)
耗尽型n-MESFET的I-V特性如下图所示，只要VGS大于VT (VT为负值)，就有IDS流动。增强型的I-V特性与耗尽型的形状相似，但VT是正值。
(1)
线性区: 当VDS< = (WμnqNDa/L) {1-[(V D-VGS)/VP]1/2}VDS (8.4.13) ? 沟道电导(或称漏电导)gD可表示为 gD=(?IDS/?VDS)VGS=(WμnqNDa/L) {1-[(V D-VGS)/VP]1/2} (8.4.14) 因而有沟道厚度 a-h=a{1-[(V D-VGS)/VP]1/2} (8.4.15) gD=(?IDS/?VDS)VGS=(WμnqND/L)(a-h) 它与漏电压VDS无关，这时从源到漏形成近似均匀的导电沟道，其厚度随VGS的增加而增加。 ? 跨导gm定义为 gm=(?IDS/?VGS)VDS=(Wμn/L)[qNDε0ε/2(VD -VGS )1/2VDS 22 (8.4.16) (2) 饱和区：在(8.4.10)式中令VDS-VGs+Vbi=VP，即得到夹断点电流-饱和漏源电流IDsat IDsat=IP{1/3-(Vbi-VGS)/VP+(2/3)[(Vbi-VGS)/VP]3/2 (8.4.17) 相应的饱和电压为 VDsat =VP-Vbi+VGs= VGs-VT (8.4.18) ? 理想情况下饱和区的漏电导为0，实际情况随着VDS的增加，夹断点向源端移动，有效沟道长度缩短，漏电导不为0； ? 饱和区跨导为 gm=(?IDS/?VGS)VDS=(WμnqNDa/L){1-[(VD -VGS )/VP]1/2 (8.4.19) 2. 饱和速度模型： 随着沟道的缩短，沿沟道的电场增强，使漏极电流饱和不是由于沟道夹断，而是因为电子漂移速度达到饱和引起。实验表明，对于L在0.5-2微米的GaAs MES FET，速度饱和模型可以精确地描述饱和区的电流特性。下图可用来说明和推导这一模型，它表示工作在饱和区的器件截面。最窄的沟道缝隙出现于漏端。在饱和区，栅耗尽层下的沟道电场显著高于电子能谷间转移的临界电场，从源向漏行进的电子将从高迁移率的低能谷（?能谷）散射到低迁移率的高能谷（L能谷），其平均速度在漏端附近下降并达有效饱和值。为了维持电流的连续性，再该区发生了电子的强积累。这时因为沟道缝隙逐渐变窄，漂移速度逐渐下降之故。离开漏端后，沟道展宽，电子运动加快，产生一个因电子部分耗尽所致的强耗尽层。积累层和耗尽层的电荷大致相等，大部分漏极电压降落在这一固定的偶极层上。 23 由上面的分析,可以假定电子以恒定的有效饱和速度VS运动，从而饱和电流直接受耗尽层厚度h与沟道深度a之差调制，这就是速度饱和模型。对于均匀掺杂材料， IDS=qVSWND(a-h) (8.4.20) 将(8.4.15)的a-h代入上式，可得 IDS= qVSWNDa{1-[(VD-VGS)/VP]1/2} (8.4.21) 上式对VGS求导，并利用VP=qNDa2/2ε0ε，即得跨导 gm= VSW[qNDε0ε/2(VD-VGS)]1/2 (8.4.22) 对于L小于0.5微米的GaAs MESFET，电子通过栅下高电场区的时间很短，来不及发生能谷间的转移，只受到轻微的声子散射及杂质散射，它们近似于弹道运动，即电子渡越沟道期间获得的平均动能相应的速度可达到稳态饱和速度的几倍，这就是速度过冲。对于Si器件，因电子速度增加很少，速度过冲现象不明显。 8.4.4. 截止频率 当栅极电压变化时，一部分沟道电流要对栅电容充电，可引进一个截止频率fT。它定义为在该频率下器件不再放大输入信号，这时输入栅电容的电流等于漏极输出电流。下图为MESFET的简单等效电路： 24 由上图可见，输入电流ii和输出电流iD分别为： ii=2?f (CGS +CGD)VGS =2? fCGVGS (8.4.23) ID=gmVGS (8.4.24) 令 ii=ID，即得 fT=gm/2?CG (8.4.25) 其中 CG= CGS +CGD 设栅区平均耗尽层厚度为a/2，则栅电容可表示为: CG=LWε0ε/(a/2)=2LWε0ε/a (8.4.26) 由上式可知，为了提高截止频率，应提高跨导，减小电容，即采用高电子迁移率和短沟道的MESFET。 fT与栅极下面电子的渡越时间?有直接的关系。 根据定义，gm=?IDS/?VG (8.4.27) CG=?QG/?VG (8.4.28) 当栅极电压有一个小的增量?VG时，它将引起下述变化： ? 栅极作为栅/沟道电容的一个极板，其上栅电荷的增加为 ?QG=CG??VG ? 沟道作为电容的另一极板，沟道电荷将有一个负的增量-?QG，从而导致通过沟道的电流有一个增量?IDS，而?IDS等于电荷增量除以它通过距离 25 Lg的渡越时间? ?IDS=?QG/? (8.4.29) 将(8.4.28)代入 ?IDS=CG?VG/? (8.4.30) 再由(8.4.28)，可得 gm/CG=1/? 因此，截止频率为 fT=1/2?? ? VS/2?Lg (8.4.31) (8.4.32) 26