晶體管是現(xiàn)代電子電路中至關重要的半導體器件。它們可以執(zhí)行兩種主要功能。首先，作為其真空管前身三極管，晶體管可以放大電信號。其次，晶體管可以作為計算機的信息處理和存儲的開關設備。場效應晶體管是控制電流通過電場的半導體器件。

晶體管不僅可以放大電信號，還可以作為開關設備。計算機利用晶體管的開關能力進行算術和邏輯運算以及信息存儲。它們使用二進制代碼——以基數(shù)2書寫的數(shù)字——來表示數(shù)字和功能。一系列的兩個狀態(tài)——0和1——表示數(shù)字。數(shù)字電路中的晶體管也以兩個狀態(tài)工作：“開”和“關”——或?qū)ê筒粚??！伴_”對應一個二進制數(shù)字狀態(tài)，而“關”對應另一個。因此，包含適當切換晶體管的電路元素集合可以表征一個數(shù)字。

由FET的p-n結(jié)擴散過程形成的偶極層建立電場。這些電場控制輸出的電路導通路徑。這一機制是“場效應”一詞的基礎。對這些器件的興趣主要源于其輸入電路具有單個反向偏置二極管的特性。FET需要極小的直流輸入電流，具有非常高的輸入阻抗。

場效應晶體管的類型

場效應晶體管主要有三種類型：結(jié)型場效應晶體管(縮寫為JFET，或簡稱為FET)、金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)和金屬半導體場效應晶體管(MESFET)。

金屬氧化物半導體的其他縮寫有MOST(MOS晶體管)和IGFET(絕緣柵場效應晶體管)。MESFET是一種現(xiàn)代發(fā)展，采用高速度特性為基礎半導體材料的砷化鎵(GaAs)。數(shù)字應用中，MOSFET常用于集成電路，而JFET在模擬應用中更為常見。

本文介紹了結(jié)型場效應晶體管(JFET)，并探討了這些設備運行的原理。

結(jié)型場效應晶體管

結(jié)型場效應晶體管是一種三端器件，其中施加在一個端子的電壓控制著另兩個端子之間的電流——輸出電路電流。

JFET有兩種類型：n通道和p通道。由于電子的移動速度快于孔，n通道JFET比p通道JFET更為常見。

在雙極結(jié)晶體管(BJT)中，導通水平依賴于兩種載流子——電子和孔。然而，JFET是一種單極器件，因為其導通僅依賴于一種類型的載流子——電子(n通道)或孔(p通道)。

JFET的其他重要特性包括：

· 制造簡單。

· 尺寸小，適合于LSI和VLSI數(shù)字陣列。

· 高輸入阻抗——通常為幾兆歐姆。

· 噪聲比BJT小。

· 在零漏電流下沒有偏置電壓。

n通道結(jié)型場效應晶體管

圖1展示了n通道JFET的示意圖。該圖所示的幾何形狀簡化了對JFET原理的分析。

圖1

器件的兩側(cè)有重摻雜的p型受體雜質(zhì)區(qū)域，形成柵極G。注意兩個p型區(qū)域與柵極端子的連接。

兩個柵區(qū)之間的區(qū)域是通道，構(gòu)成了n型材料的結(jié)構(gòu)。這個狹窄的半導體通道為源極和漏極之間提供了導通路徑。大多數(shù)載流子通過源極S進入設備，并通過漏極D離開。源側(cè)可以是通道的任一端。

該結(jié)構(gòu)的操作基礎是通過調(diào)整柵極G上的電壓來改變S和D端子之間的電阻。

圖2顯示了n通道JFET的電路符號以及電流方向和電壓極性的約定。

圖2

柵極上的箭頭指示從p型到n型JFET的結(jié)的方向。

Is = 從S流入的常規(guī)電流。

Id = 從D流入的常規(guī)電流。

Ig = 從G流入的常規(guī)電流。柵電流的流向是柵結(jié)前向偏置。

Vds = 漏源施加電壓——如果d比s更正，則為正值。

Vdd = 漏極供電電壓(外部電壓源)。

Vgg = 柵極供電電壓(外部電壓源)。

Vgs = 柵源施加電壓——如果g比s更正，則為正值。Vgs用于反向偏置p-n結(jié)(Vgs = - Vgg)。

對于n通道JFET，Id和Vds為正，Is和Vgs為負。

n通道JFET的工作原理

在對JFET端子施加任何外部電壓之前，兩個p-n結(jié)處于無偏置狀態(tài)，形成載流子耗盡區(qū)或空間電荷區(qū)。多余的載流子(電子)被移除或“耗盡”了載流子耗盡區(qū)。因此，載流子耗盡區(qū)幾乎沒有自由載流子，無法支持導通(如圖1所示)。

圖3顯示了Vgs = 0 V的條件——柵極與源極短路——并且Vds具有較低的正值。

正的漏極端子吸引通道中的電子，產(chǎn)生電流Id。

根據(jù)約定，電流流動方向與電子流動方向相反，因此電流Id流入D。

電流Is的大小和方向與Id相同。Is的正方向被定義為流入S。因此，在這種情況下，Is是負值。電流Ig非常小，這是JFET的一個重要特性。

通道的阻抗限制了圖3中的電荷流動的大小。

注意，載流子耗盡區(qū)在靠近D側(cè)時變得更寬。假設電阻均勻分布，通道中的電壓降將從S的0 V增加到D的Vds。然后，從S到D的p-n結(jié)將越來越多地反向偏置。隨著結(jié)上的反向偏置增加，靜止的未覆蓋電荷區(qū)域的厚度也增加。

未覆蓋電荷是載流子耗盡區(qū)中的束縛電荷——在p型側(cè)是負離子，在n型側(cè)是正離子。它們在結(jié)處形成一個偶極層。源自正離子并終止于負離子的電場線是結(jié)上電壓降的來源。術語“場效應”描述了這一機制，因為電流控制是由于與未覆蓋電荷區(qū)域相關的場的擴展和反向偏置的增加。

圖4顯示了n通道JFET的源漏特性，給出了Id與Vds的關系，且Vgs = 0。

當Id = 0時，通道是開放的。當Vds的值增加到幾伏時，電流按歐姆定律線性上升;這就是為什么圖形幾乎呈直線增長——電阻是恒定的，n型JFET表現(xiàn)為簡單的半導體電阻。

Vds的增量使耗盡區(qū)域變寬，通道的導電部分開始縮小——逐漸降低通道的有效寬度并增加其電阻。

由于通道中的歐姆降，縮小并不是均勻的，而是在距離源極更遠的地方更為明顯。

將Vds增加到看似兩個耗盡區(qū)會接觸的水平，如圖5所示，導致一種被稱為“擠壓”的狀態(tài)。在這種情況下，Vds = Vp——擠壓電壓。

當Vds達到Vp后，圖4中的曲線開始平坦化。電流Id接近一個恒定值——飽和水平——表示為Idss(飽和短路漏電流)。曲線的水平區(qū)域中通道的電阻趨向于無窮大。在擠壓狀態(tài)下，存在一個小通道，電流密度很高。

在圖5中，通道正好處于漏端的擠壓閾值。將Vds增加到超過Vp會延長沿通道的兩個耗盡區(qū)的接觸，但Idss保持不變。在這種情況下，JFET充當電流源。

在擠壓值時，通道不能完全關閉，使Id降至零——相反，Id保持在圖4所示的飽和水平。如果是那樣的話，提供p-n結(jié)反向偏置的歐姆降將會消失——失去導致擠壓的耗盡區(qū)域。

Vgs提供額外的反向偏置

柵源電壓(Vgs)控制JFET。設置柵極端子在低于源極的潛在電平時，會產(chǎn)生一系列Id與Vds的曲線，以Vgs為參數(shù)。圖6展示了n通道JFET的典型曲線。

施加柵電壓Vgs以提供額外的反向偏置，建立類似于Vgs = 0時的耗盡區(qū)域，但在較低的Vds值下，導致擠壓——和飽和水平——在更小的Vds值下發(fā)生。然后，Vgs幫助Vds產(chǎn)生擠壓。由于通道中Vds的降低，擠壓在較小的漏電流下發(fā)生。

對柵極施加一些正電壓——朝向前向偏置——使得產(chǎn)生擠壓所需的Vds值增加，同時導致擠壓出現(xiàn)的漏電流也相應增加。為了避免在柵極端子上產(chǎn)生不必要的電流，不宜施加高正電壓。

如前所述，每個特性曲線在小的Vds值下都有一個歐姆區(qū)域——Id與Vds成正比——以及在大的Vds值下的恒定電流區(qū)域——在該區(qū)域內(nèi)Id對Vds的響應很小。當Vds超過擠壓水平時，被擠壓的通道將電流限制在擠壓發(fā)生時的大小。

圖6還顯示，擠壓電壓呈拋物線下降，而在大Vds值下，飽和電流的大小隨著Vgs的負值增大而減少。

當Vgs = -Vp時，產(chǎn)生的飽和水平對應于最小的Id電流，我們可以得出結(jié)論，晶體管處于“關閉”狀態(tài)。

注意，當Vds達到較高的幅度時，曲線突然上升到看似無窮大的水平。這種上升標志著p-n結(jié)的雪崩擊穿;在這種情況下，只有輸出電路元件限制了通過通道的電流。

施加在任何兩個JFET端子之間的最大電壓是導致p-n結(jié)雪崩擊穿的最低電壓。圖6表明，當柵極反向偏置更強時，雪崩在較低的Vds值下發(fā)生。這是因為反向偏置柵電壓(Vgs)疊加在漏電壓(Vds)上，增加了p-n結(jié)上的實際電壓。

P通道結(jié)型場效應晶體管

p通道JFET是n通道的反轉(zhuǎn)，p型和n型材料的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖8顯示了p通道JFET的電路符號和極性約定。

p通道JFET的電流方向和電壓極性與n通道JFET相反;Id和Vds為負，Is和Vgs為正。因此，從柵極到源極的正電壓增加會限制通道。

圖8保留了圖2中用于n通道JFET的參考，適用于電流的Id、Is和Ig的方向，以及電壓Vds和Vgs的極性。柵極結(jié)的箭頭指向相反的方向(顯示從p型到n型的路徑)。

圖9顯示了p通道JFET的典型曲線。

圖9顯示Vgs為正值，Vds為負值——源極電位高于漏極。

同樣，在Vds為高負值時，曲線會突然上升到極端水平，暗示雪崩擊穿。

注意：

這兩種類型的晶體管——n通道和p通道——被稱為互補的。電路中的n通道JFET可以由類似額定值的p通道晶體管替換，反轉(zhuǎn)電源(Vdd)極性以及所有對極性敏感的器件，如電解電容器和二極管。

關于場效應晶體管

JFET的三個電氣端子是漏極(D)、源極(S)和柵極(G)。

大多數(shù)載流子從源極通過通道流向漏極。通道可以是n型或p型晶體。柵源電壓控制電場——以及通道中的漏電流(Id)。柵接點通常在其上施加反向偏置電壓，導致柵極端子上幾乎沒有流動電流。

考慮n通道設備，如果柵源電壓Vgs = 0 V而漏源電壓Vds為正，電子會由于電場在通道中漂移。漏電流Id與通道的電阻成正比，前提是Vds較小。

在p-n結(jié)處，載流子耗盡區(qū)域的寬度取決于電壓Vgs。Vgs的變化會改變通道的尺寸。載流子耗盡區(qū)域充當閥門，以控制通道中的電流量，從而影響電流Id的大小。

正的漏電壓使p-n結(jié)反向偏置，主要在通道的漏端附近。當Vds達到擠壓電壓(Vp)時，通道的厚度在靠近漏端的地方幾乎減小到零。當Vds = Vp時，Id并不為零，因為在擠壓點和源端之間仍存在該電壓，產(chǎn)生的電場使載流子通過通道加速到漏端。

對于Vds > Vp的值，柵極與漏極之間的耗盡區(qū)域厚度增加，而擠壓點與源之間幾乎沒有變化。因此，額外的電壓出現(xiàn)在耗盡區(qū)域，通道沿線的電場變化很小。其結(jié)果是Id值保持恒定。

在Vds = Vp和Vgs = 0 V下測得的電流稱為飽和短路漏電流(Idss)。JFET通常在Vds > Vp和柵極施加反向偏置的情況下運行。當Vds + Vgs > Vp時，Id幾乎獨立于Vds。

在高Vds值下，p-n結(jié)會產(chǎn)生雪崩擊穿。JFET的輸入阻抗非常高，但在發(fā)生雪崩擊穿時會急劇下降。

p通道JFET具有p型通道和n型柵極。它的工作方式類似于n通道晶體管，但電壓和電流極性相反。

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