晶體管效應的比較偏置及模式

結型場效應晶體管（JFET）是一種電壓控制的三端子單極半導體器件，提供N溝道和P溝道配置

雙極結型晶體管教程，我們看到晶體管的輸出集電極電流與流入器件基極端的輸入電流成正比，從而使雙極晶體管成為“電流”操作器件（Beta模型），因為電流較小可以用于切換較大的負載電流。

場效應晶體管，或者只是FET然而，使用施加到其輸入端子的電壓，調(diào)用 Gate 來控制流過它們的電流，從而使輸出電流與輸入電壓成比例。由于它們的操作依賴于由輸入 Gate 電壓產(chǎn)生的電場（因此名稱場效應），因此這使得場效應晶體管成為“電壓”操作的器件。

典型場效應
晶體管

場效應晶體管是三終端單極半導體器件，具有與其雙極晶體管對應物非常相似的特性。例如，高效率，即時操作，堅固且便宜，可用于大多數(shù)電子電路應用，以取代其等效的雙極結型晶體管（BJT）表兄弟。

場效應晶體管可制造得比等效的BJT晶體管以及低功耗和低功耗使其成為CMOS系列數(shù)字邏輯芯片等集成電路的理想選擇。

我們從前面的教程中記得有兩種基本類型雙極晶體管結構， NPN 和 PNP ，它基本上描述了制造它們的P型和N型半導體材料的物理排列。 FET也是如此，因為場效應晶體管還有兩種基本分類，稱為 N溝道FET 和 P溝道FET 。

場效應晶體管是一種三端器件，在 Drain 和 Source 端子之間的主電流承載路徑內(nèi)沒有PN結。這些端子的功能分別對應于雙極晶體管的集電極和發(fā)射極。這兩個端子之間的電流路徑稱為“溝道”，可以由P型或N型半導體材料制成。

通過改變施加到 Gate 的電壓來實現(xiàn)對該通道中流動的電流的控制。顧名思義，雙極晶體管是“雙極”器件，因為它們可以同時使用兩種類型的電荷載體，即孔和電子。另一方面，場效應晶體管是一種“單極”器件，它僅依賴于電子（N溝道）或空穴（P溝道）的傳導。

場效應晶體管與標準雙極晶體管相比具有一個主要優(yōu)勢，因為它們的輸入阻抗（ Rin ）非常高（數(shù)千歐姆），而BJT相對較低。這種非常高的輸入阻抗使它們對輸入電壓信號非常敏感，但這種高靈敏度的價格也意味著它們很容易被靜電損壞。

有兩種主要類型的場效應晶體管，結型場效應晶體管或JFET和絕緣柵場效應晶體管或IGFET），這是更多通常稱為標準金屬氧化物半導體場效應晶體管或MOSFET。

結型場效應晶體管

我們之前已經(jīng)看到，在發(fā)射極和集電極端子之間的主電流承載路徑中使用兩個PN結構造雙極結晶體管。結型場效應晶體管（JUGFET或JFET）沒有PN結，而是有一塊窄的高電阻率半導體材料，形成N型或P型硅的“通道”多數(shù)載流子通過兩端的兩個歐姆電連接分別通常稱為 Drain 和 Source 。

結點有兩種基本配置場效應晶體管，N溝道JFET和P溝道JFET。 N溝道JFET的溝道摻雜有施主雜質(zhì)，這意味著通過溝道的電流是電子形式的負電流（因此稱為N溝道）。

同樣，P溝道JFET的溝道摻雜有受主雜質(zhì)，這意味著通過溝道的電流是空穴形式（因此稱為P溝道）。 N溝道JFET具有比其等效P溝道類型更大的溝道導電性（更低的電阻），因為與空穴相比，電子通過導體具有更高的遷移率。與P溝道相比，這使得N溝道JFET成為更高效的導體。

我們之前已經(jīng)說過，在通道的兩端有兩個歐姆電氣連接稱為 Drain 和來源。但是在這個通道內(nèi)有第三個電氣連接，稱為 Gate 端子，它也可以是P型或N型材料，與主通道形成PN結。

下面比較結型場效應晶體管和雙極結型晶體管的連接之間的關系。

JFET和BJT之間連接的比較

JFET兩種配置的符號和基本結構如下所示。

結型場效應晶體管的半導體“通道”是電阻路徑，電壓 V DS 導致電流 I D 流動，因此結型場效應晶體管可以在任一方向上同樣良好地傳導電流。由于溝道本質(zhì)上是電阻性的，因此沿著溝道的長度形成電壓梯度，當我們從漏極端子到源極端子時，該電壓變得不那么正。

結果是因此，PN結在漏極端子處具有高反向偏壓，在源極端子處具有較低的反向偏壓。這種偏置導致在溝道內(nèi)形成“耗盡層”，其寬度隨偏壓而增加。

流過漏極和源極端子之間溝道的電流大小由電壓控制應用于門終端，這是一個反向偏置。在N溝道JFET中，此柵極電壓為負，而對于P溝道JFET，柵極電壓為正。

JFET和BJT器件之間的主要區(qū)別在于當JFET結反向時偏置柵極電流幾乎為零，而BJT的基極電流總是大于零的值。

N溝道JFET的偏置

上面的橫截面圖顯示了一個N型半導體通道，其P型區(qū)域稱為柵極擴散到N型溝道中，形成反向偏置PN-結點是當沒有施加外部電壓時，該結在柵極區(qū)域周圍形成耗盡區(qū)。因此，JFET被稱為耗盡型器件。

該耗盡區(qū)產(chǎn)生的電位梯度在PN結周圍具有不同的厚度，并通過減小其有效寬度來限制通過通道的電流，從而增加通道本身的整體電阻。

然后我們可以看到耗盡區(qū)域中耗盡最多的部分位于柵極和漏極之間，而耗盡最少的區(qū)域位于柵極和源極之間。 。然后JFET的溝道在施加零偏壓的情況下導通（即，耗盡區(qū)具有接近零的寬度）。

沒有外部柵極電壓（ V G = 0 ），在漏極和源極之間施加一個小電壓（ V DS ），最大飽和電流（ I DSS ）將僅通過結點周圍的小耗盡區(qū)流過從漏極到源極的溝道。

如果負電壓很?。?-V GS） ）現(xiàn)在應用于柵極，耗盡區(qū)的大小開始增加，減少了通道的整體有效面積，從而減少了流過它的電流，發(fā)生了一種“擠壓”效應。因此，通過施加反向偏置電壓會增加耗盡區(qū)的寬度，從而降低溝道的導通性。

由于PN結是反向偏置的，因此很少有電流流入柵極連接。隨著柵極電壓（ -V GS ）變得更負，通道的寬度減小，直到漏極和源極之間不再有電流流動并且FET被稱為被“夾斷”（類似于BJT的截止區(qū)域）。通道關閉時的電壓稱為“夾斷電壓”，（ V P ）。

JFET通道掐斷

在該夾斷區(qū)域，柵極電壓 V GS 控制通道電流， V DS 影響很小或沒有影響。

JFET模型

結果是FET更像是一個電壓控制電阻，當 V GS = 0 且最大“ON”電阻（ R DS ）當柵極電壓非常負時。在正常工作條件下，JFET柵極總是相對于源極負偏置。

柵極電壓永遠不會為正，因為如果是所有通道電流將流向柵極而不是源，結果是JFET的損壞。然后關閉通道：

無門電壓（ V GS ）和 V DS 從零增加。

否 V DS 和門控制從零開始減少。

V DS 和 V GS 變化。

P溝道結型場效應晶體管與上述N通道完全相同，但有以下例外：1）。由于空穴，通道電流為正，2）。偏置電壓的極性需要反轉(zhuǎn)。

柵極與源極短路的N溝道JFET的輸出特性如下：

輸出特性VI典型結FET的曲線

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電壓 V GS 應用于門控制在漏極和源極端子之間流動的電流。 V GS 是指在柵極和源極之間施加的電壓，而 V DS 是指在兩者之間施加的電壓漏極和源極。

因為結型場效應晶體管是一個電壓控制器件，“沒有電流流入柵極！”然后流出器件的源電流（ I S ）等于流入其中的漏極電流，因此（ I D = I S ）。

上面顯示的特性曲線示例顯示了JFET的四個不同工作區(qū)域，它們的格式如下：

歐姆區(qū)域 - 當V GS = 0時，通道的耗盡層非常小，JFET的作用類似于電壓控制電阻器。

截止區(qū)域 - 這也稱為夾斷區(qū)域，是柵極電壓，V GS 足以引起J.當溝道電阻達到最大值時，F(xiàn)ET充當開路。

飽和或有源區(qū) - JFET成為良導體并由柵極 - 源極電壓，（V GS ），而漏極 - 源極電壓（V DS ）幾乎沒有影響。

擊穿區(qū)域 - 漏極和源極之間的電壓（V DS ）足夠高，導致JFET的電阻通道擊穿并通過不受控制的最大電流。

P溝道結場效應晶體管的特性曲線與上述相同，只是漏極電流 I D 隨著正柵源電壓的增加而減小， V GS 。

當 V GS <時，漏極電流為零/ sub> = V P 。對于正常操作， V GS 被偏置在 V P 和0之間。然后我們可以計算出對于飽和或有源區(qū)域中的任何給定偏置點，漏極電流 I D ，如下所示：

漏極電流在有效區(qū)域中。

請注意，漏極電流的值將介于零（夾斷）和 I DSS <之間/ span>（最大電流）。通過了解漏極電流 I D 和漏極 - 源極電壓 V DS 通道的電阻（ R DS ）如下：

漏極 - 源極通道電阻。

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其中： g m 是“跨導增益”，因為JFET是一個電壓控制器件，它代表了變化率相對于柵極 - 源極電壓變化的漏極電流。

FET的模式

與雙極結型晶體管一樣，場效應晶體管是三端子器件，能夠三個不同的操作模式，因此可以在以下配置之一的電路內(nèi)連接。

公共源（CS）配置

在公共源配置中（類似于公共發(fā)射器），輸入應用于門，其輸出取自Drain，如圖所示。這是FET最常見的工作模式，因為它具有高輸入阻抗和良好的電壓放大功能，因此廣泛使用的是共源極放大器。

FET連接的共源模式一般采用音頻放大器和高輸入阻抗前置放大器和級。作為放大電路，輸入信號輸出信號為180 o “異相”。

公共門（CG）配置

在公共門配置中（類似于公共基礎），輸入應用于源，其輸出取自Drain柵極直接接地（0v），如圖所示。由于公共柵極具有低輸入阻抗，但具有高輸出阻抗，因此先前連接的高輸入阻抗特性會丟失。

此類FET配置可用于高頻電路或在阻抗匹配電路中，低輸入阻抗需要與高輸出阻抗相匹配。輸出與輸入“同相”。

公共漏極（CD）配置

在Common Drain配置（類似于公共集電極），輸入應用于Gate，其輸出取自Source。公共漏極或“源極跟隨器”配置具有高輸入阻抗和低輸出阻抗以及接近單位電壓增益，因此用于緩沖放大器。源極跟隨器配置的電壓增益小于1，輸出信號與輸入信號“同相”， 0 o 。

這種類型的配置稱為“公共漏極”，因為漏極連接處沒有可用信號，存在電壓， + V DD 只是提供偏置。輸出與輸入同相。

JFET放大器

就像雙極結型晶體管一樣，JFET可用于制造JFET公共單級A類放大器電路源放大器和特性與BJT共發(fā)射極電路非常相似。 JFET放大器優(yōu)于BJT放大器的主要優(yōu)點是其高輸入阻抗，由 R1 和 R2 形成的柵極偏置電阻網(wǎng)絡控制，如圖所示。

JFET放大器的偏置

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此公共源（CS）放大器電路偏置為“A”級由電阻器 R1 和 R2 組成的分壓器網(wǎng)絡模式。源電阻 R S 上的電壓通常設置為 V DD 的四分之一，（ V DD / 4 ）但可以是任何合理的值。

然后可以從 R S計算所需的柵極電壓 值。由于柵極電流為零，（ I G = 0 ），我們可以通過正確選擇電阻 R1 來設置所需的DC靜態(tài)電壓。 R2 。

通過負柵極電位控制漏極電流使得結型場效應晶體管可用作開關，并且必須使用對于N溝道JFET，柵極電壓從不為正，因為溝道電流將流向柵極而不是漏極，從而導致JFET損壞。 P溝道JFET的工作原理與N溝道JFET的工作原理相同，只是電壓的極性需要反轉(zhuǎn)。

在下一篇關于晶體管的教程中，我們將研究另一種稱為 MOSFET 的場效應晶體管，其柵極連接與主載流通道完全隔離。