FET場(chǎng)效應(yīng)管，F(xiàn)ield Effect Transistor，包括結(jié)型和MOS管。

在初學(xué)的時(shí)候，非常容易和三極管混淆。三極管一般老師都會(huì)花大量的篇幅介紹，所以學(xué)生們相對(duì)熟悉。(因?yàn)槭强荚嚨闹攸c(diǎn))

反而FET管子，老師往往在模擬電子電路中一帶而過(guò)，模棱兩可。最后連管子符號(hào)都難以認(rèn)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(chēng)之為正向?qū)ǎ绻覀儼堰@種正向，用箭頭表示，那就是P指向N，P→N。

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

圖2 二極管的符號(hào)與正向

我們先來(lái)看下結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET，Junction FET的結(jié)構(gòu)和符號(hào)：

圖3 JFET的結(jié)構(gòu)與符號(hào)

圖3中，在同一塊N型半導(dǎo)體上制作兩個(gè)高摻雜的P區(qū)(橙色)，并將它們連接在一起，引出的電極稱(chēng)之為柵極g，N型半導(dǎo)體的兩端分別引出兩個(gè)電極，一個(gè)稱(chēng)為漏極d，一個(gè)稱(chēng)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(lán)色)稱(chēng)為導(dǎo)電溝道。

所以，N溝通的符號(hào)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?yàn)閺腜指向N。

這也適用于MOS管。

圖4 MOS管的四種類(lèi)型

我們的口訣就是：

箭頭向里，指向N，N溝道場(chǎng)效應(yīng)管;

箭頭向外，指向N，P溝道場(chǎng)效應(yīng)管;

FET的特點(diǎn)

場(chǎng)效應(yīng)晶體管，是一種電壓控制的、三端子、單極半導(dǎo)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?yàn)檩^小的電流可以用來(lái)控制較大電流。

場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其輸入端子的電壓，稱(chēng)為柵極電壓Vgs，控制流過(guò)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(lài)于輸入柵極電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)(因此稱(chēng)為場(chǎng)效應(yīng))，這就使場(chǎng)效應(yīng)晶體管成為"電壓"操作器件。

圖6 N溝通JFET的輸出特性曲線(xiàn)

與標(biāo)準(zhǔn)雙極晶體管相比，場(chǎng)效應(yīng)晶體管有一個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)，即它們的輸入阻抗(Rin)很高，而B(niǎo)JT相對(duì)較低。這種非常高的輸入阻抗使它們對(duì)輸入電壓信號(hào)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(lèi)型的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管JFET和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管或IGFET，更普遍地稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管或MOSFET。

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)是具有形成N型或P型"通道"的高電阻率半導(dǎo)體材料，多數(shù)載流子在被稱(chēng)為漏極和源極之間流動(dòng)。

圖7 JFET的結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)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(zhì)，這意味著通過(guò)溝道流動(dòng)的是電子。

同樣地，P溝道JFET的溝道摻雜為受體雜質(zhì)，這意味著流過(guò)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(dǎo)率(較低電阻)大于它們的等效P溝道類(lèi)型。

這使得N溝道JFET與它們的P溝道對(duì)應(yīng)器件相比，是更有效的導(dǎo)體。

在該溝道內(nèi)存在稱(chēng)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(jié)的P型或N型材料。

與三極管的比較

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體"通道"，是電壓Vds引起電流Id流動(dòng)的電阻性路徑，因此結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管在任一方向上都能同樣良好地傳導(dǎo)電流(漏極和源極基本可以互換)。

由于溝道在本質(zhì)上是電阻的，因此，當(dāng)我們從漏極端子到源端時(shí)，電位逐漸變小，沿著通道的長(zhǎng)度形成電壓梯度。

圖8 等效電阻

結(jié)果表明，PN結(jié)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(dǎo)致溝道內(nèi)形成"耗盡層"，其寬度隨偏壓而增大。

圖9 柵極電壓對(duì)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(fù)值，而對(duì)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(dāng)JFET結(jié)反向偏置時(shí)，柵極電流實(shí)際上為零，而雙極結(jié)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(fù)電壓(Vgs)，耗盡區(qū)的尺寸開(kāi)始增加減小溝道的總有效面積，從而減小流過(guò)它的電流，發(fā)生了一種"壓榨"效應(yīng)。

因此，通過(guò)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(dǎo)通。

由于PN結(jié)是反向偏置的，所以很少的電流會(huì)流入柵極。

當(dāng)柵極電壓(Vgs)變得更負(fù)時(shí)，溝道的寬度會(huì)減小，直到漏極與源和場(chǎng)效應(yīng)管之間不再有電流流動(dòng)為止。

通道關(guān)閉的電壓稱(chēng)為"關(guān)斷電壓"，VGSoff。

那么，如果Vgs處于VGSoff~0V之間的一個(gè)固定值，若此時(shí)Vds=0V，則雖然存在由Vgs所確定的一定寬度的導(dǎo)電溝通，但由于d-s之間電壓為零，多字不會(huì)產(chǎn)生定向移動(dòng)，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(diǎn)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(shuō)，靠近漏極一邊的導(dǎo)電通道比靠近源極一邊的窄，見(jiàn)圖9。

JFET通道預(yù)夾斷

考慮柵極-漏極之間的電壓VGD

VGD = VGS - VDS

所以當(dāng)VDS從零逐漸增大使，VGD逐漸減小(負(fù)值的不斷減少，絕對(duì)值是不斷變大)，靠近漏極一遍的導(dǎo)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(xiàn)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(huì)出現(xiàn)夾斷區(qū)。

圖11 預(yù)夾斷

如圖9所示。

此時(shí)VGD=VGSoff為預(yù)夾斷。

若VDS繼續(xù)增大，則VGD

見(jiàn)圖9。

此時(shí)，一方面自由電子從漏極向源極定向移動(dòng)所受阻力加大(只能從夾斷區(qū)的窄縫以較高的速度通過(guò))，從而導(dǎo)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(qiáng)，也必然導(dǎo)致iD增大。

實(shí)際上，上述iD的兩種變化趨勢(shì)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(duì)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(xiàn)

施加到柵極的電壓Vgs控制在漏極和源極端子之間流動(dòng)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(shè)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(xiàn)示例顯示了一個(gè)JFET的四個(gè)不同操作區(qū)域，這些區(qū)域如下：

可變電阻區(qū)域：

當(dāng)Vgd>VGSoff時(shí)，直線(xiàn)的斜率也唯一地被確定，直線(xiàn)斜率的倒數(shù)為d-s之間的等效電阻。在此區(qū)域內(nèi)，可以通過(guò)改變Vgs的大小來(lái)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(dāng)Vgs比VGSoff還要小時(shí)，導(dǎo)電溝通被夾斷，iD≈0。一般將使iD等于某一個(gè)很小電流(5μA)時(shí)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(dǎo)體，由柵極-源極電壓(Vgs)控制，而漏極-源極電壓(Vds)幾乎沒(méi)有或沒(méi)有影響。

P溝道結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特性曲線(xiàn)與上述相同，但漏電流id隨柵源電壓的增加而減小。

對(duì)于正常操作，Vgs偏向于介于VGSoff和0之間。

與雙極結(jié)型晶體管類(lèi)似，作為三端器件的場(chǎng)效應(yīng)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(nèi)連接。

共源電路

圖13 共源放大電路

在共源配置(類(lèi)似于共發(fā)射極)電路中，輸入被應(yīng)用于柵極，其輸出從漏極中取出，如圖13所示。這是場(chǎng)效應(yīng)晶體管最常見(jiàn)的工作方式，因?yàn)樗哂懈叩妮斎胱杩购土己玫碾妷悍糯竽芰Γ虼耍苍?a href="http://www.zgszdi.cn/tags/放大器/" target="_blank">放大器得到了廣泛的應(yīng)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(hào)為180°"失相"輸入。

共柵電路

圖14 共柵極放大電路

在共柵極結(jié)構(gòu)(類(lèi)似于共基)電路中，輸入被施加到源上，其輸出來(lái)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(lèi)型的FET配置可用于高頻電路或阻抗匹配電路中,因?yàn)榈洼斎胱杩剐枰c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(lèi)似于共集電極)電路中，輸入被應(yīng)用于柵極，其輸出來(lái)自源。共用漏極或"源跟隨器"結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的電壓增益小于單位，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)"同相"。

圖15 共漏極放大電路

這種類(lèi)型的配置被稱(chēng)為"公共漏極"，因?yàn)樵诼O連接上沒(méi)有可用的信號(hào)，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