场效应晶体管的原理和操作是怎样的？

晶体管是当今电子电路中必不可少的半导体器件。它们可以执行两个主要功能。首先，作为它们的真空管前身，三极管，它们可以放大电信号。其次，它们可以充当计算机中的交换设备，进行信息处理和存储。场效应晶体管是通过电场控制电流的半导体器件。

晶体管可以放大电信号并充当开关器件。计算机利用晶体管的开关能力进行算术和逻辑运算以及信息存储。他们使用二进制代码（以 2 为基数写入的数字）来表达数字和函数。两个状态系列 - 0 和 1 - 代表数字。

数字电路中的晶体管也以两种状态运行：“开”和“关”——或者导通和不导通。“开”对应一种二进制数状态，“关”对应另一种二进制数状态。因此，包含正确切换的晶体管的电路元件的集合可以表征数字。

偶极子层（由 FET 的 pn 结中的扩散过程产生）会建立电场。这些电场控制输出电路的传导路径。这种机制是术语“场效应”的基础。

对这些器件的兴趣主要是因为输入电路具有单个反向偏置二极管的特性。FET 需要的直流输入电流并具有非常高的输入阻抗。

场效应晶体管的类型

场效应晶体管主要分为三种类型：结型场效应晶体管（缩写为 JFET，或简称 FET）、金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 和金属半导体场效应晶体管（ MESFET）。

金属氧化物半导体的其他缩写词有 MOST（MOS 晶体管）和 IGFET（绝缘栅场效应晶体管）。

MESFET 是一项现代开发成果，利用砷化镓 (GaAs) 的高速特性作为基础半导体材料。

数字应用在集成电路中采用 MOSFET，而 JFET 在模拟应用中更为常见。

本文介绍结型场效应晶体管 (JFET) 并研究这些器件的工作原理。

结型场效应晶体管

结型场效应晶体管是一种三端器件，其中施加到一个端子的电压控制其他两个端子之间的电流——输出电路电流。

JFET 有两种类型：n 沟道和 p 沟道。由于电子比空穴移动得更快，n 沟道 JFET 比 p 沟道 JFET 更常见。

双极结型晶体管 (BJT) 的导通水平取决于两种电荷载流子——电子和空穴。然而，JFET 是一种单极器件，因为它的传导取决于一种类型的载流子——电子（n 沟道）或空穴（p 沟道）。

JFET 的其他基本特性包括：

易于制造。

尺寸小，适合LSI和VLSI数字阵列。

高输入阻抗——通常为数兆欧。

比 BJT 噪音小。

零漏极电流时无失调电压。

n 沟道结型场效应晶体管

图 1显示了 n 沟道 JFET 的示意图。该图所示的几何结构简化了 JFET 原理的分析。

图 1.n沟道 JFET。

器件的两侧都有重掺杂的受主杂质 p 型区域，形成栅极 G。注意两个 p 型区域和栅极端子之间的连接。

两个栅极区之间的区域是沟道，是n型材料的结构。该狭窄的半导体沟道提供了源极和漏极之间的导电路径。大多数载流子通过源极 S 进入器件，并通过漏极 D 离开器件。源极侧可以是任一沟道的末端。

该结构的工作原理是通过调节栅极 G 上的电压来改变 S 和 D 端子之间的电阻。

图 2显示了 n 沟道 JFET 的电路符号以及电流方向和电压极性的约定。

图 2. n 沟道 JFET 的电路符号和约定。

栅极处的箭头表示从 p 型到 n 型 JFET 穿过结的方向。

Is = 在 S 处进入的常规电流。

Id = 在 D 处进入的常规电流。

Ig = 在 G 处进入的常规电流。这是栅极电流流动方向，栅极结正向偏置。

Vds = 漏极至源极施加的电压 – 如果 d 比 s 更正，则为正。

Vdd = 漏极电源电压（外部电压源）。

Vgg = 栅极电源电压（外部电压源）。

Vgs = 栅极到源极施加的电压 – 如果 g 比 s 更正，则为正。Vgs 与极性一起使用以反向偏置 pn 结 (Vgs = - Vgg)。

对于n沟道JFET，Id和Vds为正，Is和Vgs为负。

N 沟道 JFET 操作

在向 JFET 端子施加任何外部电压之前，无偏置条件下有两个 pn 结，在每个结处产生载流子耗尽区或空间电荷区。多余的载流子（电子）已从载流子耗尽区去除或“耗尽”。因此，载流子耗尽区的自由载流子很少，无法支持传导（图1）。

图 3显示了 Vgs = 0 V（栅极和源极短路）且 Vds 具有较低正值的情况。

图 3.Vgs = 0V 且 Vds > 0V。

正漏极端子吸引沟道的电子，产生电流Id。

按照惯例，电流的流动方向与电子流的方向相反；因此，当前Id进入D。

电流 Is 与 Id 具有相同的大小和方向。Is 的正方向被定义为进入 S。因此，在此条件下 Is 为负。电流 Ig 小到可以忽略不计，这是 JFET 的一个重要属性。

通道的阻抗限制了图 3中电荷流的大小。

请注意，载流子耗尽区在接近 D 侧时变得更宽。假设电阻均匀分布，沟道中的压降将从 S 处的 0 V 增加到 D 处的 Vds。然后，pn 结将从 S 到 D 的反向偏置逐渐增大。随着结上的反向偏置增加，因此是未覆盖的固定电荷区域的厚度。

未覆盖的电荷是载流子耗尽区中的束缚电荷——p型侧为负离子，n型侧为正离子。它们在连接处产生电荷偶极层。源自正离子并终止于负离子的电场线是结点上电压降的来源。场效应一词描述了这种机制，因为电流控制是由与未覆盖电荷区域相关的场随着反向偏压的增加而延伸而产生的。

图 4显示了 n 沟道 JFET 的源极-漏极特性，给出了 Id 与 Vds 的关系，其中 Vgs = 0。

图 4. Id 与 Vds，Vgs = 0 V。

当Id = 0时，通道打开。将Vds值增加到几伏，电流遵循欧姆定律线性上升；这就是为什么绘图几乎呈直线增长的原因——电阻是恒定的，n 型 JFET 充当简单的半导体电阻器。

Vds 的增加使耗尽区变宽，沟道的导电部分开始缩小——逐渐减小沟道的有效宽度并增加其电阻。

由于沿通道的欧姆压降，收缩并不均匀，但在距源较远的距离处更为明显。

将 Vds 增加到两个耗尽区似乎会接触的水平（如图5所示），会导致称为夹断的情况。在这种情况下，Vds = Vp – 夹断电压。

图 5.Vgs = 0V，Vds = Vp。

Vds 达到 Vp 后，图 4中的曲线开始趋于平稳。电流 Id 接近恒定值（饱和水平），显示为 Idss（饱和短路漏极电流）。在曲线的水平区域，通道的电阻将趋向于无限欧姆。在夹断时，存在一个具有高密度电流的微小通道。

在 图5中，沟道正好处于漏极端的夹断阈值。将 Vds 增加到超过 Vp 会延长两个耗尽区沿沟道的接触时间，但 Idss 保持不变。在此条件下，JFET 充当电流源。

通道无法在夹断值处完全关闭，从而将 Id 降至零 - 相反，Id 保留图 4所示的饱和水平。如果是这种情况，沿 pn 结提供反向偏压的欧姆压降将不存在，从而失去导致夹断的耗尽区。

Vgs 提供额外的反向偏置

栅源电压 (Vgs) 控制 JFET。将栅极端子设置为逐渐低于源极的电位水平会产生一系列 Id 与 Vds 曲线，其中 Vgs 作为参数。图 6显示了 n 沟道 JFET 的典型曲线。

在提供额外反向偏压的方向上施加栅极电压 Vgs 会建立类似于 Vgs = 0 的耗尽区，但 Vds 的电平较低，从而导致在较小的 Vds 值下发生夹断和饱和电平。然后，Vgs 帮助Vds 产生夹断。随着沟道上 Vds 值的降低，漏极电流较小时会发生夹断。

向栅极施加一点正电压（沿正向偏压方向），产生夹断所需的 Vds 值会增加，出现夹断时的漏极电流也会相应增加。不方便施加高正电压来避免栅极端子处出现不需要的电流。

与之前一样，每条特性曲线都有一个适用于小 Vds 值的欧姆区域（Id 与 Vds 成比例）和一个适用于大 Vds 值的恒流区域（其中 Id 对 Vds 略有响应）。当 Vds 上升超过夹断水平时，夹断沟道将电流限制为发生夹断时存在的大小。

图 6还显示夹断电压呈抛物线下降，并且饱和电流的幅度（对于较大的 Vds 值）随着 Vgs 变得更负而减小。

Vgs = - Vp 产生具有 Id 电流的饱和电平，我们可以得出结论，晶体管处于“关闭”状态。

请注意，当 Vds 达到更高的幅度时，曲线会突然上升到看似无穷大的水平。这种上升表示 pn 结上的雪崩击穿；在这种情况下，只有输出电路元件限制通过通道的电流。

在任何两个 JFET 端子之间施加的电压是会在 pn 结上引起雪崩击穿的电压。图 6显示雪崩发生在较低的 Vds 值时，因为栅极的反向偏置程度更大。发生这种情况是因为反向偏置栅极电压 (Vgs) 添加到漏极电压 (Vds)，从而使 pn 结两端的实际电压升高。

P 沟道结型场效应晶体管

p 沟道 JFET 是 n 沟道的反转，其 p 型和 n 型材料的结构如图7所示。

图 7.p沟道 JFET。

图 8显示了 p 沟道 JFET 的电路符号和极性约定。

图 8. p 沟道 JFET 的电路符号和约定。

与 n 沟道 JFET 相比，p 沟道 JFET 具有相反的电流方向和电压极性；Id 和 Vds 为负，Is 和 Vgs 为正。因此，增加从栅极到源极的正电压将收缩沟道。

图 8保留了图 2中用于 n 沟道 JFET、电流 Id、Is 和 Ig 方向以及电压 Vds 和 Vgs 极性的参考。栅极结的箭头指向相反的方向（显示从 p 型到 n 型的路径）。

图 9显示了 p 沟道 JFET 的典型曲线。

图 9.典型 p 沟道 JFET 的特性。

图 9显示了 Vgs 的正值和 Vds 的负值——源极的电位高于漏极。

同样，在 Vds 为高负值时，曲线突然上升到极端水平，表明雪崩击穿。

笔记：

这两种类型的晶体管——n 沟道和 p 沟道——据说是互补的。电路中的 n 沟道 JFET 可以替换为具有类似额定值的 p 沟道晶体管，反转电源 (Vdd) 极性和所有极性敏感器件，例如电解电容器和二极管。

关于场效应晶体管

JFET 的三个电端子是漏极 (D)、源极 (S) 和栅极 (G)。

大多数载流子从源极通过沟道流到漏极。沟道可以是n型或p型晶体。

栅源电压控制沟道中的电场和漏极电流 (Id)。栅极结通常具有反向偏置电压，导致栅极端子上流动的电流可以忽略不计。

考虑n沟道器件，如果栅源电压Vgs=0V并且漏源电压Vds为正，则电子由于电场而漂移通过沟道。如果 Vds 较小，则漏极电流 Id 与沟道电阻成正比。

pn结处的载流子耗尽区的宽度取决于电压Vgs。Vgs 的变化会改变通道尺寸。载流子耗尽区充当阀门来控制沟道中的电流量，以及随后的电流Id的大小。

正漏极电压反向偏置 pn 结，主要是在沟道漏极端附近。当 Vds 达到夹断电压 (Vp) 时，沟道厚度在靠近漏极端的点处减小到几乎为零。当Vds = Vp时，Id不为零，因为夹断点和源极之间仍然存在该电压，并且产生的电场加速载流子通过沟道到达漏极。

对于值 Vds > Vp，耗尽区厚度在栅极和漏极之间增加，而夹断点和源极之间几乎没有变化。结果，额外的电压出现在耗尽区上，而沿沟道的电场几乎没有变化。结果是一个恒定的 Id 值。

在 Vds = Vp 和 Vgs = 0 V 下测量的电流是饱和短路漏极电流 (Idss)。

JFET 通常在 Vds > Vp 且向栅极施加反向偏压的情况下工作。当Vds + Vgs > Vp 时，Id 几乎与Vds 无关。

当 Vds 值较高时，pn 结处会出现雪崩击穿。

JFET 的输入阻抗非常高，但在发生雪崩击穿时会急剧下降。

p 沟道 JFET 具有 p 型沟道和 n 型栅极。它的工作原理类似于 n 沟道晶体管，但电压和电流极性相反。