了解場效應(yīng)晶體管的原理和操作。

晶體管是當(dāng)今電子電路中必不可少的半導(dǎo)體器件。它們可以執(zhí)行兩個主要功能。首先，作為它們的真空管前身，三極管，它們可以放大電信號。其次，它們可以充當(dāng)計算機(jī)中的交換設(shè)備，進(jìn)行信息處理和存儲。場效應(yīng)晶體管是通過電場控制電流的半導(dǎo)體器件。

晶體管可以放大電信號并充當(dāng)開關(guān)器件。計算機(jī)利用晶體管的開關(guān)能力進(jìn)行算術(shù)和邏輯運算以及信息存儲。他們使用二進(jìn)制代碼（以 2 為基數(shù)寫入的數(shù)字）來表達(dá)數(shù)字和函數(shù)。兩個狀態(tài)系列 - 0 和 1 - 代表數(shù)字。

數(shù)字電路中的晶體管也以兩種狀態(tài)運行：“開”和“關(guān)”——或者導(dǎo)通和不導(dǎo)通。“開”對應(yīng)一種二進(jìn)制數(shù)狀態(tài)，“關(guān)”對應(yīng)另一種二進(jìn)制數(shù)狀態(tài)。因此，包含正確切換的晶體管的電路元件的集合可以表征數(shù)字。

偶極子層（由 FET 的 pn 結(jié)中的擴(kuò)散過程產(chǎn)生）會建立電場。這些電場控制輸出電路的傳導(dǎo)路徑。這種機(jī)制是術(shù)語“場效應(yīng)”的基礎(chǔ)。

對這些器件的興趣主要是因為輸入電路具有單個反向偏置二極管的特性。FET 需要的直流輸入電流并具有非常高的輸入阻抗。

場效應(yīng)晶體管的類型

場效應(yīng)晶體管主要分為三種類型：結(jié)型場效應(yīng)晶體管（縮寫為 JFET，或簡稱 FET）、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 和金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（ MESFET）。

金屬氧化物半導(dǎo)體的其他縮寫詞有 MOST（MOS 晶體管）和 IGFET（絕緣柵場效應(yīng)晶體管）。

MESFET 是一項現(xiàn)代開發(fā)成果，利用砷化鎵 (GaAs) 的高速特性作為基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料。

數(shù)字應(yīng)用在集成電路中采用 MOSFET，而 JFET 在模擬應(yīng)用中更為常見。

本文介紹結(jié)型場效應(yīng)晶體管 (JFET) 并研究這些器件的工作原理。

結(jié)型場效應(yīng)晶體管

結(jié)型場效應(yīng)晶體管是一種三端器件，其中施加到一個端子的電壓控制其他兩個端子之間的電流——輸出電路電流。

JFET 有兩種類型：n 溝道和 p 溝道。由于電子比空穴移動得更快，n 溝道 JFET 比 p 溝道 JFET 更常見。

雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 的導(dǎo)通水平取決于兩種電荷載流子——電子和空穴。然而，JFET 是一種單極器件，因為它的傳導(dǎo)取決于一種類型的載流子——電子（n 溝道）或空穴（p 溝道）。

JFET 的其他基本特性包括：

易于制造。

尺寸小，適合LSI和VLSI數(shù)字陣列。

高輸入阻抗——通常為數(shù)兆歐。

比 BJT 噪音小。

零漏極電流時無失調(diào)電壓。

n 溝道結(jié)型場效應(yīng)晶體管

圖 1顯示了 n 溝道 JFET 的示意圖。該圖所示的幾何結(jié)構(gòu)簡化了 JFET 原理的分析。

圖 1.n溝道 JFET。

器件的兩側(cè)都有重?fù)诫s的受主雜質(zhì) p 型區(qū)域，形成柵極 G。注意兩個 p 型區(qū)域和柵極端子之間的連接。

兩個柵極區(qū)之間的區(qū)域是溝道，是n型材料的結(jié)構(gòu)。該狹窄的半導(dǎo)體溝道提供了源極和漏極之間的導(dǎo)電路徑。大多數(shù)載流子通過源極 S 進(jìn)入器件，并通過漏極 D 離開器件。源極側(cè)可以是任一溝道的末端。

該結(jié)構(gòu)的工作原理是通過調(diào)節(jié)柵極 G 上的電壓來改變 S 和 D 端子之間的電阻。

圖 2顯示了 n 溝道 JFET 的電路符號以及電流方向和電壓極性的約定。

圖 2. n 溝道 JFET 的電路符號和約定。

柵極處的箭頭表示從 p 型到 n 型 JFET 穿過結(jié)的方向。

Is = 在 S 處進(jìn)入的常規(guī)電流。

Id = 在 D 處進(jìn)入的常規(guī)電流。

Ig = 在 G 處進(jìn)入的常規(guī)電流。這是柵極電流流動方向，柵極結(jié)正向偏置。

Vds = 漏極至源極施加的電壓 – 如果 d 比 s 更正，則為正。

Vdd = 漏極電源電壓（外部電壓源）。

Vgg = 柵極電源電壓（外部電壓源）。

Vgs = 柵極到源極施加的電壓 – 如果 g 比 s 更正，則為正。Vgs 與極性一起使用以反向偏置 pn 結(jié) (Vgs = - Vgg)。

對于n溝道JFET，Id和Vds為正，Is和Vgs為負(fù)。

N 溝道 JFET 操作

在向 JFET 端子施加任何外部電壓之前，無偏置條件下有兩個 pn 結(jié)，在每個結(jié)處產(chǎn)生載流子耗盡區(qū)或空間電荷區(qū)。多余的載流子（電子）已從載流子耗盡區(qū)去除或“耗盡”。因此，載流子耗盡區(qū)的自由載流子很少，無法支持傳導(dǎo)（圖1）。

圖 3顯示了 Vgs = 0 V（柵極和源極短路）且 Vds 具有較低正值的情況。

圖 3.Vgs = 0V 且 Vds > 0V。

正漏極端子吸引溝道的電子，產(chǎn)生電流Id。

按照慣例，電流的流動方向與電子流的方向相反；因此，當(dāng)前Id進(jìn)入D。

電流 Is 與 Id 具有相同的大小和方向。Is 的正方向被定義為進(jìn)入 S。因此，在此條件下 Is 為負(fù)。電流 Ig 小到可以忽略不計，這是 JFET 的一個重要屬性。

通道的阻抗限制了圖 3中電荷流的大小。

請注意，載流子耗盡區(qū)在接近 D 側(cè)時變得更寬。假設(shè)電阻均勻分布，溝道中的壓降將從 S 處的 0 V 增加到 D 處的 Vds。然后，pn 結(jié)將從 S 到 D 的反向偏置逐漸增大。隨著結(jié)上的反向偏置增加，因此是未覆蓋的固定電荷區(qū)域的厚度。

未覆蓋的電荷是載流子耗盡區(qū)中的束縛電荷——p型側(cè)為負(fù)離子，n型側(cè)為正離子。它們在連接處產(chǎn)生電荷偶極層。源自正離子并終止于負(fù)離子的電場線是結(jié)點上電壓降的來源。場效應(yīng)一詞描述了這種機(jī)制，因為電流控制是由與未覆蓋電荷區(qū)域相關(guān)的場隨著反向偏壓的增加而延伸而產(chǎn)生的。

圖 4顯示了 n 溝道 JFET 的源極-漏極特性，給出了 Id 與 Vds 的關(guān)系，其中 Vgs = 0。

圖 4. Id 與 Vds，Vgs = 0 V。

當(dāng)Id = 0時，通道打開。將Vds值增加到幾伏，電流遵循歐姆定律線性上升；這就是為什么繪圖幾乎呈直線增長的原因——電阻是恒定的，n 型 JFET 充當(dāng)簡單的半導(dǎo)體電阻器。

Vds 的增加使耗盡區(qū)變寬，溝道的導(dǎo)電部分開始縮小——逐漸減小溝道的有效寬度并增加其電阻。

由于沿通道的歐姆壓降，收縮并不均勻，但在距源較遠(yuǎn)的距離處更為明顯。

將 Vds 增加到兩個耗盡區(qū)似乎會接觸的水平（如圖5所示），會導(dǎo)致稱為夾斷的情況。在這種情況下，Vds = Vp – 夾斷電壓。

圖 5.Vgs = 0V，Vds = Vp。

Vds 達(dá)到 Vp 后，圖 4中的曲線開始趨于平穩(wěn)。電流 Id 接近恒定值（飽和水平），顯示為 Idss（飽和短路漏極電流）。在曲線的水平區(qū)域，通道的電阻將趨向于無限歐姆。在夾斷時，存在一個具有高密度電流的微小通道。

在 圖5中，溝道正好處于漏極端的夾斷閾值。將 Vds 增加到超過 Vp 會延長兩個耗盡區(qū)沿溝道的接觸時間，但 Idss 保持不變。在此條件下，JFET 充當(dāng)電流源。

通道無法在夾斷值處完全關(guān)閉，從而將 Id 降至零 - 相反，Id 保留圖 4所示的飽和水平。如果是這種情況，沿 pn 結(jié)提供反向偏壓的歐姆壓降將不存在，從而失去導(dǎo)致夾斷的耗盡區(qū)。

Vgs 提供額外的反向偏置

柵源電壓 (Vgs) 控制 JFET。將柵極端子設(shè)置為逐漸低于源極的電位水平會產(chǎn)生一系列 Id 與 Vds 曲線，其中 Vgs 作為參數(shù)。圖 6顯示了 n 溝道 JFET 的典型曲線。

圖 6.n溝道 JFET 的特性。

在提供額外反向偏壓的方向上施加?xùn)艠O電壓 Vgs 會建立類似于 Vgs = 0 的耗盡區(qū)，但 Vds 的電平較低，從而導(dǎo)致在較小的 Vds 值下發(fā)生夾斷和飽和電平。然后，Vgs 幫助Vds 產(chǎn)生夾斷。隨著溝道上 Vds 值的降低，漏極電流較小時會發(fā)生夾斷。

向柵極施加一點正電壓（沿正向偏壓方向），產(chǎn)生夾斷所需的 Vds 值會增加，出現(xiàn)夾斷時的漏極電流也會相應(yīng)增加。不方便施加高正電壓來避免柵極端子處出現(xiàn)不需要的電流。

與之前一樣，每條特性曲線都有一個適用于小 Vds 值的歐姆區(qū)域（Id 與 Vds 成比例）和一個適用于大 Vds 值的恒流區(qū)域（其中 Id 對 Vds 略有響應(yīng)）。當(dāng) Vds 上升超過夾斷水平時，夾斷溝道將電流限制為發(fā)生夾斷時存在的大小。

圖 6還顯示夾斷電壓呈拋物線下降，并且飽和電流的幅度（對于較大的 Vds 值）隨著 Vgs 變得更負(fù)而減小。

Vgs = - Vp 產(chǎn)生具有 Id 電流的飽和電平，我們可以得出結(jié)論，晶體管處于“關(guān)閉”狀態(tài)。

請注意，當(dāng) Vds 達(dá)到更高的幅度時，曲線會突然上升到看似無窮大的水平。這種上升表示 pn 結(jié)上的雪崩擊穿；在這種情況下，只有輸出電路元件限制通過通道的電流。

在任何兩個 JFET 端子之間施加的電壓是會在 pn 結(jié)上引起雪崩擊穿的電壓。圖 6顯示雪崩發(fā)生在較低的 Vds 值時，因為柵極的反向偏置程度更大。發(fā)生這種情況是因為反向偏置柵極電壓 (Vgs) 添加到漏極電壓 (Vds)，從而使 pn 結(jié)兩端的實際電壓升高。

P 溝道結(jié)型場效應(yīng)晶體管

p 溝道 JFET 是 n 溝道的反轉(zhuǎn)，其 p 型和 n 型材料的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖 7.p溝道 JFET。

圖 8顯示了 p 溝道 JFET 的電路符號和極性約定。

 

圖 8. p 溝道 JFET 的電路符號和約定。

與 n 溝道 JFET 相比，p 溝道 JFET 具有相反的電流方向和電壓極性；Id 和 Vds 為負(fù)，Is 和 Vgs 為正。因此，增加從柵極到源極的正電壓將收縮溝道。

圖 8保留了圖 2中用于 n 溝道 JFET、電流 Id、Is 和 Ig 方向以及電壓 Vds 和 Vgs 極性的參考。柵極結(jié)的箭頭指向相反的方向（顯示從 p 型到 n 型的路徑）。

圖 9顯示了 p 溝道 JFET 的典型曲線。

圖 9.典型 p 溝道 JFET 的特性。

圖 9顯示了 Vgs 的正值和 Vds 的負(fù)值——源極的電位高于漏極。

同樣，在 Vds 為高負(fù)值時，曲線突然上升到極端水平，表明雪崩擊穿。

筆記：

這兩種類型的晶體管——n 溝道和 p 溝道——據(jù)說是互補(bǔ)的。電路中的 n 溝道 JFET 可以替換為具有類似額定值的 p 溝道晶體管，反轉(zhuǎn)電源 (Vdd) 極性和所有極性敏感器件，例如電解電容器和二極管。

關(guān)于場效應(yīng)晶體管

JFET 的三個電端子是漏極 (D)、源極 (S) 和柵極 (G)。

大多數(shù)載流子從源極通過溝道流到漏極。溝道可以是n型或p型晶體。

柵源電壓控制溝道中的電場和漏極電流 (Id)。柵極結(jié)通常具有反向偏置電壓，導(dǎo)致柵極端子上流動的電流可以忽略不計。

考慮n溝道器件，如果柵源電壓Vgs=0V并且漏源電壓Vds為正，則電子由于電場而漂移通過溝道。如果 Vds 較小，則漏極電流 Id 與溝道電阻成正比。

pn結(jié)處的載流子耗盡區(qū)的寬度取決于電壓Vgs。Vgs 的變化會改變通道尺寸。載流子耗盡區(qū)充當(dāng)閥門來控制溝道中的電流量，以及隨后的電流Id的大小。

正漏極電壓反向偏置 pn 結(jié)，主要是在溝道漏極端附近。當(dāng) Vds 達(dá)到夾斷電壓 (Vp) 時，溝道厚度在靠近漏極端的點處減小到幾乎為零。當(dāng)Vds = Vp時，Id不為零，因為夾斷點和源極之間仍然存在該電壓，并且產(chǎn)生的電場加速載流子通過溝道到達(dá)漏極。

對于值 Vds > Vp，耗盡區(qū)厚度在柵極和漏極之間增加，而夾斷點和源極之間幾乎沒有變化。結(jié)果，額外的電壓出現(xiàn)在耗盡區(qū)上，而沿溝道的電場幾乎沒有變化。結(jié)果是一個恒定的 Id 值。

在 Vds = Vp 和 Vgs = 0 V 下測量的電流是飽和短路漏極電流 (Idss)。

JFET 通常在 Vds > Vp 且向柵極施加反向偏壓的情況下工作。當(dāng)Vds + Vgs > Vp 時，Id 幾乎與Vds 無關(guān)。

當(dāng) Vds 值較高時，pn 結(jié)處會出現(xiàn)雪崩擊穿。

JFET 的輸入阻抗非常高，但在發(fā)生雪崩擊穿時會急劇下降。

p 溝道 JFET 具有 p 型溝道和 n 型柵極。它的工作原理類似于 n 溝道晶體管，但電壓和電流極性相反。