JFET晶體管

利用場效應原理工作的晶體管，簡稱FET。場效應就是改變外加垂直于半導體表面上電場的方向或大小，以控制半導體導電層(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體中的多數(shù)載流子輸運，少數(shù)載流子實際上沒有作用。這類只有一種極性載流子參加導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)構模型，在實驗中觀察到"場效應"現(xiàn)象，但當時由于工藝水平所限，沒有做成實用器件。1952年以后，W.B.肖克萊提出結(jié)型場效應管(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-半導體場效應管(MOSFET)。1966年美國的C.米德提出了肖特基勢壘柵場效應管(MESFET)。

一種單極的三層晶體管，它是一種控制極是由pn組成的場效應晶體管,工作依賴于惟一種載流子 - 電子或空穴的運動。對于一個"正常接通"器件，每當N溝道JFET的漏極電壓相對于源極為正時，或是當P溝道JFET的漏極電壓相對于源極為負時，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。

與雙極型晶體管相比，F(xiàn)ET的特點是輸入阻抗高，噪聲小，極限頻率高，功耗小，溫度性能好，抗輻照能力強，多功能，制造工藝簡單等。由于電荷存儲效應小、反向恢復時間短，故開關速度快，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器件。

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

N溝道結(jié)型場效應管工作時，也需要外加如圖1所示的偏置電壓，即在柵-源極間加一負電壓(vGS<0)，使柵-源極間的P+N結(jié)反偏，柵極電流iG≈0，場效應管呈現(xiàn)很高的輸入電阻(高達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動，形成漏極電流iD。iD的大小主要受柵-源電壓vGS控制，同時也受漏-源電壓vDS的影響。因此，討論場效應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。

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，先假設漏-源極間所加的電壓vDS=0。當柵-源電壓vGS=0時，溝道較寬，其電阻較小，如圖2(a)所示。當vGS<0，且其大小增加時，在這個反偏電壓的作用下，兩個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溝道中擴展，使溝道變窄，溝道電阻增大，如圖2(b)所示。當|vGS| 進一步增大到一定值|VP| 時，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)型場效應管的柵極輸入電流iG>>0，因此很少應用輸入特性，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，電流iD和電壓vDS間的關系，即。它反映了漏極電壓vDS對iD的影響。圖XX_01是一個N溝道結(jié)型場效應管的輸出特性曲線。由此圖可見，結(jié)型場效應管的工作狀態(tài)可劃分為四個區(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、管子預夾斷前，電壓vDS與漏極電流iD間的關系。在此區(qū)域內(nèi)有VP<vGS≤0，vDS<vGS-VP。當vGS一定，vDS較小時，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，源、漏極間可以看作是一個受vGS控制的可變電阻，故稱這一區(qū)域為可變電阻區(qū)。這一特點常使結(jié)型場效應管被作為壓控電阻而廣泛應用。

(2) 飽和區(qū)(也稱恒流區(qū))

當VP<vGS≤0且vDS≥vGS-VP時，N溝道結(jié)型場效應管進入飽和區(qū)，即圖中特性曲線近似水平的部分。它表示管子預夾斷后，電壓vDS與漏極電流iD間的關系。飽和區(qū)的特點是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。場效應管作線性放大器件用時，就工作在飽和區(qū)。 應當指出，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)型場效應管的預夾斷點(vDS=vGS-VP)的軌跡。顯然，預夾斷點隨vGS改變而變化，vGS愈負，預夾斷時的vDS越小。

(3) 擊穿區(qū)

管子預夾斷后，若vDS繼續(xù)增大，當柵漏極間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，iD將急劇上升，特性曲線進入擊穿區(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))

當柵源電壓|vGS|≥ 時，溝道全部被夾斷，iD≈0，這時場效應管處于截止狀態(tài)。截止區(qū)處于輸出特性曲線圖的橫坐標軸附近(圖XX_01中未標注)。

轉(zhuǎn)移特性曲線用來描述vDS取一定值時，iD與vGS間的關系的曲線，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A、B和C所對應的iD、vGS的值轉(zhuǎn)移到iD-vGS直角坐標系中，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，這是因為在飽和區(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|時的漏極電流，稱為飽和漏極電流。

1. 夾斷電壓VP。當vDS為某一固定值(例如10V)，使iD等于某一微小電流(例如50mA)時，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，場效應管發(fā)生預夾斷時的漏極電流。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的柵源直流電阻。

4. 低頻跨導gm。當vDS為常數(shù)時，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，即

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

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

5. 輸出電阻rd。當vGS為常數(shù)時，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，但在高頻應用時，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急劇上升時的vDS值。V(BR)DS的大小與vGS有關，對N溝道而言，vGS的負值越大，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)生反向擊穿時的vGS值，這時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。除了以上參數(shù)外，結(jié)型場效應管還有噪聲系數(shù)，高頻參數(shù)等其他參數(shù)。結(jié)型場效應管的噪聲系數(shù)很小，可達1.5dB以下。