JFET工作原理

N溝道和P溝道結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理完全相同，現(xiàn)以N溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例，分析其工作原理。

N溝道結(jié)型場效應(yīng)管工作時(shí)，也需要外加如圖1所示的偏置電壓，即在柵-源極間加一負(fù)電壓(vGS<0)，使柵-源極間的P+N結(jié)反偏，柵極電流iG≈0，場效應(yīng)管呈現(xiàn)很高的輸入電阻(高達(dá)108?左右)。在漏-源極間加一正電壓(vDS>0)，使N溝道中的多數(shù)載流子電子在電場作用下由源極向漏極作漂移運(yùn)動，形成漏極電流iD。iD的大小主要受柵-源電壓vGS控制，同時(shí)也受漏-源電壓vDS的影響。因此，討論場效應(yīng)管的工作原理就是討論柵-源電壓vGS對漏極電流iD(或溝道電阻)的控制作用，以及漏-源電壓vDS對漏極電流iD的影響。

與雙極型晶體管相比，F(xiàn)ET的特點(diǎn)是輸入阻抗高，噪聲小，極限頻率高，功耗小，溫度性能好，抗輻照能力強(qiáng)，多功能，制造工藝簡單等。由于電荷存儲效應(yīng)小、反向恢復(fù)時(shí)間短，故開關(guān)速度快，工作頻率高。器件特性基本呈線性或平方律，故互調(diào)和交調(diào)乘積遠(yuǎn)比雙極型晶體管為小。FET已廣泛用于各種放大電路、數(shù)字電路和微波電路等。FET是MOS大規(guī)模集成電路和MESFET超高速集成電路的基礎(chǔ)器件。

利用場效應(yīng)原理工作的晶體管，簡稱FET。場效應(yīng)就是改變外加垂直于半導(dǎo)體表面上電場的方向或大小，以控制半導(dǎo)體導(dǎo)電層(溝道)中的多數(shù)載流子的密度或類型。這種晶體管的工作原理與雙極型晶體管不同，它是由電壓調(diào)制溝道中的電流，其工作電流是由半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子輸運(yùn)，少數(shù)載流子實(shí)際上沒有作用。這類只有一種極性載流子參加導(dǎo)電的晶體管又稱單極晶體管。1925~1926年美國的J.E.里林菲德提出靜電場對導(dǎo)電固體中電流影響的基本概念。1933年O.海爾提出薄膜FET 器件的結(jié)構(gòu)模型，在實(shí)驗(yàn)中觀察到"場效應(yīng)"現(xiàn)象，但當(dāng)時(shí)由于工藝水平所限，沒有做成實(shí)用器件。1952年以后，W.B.肖克萊提出結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)的基本理論。一年以后制成JFET。60年代初發(fā)展了金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)。1966年美國的C.米德提出了肖特基勢壘柵場效應(yīng)管(MESFET)。

一種單極的三層晶體管，它是一種控制極是由pn組成的場效應(yīng)晶體管,工作依賴于惟一種載流子 - 電子或空穴的運(yùn)動。對于一個(gè)"正常接通"器件，每當(dāng)N溝道JFET的漏極電壓相對于源極為正時(shí)，或是當(dāng)P溝道JFET的漏極電壓相對于源極為負(fù)時(shí)，都有電流在溝道中流過。在JFET溝道中的電流受柵極電壓的控制，為了"夾斷"電流的流動，在N溝道JFET中柵極相對源極的電壓必須是負(fù)的;或者在P溝道JFET中柵極相對源極的電壓必須是正的。柵極電壓被加在橫跨PN結(jié)的溝道上，與此相反，在MOSFET中則是加在絕緣體上。

流iD(或溝道電阻)的控制作用，以及漏-源電壓vDS對漏極電流iD的影響。

1.vGS對iD的控制作用

圖2所示電路說明了vGS對溝道電阻的控制作用。為便于討論，先假設(shè)漏-源極間所加的電壓vDS=0。當(dāng)柵-源電壓vGS=0時(shí)，溝道較寬，其電阻較小，如圖2(a)所示。當(dāng)vGS<0，且其大小增加時(shí)，在這個(gè)反偏電壓的作用下，兩個(gè)P+N結(jié)耗盡層將加寬。由于N區(qū)摻雜濃度小于P+區(qū)，因此，隨著|vGS| 的增加，耗盡層將主要向N溝道中擴(kuò)展，使溝道變窄，溝道電阻增大，如圖2(b)所示。當(dāng)|vGS| 進(jìn)一步增大到一定值|VP| 時(shí)，兩側(cè)的耗盡層將在溝道中央合攏，溝道全部被夾斷，如圖2(c)所示。由于耗盡層中沒有載流子，因此這時(shí)漏-源極間的電阻將趨于無窮大，即使加上一定的電壓vDS，漏極電流iD也將為零。這時(shí)的柵-源電壓稱為夾斷電壓，用VP表示。

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(c) vGS≤VP

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(a) vGS=0的情況

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(b) VP<vGS<0的情況

由于結(jié)型場效應(yīng)管的柵極輸入電流iG>>0，因此很少應(yīng)用輸入特性，常用的特性曲線有輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線。

輸出特性曲線用來描述vGS取一定值時(shí)，電流iD和電壓vDS間的關(guān)系，即。它反映了漏極電壓vDS對iD的影響。圖XX_01是一個(gè)N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的輸出特性曲線。由此圖可見，結(jié)型場效應(yīng)管的工作狀態(tài)可劃分為四個(gè)區(qū)域。

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XX_01 (1) 可變電阻區(qū)圖

可變電阻區(qū)位于輸出特性曲線的起始部分，它表示vDS較小、管子預(yù)夾斷前，電壓vDS與漏極電流iD間的關(guān)系。在此區(qū)域內(nèi)有VP<vGS≤0，vDS<vGS-VP。當(dāng)vGS一定，vDS較小時(shí)，vDS對溝道影響不大，溝道電阻基本不變，iD與vDS之間基本呈線性關(guān)系。若|vGS|增加，則溝道電阻增大，輸出特性曲線斜率減小。所以，在vDS較小時(shí)，源、漏極間可以看作是一個(gè)受vGS控制的可變電阻，故稱這一區(qū)域?yàn)榭勺冸娮鑵^(qū)。這一特點(diǎn)常使結(jié)型場效應(yīng)管被作為壓控電阻而廣泛應(yīng)用。

(2) 飽和區(qū)(也稱恒流區(qū))

當(dāng)VP<vGS≤0且vDS≥vGS-VP時(shí)，N溝道結(jié)型場效應(yīng)管進(jìn)入飽和區(qū)，即圖中特性曲線近似水平的部分。它表示管子預(yù)夾斷后，電壓vDS與漏極電流iD間的關(guān)系。飽和區(qū)的特點(diǎn)是iD幾乎不隨vDS的變化而變化，iD已趨于飽和，但它受vGS的控制。|vGS|增加，溝道電阻增加，iD減小。場效應(yīng)管作線性放大器件用時(shí)，就工作在飽和區(qū)。 應(yīng)當(dāng)指出，圖XX_01中左邊的虛線是可變電阻區(qū)與飽和區(qū)的分界線，是結(jié)型場效應(yīng)管的預(yù)夾斷點(diǎn)(vDS=vGS-VP)的軌跡。顯然，預(yù)夾斷點(diǎn)隨vGS改變而變化，vGS愈負(fù)，預(yù)夾斷時(shí)的vDS越小。

(3) 擊穿區(qū)

管子預(yù)夾斷后，若vDS繼續(xù)增大，當(dāng)柵漏極間P+N結(jié)上的反偏電壓vGD增大到使P+N結(jié)發(fā)生擊穿時(shí)，iD將急劇上升，特性曲線進(jìn)入擊穿區(qū)。管子被擊穿后再不能正常工作。

(4) 截止區(qū)(又稱夾斷區(qū))

當(dāng)柵源電壓|vGS|≥ 時(shí)，溝道全部被夾斷，iD≈0，這時(shí)場效應(yīng)管處于截止?fàn)顟B(tài)。截止區(qū)處于輸出特性曲線圖的橫坐標(biāo)軸附近(圖XX_01中未標(biāo)注)。

轉(zhuǎn)移特性曲線用來描述vDS取一定值時(shí)，iD與vGS間的關(guān)系的曲線，即

它反映了柵源電壓vGS對iD的控制作用。

由于轉(zhuǎn)移特性和輸出特性都是用來描述vGS、vDS及iD間的關(guān)系的，所以轉(zhuǎn)移特性曲線可以根據(jù)輸出特性曲線繪出。作法如下:在圖XX_01所示的輸出特性中作一條vDS=10V的垂線，將此垂線與各條輸出特性曲線的交點(diǎn)A、B和C所對應(yīng)的iD、vGS的值轉(zhuǎn)移到iD-vGS直角坐標(biāo)系中，即可得到轉(zhuǎn)移特性曲線 ，如圖XX_02(a)所示。

圖XX_0 改變vDS的大小，可得到一族轉(zhuǎn)移特性曲線，如圖XX_02(b)所示。由此圖可以看出，當(dāng)vDS≥|vp|(圖中為vDS≥5V)后，不同vDS下的轉(zhuǎn)移特性曲線幾乎重合，這是因?yàn)樵陲柡蛥^(qū)內(nèi)iD幾乎不隨vDS而變。因此可用一條轉(zhuǎn)移特性曲線來表示飽和區(qū)中iD與vGS的關(guān)系。在飽和區(qū)內(nèi)iD可近似地表示為 (VP<vGS≤0) (5.1.1)

式中IDSS為vGS=0，vDS≥|vp|時(shí)的漏極電流，稱為飽和漏極電流。

1. 夾斷電壓VP。當(dāng)vDS為某一固定值(例如10V)，使iD等于某一微小電流(例如50mA)時(shí)，柵源極間所加的電壓即夾斷電壓。

2. 飽和漏極電流IDSS。在vGS=0的條件下，場效應(yīng)管發(fā)生預(yù)夾斷時(shí)的漏極電流。對結(jié)型場效管來說，IDSS也是管子所能輸出的最大電流。

3. 直流輸入電阻RGS。它是在漏源極間短路的條件下，柵源極間加一定電壓時(shí)的柵源直流電阻。

4. 低頻跨導(dǎo)gm。當(dāng)vDS為常數(shù)時(shí)，漏極電流的微小變化量與柵源電壓vGS的微小變化量之比為低頻跨導(dǎo)，即

(5.1.2) gm反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力，是表征場效應(yīng)管放大能力的一個(gè)重要參數(shù)。單位為西門子(s)，有時(shí)也用ms或ms表示。需要指出的是，gm與管子的工作電流有關(guān)，iD越大，gm就越大。

在放大電路中，場效應(yīng)管工作在飽和區(qū)(恒流區(qū))，gm可由式和計(jì)算求得，即

5. 輸出電阻rd。當(dāng)vGS為常數(shù)時(shí)，漏源電壓的微小變化量與漏極電流iD的微小變化量之比為輸出電阻rd，即

γ=(δvDS)/(δiD)|vDS=常數(shù)

rd反映了漏源電壓vDS對iD的影響。在飽和區(qū)內(nèi)，iD幾乎不隨vDS而變化，因此，rd數(shù)值很大，一般為幾十千歐~幾百千歐。

6. 極間電容Cgs、Cgd、Cds。Cgs是柵源極間存在的電容，Cgd是柵漏極間存在的電容。它們的大小一般為1~3pF，而漏源極間的電容Cds約為0.1~1pF。在低頻情況下，極間電容的影響可以忽略，但在高頻應(yīng)用時(shí)，極間電容的影響必須考慮。

7. 最大漏源電壓V(BR)DS。指管子溝道發(fā)生雪崩擊穿引起iD急劇上升時(shí)的vDS值。V(BR)DS的大小與vGS有關(guān)，對N溝道而言，vGS的負(fù)值越大，則V(BR)DS越小。

8. 最大柵源電壓V(BR)GS。是指柵源極間的PN結(jié)發(fā)生反向擊穿時(shí)的vGS值，這時(shí)柵極電流由零而急劇上升。

9. 漏極最大耗散功率PDM。漏極耗散功率PD(=vDSiD)變?yōu)闊崮苁构茏拥臏囟壬撸瑸榱讼拗乒茏拥臏囟?，就需要限制管子的耗散功率不能超過PDM。PDM的大小與環(huán)境溫度有關(guān)。除了以上參數(shù)外，結(jié)型場效應(yīng)管還有噪聲系數(shù)，高頻參數(shù)等其他參數(shù)。結(jié)型場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)很小，可達(dá)1.5dB以下。