FET場效應管的原理和特點

FET場效應管，F(xiàn)ield Effect Transistor，包括結型和MOS管。

在初學的時候，非常容易和三極管混淆。三極管一般老師都會花大量的篇幅介紹，所以學生們相對熟悉。(因為是考試的重點)

反而FET管子，老師往往在模擬電子電路中一帶而過，模棱兩可。最后連管子符號都難以認全。

所以，本文總2句口訣，幫助記憶FET管，并介紹了FET的原理。

二極管我們都很熟悉，從P區(qū)到N區(qū)，我們稱之為正向導通，如果我們把這種正向，用箭頭表示，那就是P指向N，P→N。

一般的半導體符號，箭頭的方向都是從P指向N，我們可以利用這一點，幫助我們記憶。

圖2 二極管的符號與正向

我們先來看下結型場效應管JFET，Junction FET的結構和符號：

圖3 JFET的結構與符號

圖3中，在同一塊N型半導體上制作兩個高摻雜的P區(qū)(橙色)，并將它們連接在一起，引出的電極稱之為柵極g，N型半導體的兩端分別引出兩個電極，一個稱為漏極d，一個稱為源極s。P區(qū)與N區(qū)交界面形成耗盡層(灰色)，漏極與源極間的非耗盡層區(qū)域(藍色)稱為導電溝道。

所以，N溝通的符號就很好理解了：D為漏極，S為源極，G為柵極。箭頭為什么向里，因為從P指向N。

這也適用于MOS管。

圖4 MOS管的四種類型

我們的口訣就是：

箭頭向里，指向N，N溝道場效應管;

箭頭向外，指向N，P溝道場效應管;

FET的特點

場效應晶體管，是一種電壓控制的、三端子、單極半導體器件，有N通道和P通道。

圖5 三極管的特性

在雙極性晶體管中，我們看到晶體管的輸出集電極電流Ic與輸入電流IB成正比，輸入電流流入器件的基極端，從而使雙極性晶體管成為"電流"控制的器件(β模型)，因為較小的電流可以用來控制較大電流。

場效應晶體管，其輸入端子的電壓，稱為柵極電壓Vgs，控制流過它們的電流，從而使輸出電流與輸入電壓成正比。由于它們的工作依賴于輸入柵極電壓產(chǎn)生的電場(因此稱為場效應)，這就使場效應晶體管成為"電壓"操作器件。

圖6 N溝通JFET的輸出特性曲線

與標準雙極晶體管相比，場效應晶體管有一個主要的優(yōu)點，即它們的輸入阻抗(Rin)很高，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，但是這種高靈敏度的特性也意味著它們很容易被靜電破壞。

有兩種主要類型的場效應晶體管，結型場效應晶體管JFET和絕緣柵場效應晶體管或IGFET，更普遍地稱為標準金屬氧化物半導體場效應晶體管或MOSFET。

結型場效應管JFET

結型場效應晶體管(JFET)是具有形成N型或P型"通道"的高電阻率半導體材料，多數(shù)載流子在被稱為漏極和源極之間流動。

圖7 JFET的結構示意圖

結型場效應晶體管有N溝道JFET和P溝道JFET。

N溝道JFET的溝道摻雜為施主雜質，這意味著通過溝道流動的是電子。

同樣地，P溝道JFET的溝道摻雜為受體雜質，這意味著流過溝道是空穴。

由于電子與空穴相比具有更高的遷移率，所以N溝道JFET的溝道電導率(較低電阻)大于它們的等效P溝道類型。

這使得N溝道JFET與它們的P溝道對應器件相比，是更有效的導體。

在該溝道內存在稱為柵極端子的第三極連接,并且這也可以是與主通道形成PN結的P型或N型材料。

與三極管的比較

結型場效應晶體管的半導體"通道"，是電壓Vds引起電流Id流動的電阻性路徑，因此結場效應晶體管在任一方向上都能同樣良好地傳導電流(漏極和源極基本可以互換)。

由于溝道在本質上是電阻的，因此，當我們從漏極端子到源端時，電位逐漸變小，沿著通道的長度形成電壓梯度。

圖8 等效電阻

結果表明，PN結在漏極端具有較高的反向偏置，在源端具有較低的反向偏壓。這種偏置導致溝道內形成"耗盡層"，其寬度隨偏壓而增大。

圖9 柵極電壓對漏極電流的影響

流經(jīng)漏極和源端子中的電流大小由施加在柵極端子上的電壓控制，該電壓是反向偏置的。在N通道JFET中，此柵電壓為負值，而對于P通道JFET則為正柵極電壓。

JFET與雙極晶體管器件之間的主要差別在于，當JFET結反向偏置時，柵極電流實際上為零，而雙極結型晶體管的基極電流總是大于零的值。

N通道JFET的偏置

圖10 溝道的夾斷

如果現(xiàn)在向柵極施加小的負電壓(Vgs)，耗盡區(qū)的尺寸開始增加減小溝道的總有效面積，從而減小流過它的電流，發(fā)生了一種"壓榨"效應。

因此，通過施加反向偏置電壓增加了耗盡區(qū)的寬度，這又減小了溝道的導通。

由于PN結是反向偏置的，所以很少的電流會流入柵極。

當柵極電壓(Vgs)變得更負時，溝道的寬度會減小，直到漏極與源和場效應管之間不再有電流流動為止。

通道關閉的電壓稱為"關斷電壓"，VGSoff。

那么，如果Vgs處于VGSoff~0V之間的一個固定值，若此時Vds=0V，則雖然存在由Vgs所確定的一定寬度的導電溝通，但由于d-s之間電壓為零，多字不會產(chǎn)生定向移動，因而漏極電流iD為零。

若Vds>0，則有電流iD從漏極流向源極，從而使溝道中各點與柵極間的電壓不再相等，而是沿溝道從源極到漏極逐漸增大，造成漏極一遍的耗盡層比靠近源極一邊的寬。

也就是說，靠近漏極一邊的導電通道比靠近源極一邊的窄，見圖9。

JFET通道預夾斷

考慮柵極-漏極之間的電壓VGD

VGD = VGS - VDS

所以當VDS從零逐漸增大使，VGD逐漸減小(負值的不斷減少，絕對值是不斷變大)，靠近漏極一遍的導電溝道必將隨之變窄。

但是，只要柵極-漏極間不出現(xiàn)夾斷區(qū)域，溝道電阻仍將基本上決定于柵-源電壓VGS，因此電流iD將隨VDS增大而線性增大，d-s呈現(xiàn)電阻特性。

而一旦VDS的增大是的VGD等于夾斷電壓了，那么漏極一邊就會出現(xiàn)夾斷區(qū)。

圖11 預夾斷

如圖9所示。

此時VGD=VGSoff為預夾斷。

若VDS繼續(xù)增大，則VGD

見圖9。

此時，一方面自由電子從漏極向源極定向移動所受阻力加大(只能從夾斷區(qū)的窄縫以較高的速度通過)，從而導致iD減小;另一方面，隨著Vds的增大，使d-s間的縱向電池增強，也必然導致iD增大。

實際上，上述iD的兩種變化趨勢相抵消，Vds的增大幾乎全部降落在夾斷區(qū)，用于克服夾斷區(qū)對iD形成的阻力。

因此從外部看，在VGD

N-JFET的輸出特性如下：

圖12 輸出特性曲線

施加到柵極的電壓Vgs控制在漏極和源極端子之間流動的電流。

Vgs是指施加在柵極和源極之間的電壓，而Vds指的是施加在漏極和源極之間的電壓。

從設備流出的源電流(Is)等于流入它的漏電流，因此(id=is)。

上面顯示的特征曲線示例顯示了一個JFET的四個不同操作區(qū)域，這些區(qū)域如下：

可變電阻區(qū)域：

當Vgd>VGSoff時，直線的斜率也唯一地被確定，直線斜率的倒數(shù)為d-s之間的等效電阻。在此區(qū)域內，可以通過改變Vgs的大小來改變漏-源等效電阻的阻值。溝道的耗盡層非常小，JFET用作電壓控制電阻器。

截止區(qū)域(夾斷區(qū)域)：

當Vgs比VGSoff還要小時，導電溝通被夾斷，iD≈0。一般將使iD等于某一個很小電流(5μA)時的Vgs定義為夾斷電壓VGSoff。

恒流區(qū)(飽和區(qū))：

JFET成為良好的導體，由柵極-源極電壓(Vgs)控制，而漏極-源極電壓(Vds)幾乎沒有或沒有影響。

P溝道結場效應晶體管的特性曲線與上述相同，但漏電流id隨柵源電壓的增加而減小。

對于正常操作，Vgs偏向于介于VGSoff和0之間。

與雙極結型晶體管類似，作為三端器件的場效應晶體管能夠具有三種不同的操作模式，因此可以在以下配置之一中的電路內連接。

共源電路

圖13 共源放大電路

在共源配置(類似于共發(fā)射極)電路中，輸入被應用于柵極，其輸出從漏極中取出，如圖13所示。這是場效應晶體管最常見的工作方式，因為它具有高的輸入阻抗和良好的電壓放大能力，因此，共源放大器得到了廣泛的應用。

FET連接的共源模式通常用于音頻放大器和高輸入阻抗。作為一種放大電路，輸出信號為180°"失相"輸入。

共柵電路

圖14 共柵極放大電路

在共柵極結構(類似于共基)電路中，輸入被施加到源上，其輸出來自漏極，柵極直接連接到地面(0v)，如圖14所示。由于公共柵極具有較低的輸入阻抗，但輸出阻抗較高，因此在此配置中失去了先前連接的高輸入阻抗特性。

這種類型的FET配置可用于高頻電路或阻抗匹配電路中,因為低輸入阻抗需要與高輸出阻抗相匹配。輸出與輸入"同相"。

共漏電路

在共漏極配置(類似于共集電極)電路中，輸入被應用于柵極，其輸出來自源。共用漏極或"源跟隨器"結構具有高輸入阻抗和低輸出阻抗以及接近單位電壓增益，因此在緩沖放大器中使用。源跟隨器結構的電壓增益小于單位，輸出信號與輸入信號"同相"。

圖15 共漏極放大電路

這種類型的配置被稱為"公共漏極"，因為在漏極連接上沒有可用的信號，目前的電壓，vdd只是提供了一種偏置。輸出與輸入同步。

審核編輯：湯梓紅