【电路笔记】-结型场效应晶体管

结型场效应晶体管

结型场效应晶体管是一种单极器件，其中两个电极之间的电流由反向偏置 PN 结处的电场作用控制。

在双极结型晶体管教程中，我们看到晶体管的输出集电极电流与流入器件基极的输入电流成正比。 这使得双极晶体管成为“电流”操作器件（Beta 模型），因为较小的电流可用于切换较大的负载电流。

然而，场效应晶体管（或简称 FET）使用施加到其输入端子（称为栅极）的电压来控制流过它们的电流，从而使输出电流与输入电压成正比。 由于它们的操作依赖于输入栅极电压产生的电场（因此称为场效应），这使得场效应晶体管成为“电压”操作的器件。

场效应晶体管是一种三端子单极半导体器件，其特性与双极晶体管的同类器件非常相似。 例如，效率高、即时运行、坚固且便宜，可用于大多数电子电路应用，以取代其等效的双极结型晶体管 (BJT)。

场效应晶体管可以做得比等效 BJT 晶体管小得多，并且其低功耗和功耗使其非常适合用于集成电路，例如数字逻辑芯片的 CMOS 系列。

我们记得在之前的教程中，双极晶体管结构有两种基本类型：NPN 和 PNP，它们基本上描述了制造它们的 P 型和 N 型半导体材料的物理排列。 FET 也是如此，因为场效应晶体管也有两种基本分类，称为 N 沟道 FET 和 P 沟道 FET。

场效应晶体管是一种三端器件，在漏极和源极端子之间的主载流路径中没有 PN 结。 这些端子在功能上分别对应于双极晶体管的集电极和发射极。 这两个端子之间的电流路径称为“沟道”，其可以由P型或N型半导体材料制成。

通过改变施加到栅极的电压来控制该通道中流动的电流。 顾名思义，双极晶体管是“双极”器件，因为它们使用两种类型的电荷载流子：空穴和电子。 另一方面，场效应晶体管是一种“单极”器件，仅依赖于电子（N 沟道）或空穴（P 沟道）的传导。

与标准双极晶体管相比，场效应晶体管有一个主要优势，即它们的输入阻抗 (Rin) 非常高（数千欧姆），而 BJT 相对较低。 这种非常高的输入阻抗使它们对输入电压信号非常敏感，但这种高灵敏度的代价也意味着它们很容易被静电损坏。

场效应晶体管主要有两种类型：结型场效应晶体管（JFET）和绝缘栅场效应晶体管（IGFET），后者通常被称为标准金属氧化物半导体场效应晶体管（简称MOSFET）。

2、结型场效应晶体管

我们之前看到，双极结型晶体管是在发射极和集电极端子之间的主载流路径中使用两个 PN 结构建的。 结型场效应晶体管（JUGFET 或 JFET）没有 PN 结，而是具有窄片高电阻率半导体材料，形成 N 型或 P 型硅“通道”，供多数载流子流过两个 两端的欧姆电气连接通常分别称为漏极和源极。

结型场效应晶体管有两种基本配置：N 沟道 JFET 和 P 沟道 JFET。 N 沟道 JFET 的沟道掺杂有施主杂质，这意味着流过沟道的电流以电子形式为负（因此称为 N 沟道）。

同样，P 沟道 JFET 的沟道掺杂有受主杂质，这意味着流过沟道的电流以空穴形式为正（因此称为 P 沟道）。 N 沟道 JFET 比同等 P 沟道类型具有更高的沟道电导率（更低的电阻），因为与空穴相比，电子通过导体的迁移率更高。 与 P 沟道 JFET 相比，这使得 N 沟道 JFET 成为更高效的导体。

我们之前说过，通道的两端都有两个欧姆电气连接，称为漏极和源极。 但在该沟道内还有第三个电连接，称为栅极端子，它也可以是与主沟道形成 PN 结的 P 型或 N 型材料。

下面比较结型场效应晶体管和双极结型晶体管的连接关系。

两种 JFET 配置的符号和基本结构如下所示。

结型场效应晶体管的半导体“通道”是一条电阻路径，电压 VDS 会导致电流 ID 流过该路径，因此结型场效应晶体管可以在任一方向上同样良好地传导电流。 由于沟道本质上是电阻性的，因此沿着沟道的长度形成电压梯度，当我们从漏极端子到源极端子时，该电压变得不那么正。

结果是 PN 结在漏极端子处具有较高的反向偏压，在源极端子处具有较低的反向偏压。 这种偏压导致沟道内形成“耗尽层”，其宽度随着偏压而增加。

流过漏极和源极端子之间的沟道的电流大小由施加到栅极端子的电压控制，该电压是反向偏置的。 在 N 沟道 JFET 中，该栅极电压为负，而对于 P 沟道 JFET，该栅极电压为正。

JFET 和 BJT 器件之间的主要区别在于，当 JFET 结反向偏置时，栅极电流几乎为零，而 BJT 的基极电流始终大于零。

3、N 沟道结型场效应晶体管的偏置

上面的横截面图显示了一个 N 型半导体沟道，其中有一个称为栅极的 P 型区域扩散到 N 型沟道中，形成反向偏置 PN 结，并且正是该结在栅极区域周围形成耗尽区。 不施加外部电压。 因此，JFET 被称为耗尽型器件。

该耗尽区在 PN 结周围产生不同厚度的电势梯度，并通过减小沟道的有效宽度来限制流过沟道的电流，从而增加沟道本身的总电阻。

然后我们可以看到耗尽区中耗尽最多的部分位于栅极和漏极之间，而耗尽最少的区域位于栅极和源极之间。 然后，JFET 的沟道在施加零偏置电压的情况下导通（即，耗尽区的宽度接近于零）。

在没有外部栅极电压（ $V_G=0$ ），并且在漏极和源极之间施加小电压（ $V_{DS}$ ）的情况下，最大饱和电流（ $I_{DSS}$ ）将流过从漏极到源极的沟道，仅受小耗尽区的限制 路口周围。

如果现在向栅极施加小负电压（$-V_{GS}$），耗尽区的尺寸开始增加，从而减少沟道的整体有效面积，从而减少流过沟道的电流，会发生一种“挤压”效应 。 因此，通过施加反向偏置电压可以增加耗尽区的宽度，从而减少沟道的传导。

由于 PN 结是反向偏置的，因此很少有电流流入栅极连接。 随着栅极电压 ($-V_{GS}$) 变得更负，沟道宽度减小，直到漏极和源极之间不再有电流流动，并且 FET 被称为“夹断”（类似于截止区域） 对于 BJT）。 通道关闭时的电压称为“夹断电压”( V P V_P V