了解場效應(yīng)晶體管的原理和操作。
　　晶體管是當(dāng)今電子電路中必不可少的半導(dǎo)體器件。它們可以執(zhí)行兩個(gè)主要功能。首先，作為它們的真空管前身，三極管，它們可以放大電信號。其次，它們可以充當(dāng)計(jì)算機(jī)中的交換設(shè)備，進(jìn)行信息處理和存儲(chǔ)。場效應(yīng)晶體管是通過電場控制電流的半導(dǎo)體器件。
　　晶體管可以放大電信號并充當(dāng)開關(guān)器件。計(jì)算機(jī)利用晶體管的開關(guān)能力進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算以及信息存儲(chǔ)。他們使用二進(jìn)制代碼（以 2 為基數(shù)寫入的數(shù)字）來表達(dá)數(shù)字和函數(shù)。兩個(gè)狀態(tài)系列 - 0 和 1 - 代表數(shù)字。
　　數(shù)字電路中的晶體管也以兩種狀態(tài)運(yùn)行：“開”和“關(guān)”——或者導(dǎo)通和不導(dǎo)通。“開”對應(yīng)一種二進(jìn)制數(shù)狀態(tài)，“關(guān)”對應(yīng)另一種二進(jìn)制數(shù)狀態(tài)。因此，包含正確切換的晶體管的電路元件的集合可以表征數(shù)字。
　　偶極子層（由 FET 的 pn 結(jié)中的擴(kuò)散過程產(chǎn)生）會(huì)建立電場。這些電場控制輸出電路的傳導(dǎo)路徑。這種機(jī)制是術(shù)語“場效應(yīng)”的基礎(chǔ)。
　　對這些器件的興趣主要是因?yàn)檩斎腚娐肪哂袉蝹€(gè)反向偏置二極管的特性。FET 需要的直流輸入電流并具有非常高的輸入阻抗。
　　場效應(yīng)晶體管的類型
　　場效應(yīng)晶體管主要分為三種類型：結(jié)型場效應(yīng)晶體管（縮寫為 JFET，或簡稱 FET）、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 和金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（ MESFET）。
　　金屬氧化物半導(dǎo)體的其他縮寫詞有 MOST（MOS 晶體管）和 IGFET（絕緣柵場效應(yīng)晶體管）。
　　MESFET 是一項(xiàng)現(xiàn)代開發(fā)成果，利用砷化鎵 (GaAs) 的高速特性作為基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料。
　　數(shù)字應(yīng)用在集成電路中采用 MOSFET，而 JFET 在模擬應(yīng)用中更為常見。
　　本文介紹結(jié)型場效應(yīng)晶體管 (JFET) 并研究這些器件的工作原理。
　　結(jié)型場效應(yīng)晶體管
　　結(jié)型場效應(yīng)晶體管是一種三端器件，其中施加到一個(gè)端子的電壓控制其他兩個(gè)端子之間的電流——輸出電路電流。
　　JFET 有兩種類型：n 溝道和 p 溝道。由于電子比空穴移動(dòng)得更快，n 溝道 JFET 比 p 溝道 JFET 更常見。
　　雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 的導(dǎo)通水平取決于兩種電荷載流子——電子和空穴。然而，JFET 是一種單極器件，因?yàn)樗膫鲗?dǎo)取決于一種類型的載流子——電子（n 溝道）或空穴（p 溝道）。
　　JFET 的其他基本特性包括：
　　易于制造。
　　尺寸小，適合LSI和VLSI數(shù)字陣列。
　　高輸入阻抗——通常為數(shù)兆歐。
　　比 BJT 噪音小。
　　零漏極電流時(shí)無失調(diào)電壓。

　　n 溝道結(jié)型場效應(yīng)晶體管

　　圖 1顯示了 n 溝道 JFET 的示意圖。該圖所示的幾何結(jié)構(gòu)簡化了 JFET 原理的分析。
　　圖 1.n溝道 JFET。
　　器件的兩側(cè)都有重?fù)诫s的受主雜質(zhì) p 型區(qū)域，形成柵極 G。注意兩個(gè) p 型區(qū)域和柵極端子之間的連接。
　　兩個(gè)柵極區(qū)之間的區(qū)域是溝道，是n型材料的結(jié)構(gòu)。該狹窄的半導(dǎo)體溝道提供了源極和漏極之間的導(dǎo)電路徑。大多數(shù)載流子通過源極 S 進(jìn)入器件，并通過漏極 D 離開器件。源極側(cè)可以是任一溝道的末端。
　　該結(jié)構(gòu)的工作原理是通過調(diào)節(jié)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 溝道 JFET 的電路符號以及電流方向和電壓極性的約定。

　　圖 2. n 溝道 JFET 的電路符號和約定。
　　柵極處的箭頭表示從 p 型到 n 型 JFET 穿過結(jié)的方向。
　　Is = 在 S 處進(jìn)入的常規(guī)電流。
　　Id = 在 D 處進(jìn)入的常規(guī)電流。
　　Ig = 在 G 處進(jìn)入的常規(guī)電流。這是柵極電流流動(dòng)方向，柵極結(jié)正向偏置。
　　Vds = 漏極至源極施加的電壓 – 如果 d 比 s 更正，則為正。
　　Vdd = 漏極電源電壓（外部電壓源）。
　　Vgg = 柵極電源電壓（外部電壓源）。
　　Vgs = 柵極到源極施加的電壓 – 如果 g 比 s 更正，則為正。Vgs 與極性一起使用以反向偏置 pn 結(jié) (Vgs = - Vgg)。
　　對于n溝道JFET，Id和Vds為正，Is和Vgs為負(fù)。
　　N 溝道 JFET 操作

　　在向 JFET 端子施加任何外部電壓之前，無偏置條件下有兩個(gè) pn 結(jié)，在每個(gè)結(jié)處產(chǎn)生載流子耗盡區(qū)或空間電荷區(qū)。多余的載流子（電子）已從載流子耗盡區(qū)去除或“耗盡”。因此，載流子耗盡區(qū)的自由載流子很少，無法支持傳導(dǎo)（圖1）。

　　圖 3顯示了 Vgs = 0 V（柵極和源極短路）且 Vds 具有較低正值的情況。
　　圖 3.Vgs = 0V 且 Vds > 0V。
　　正漏極端子吸引溝道的電子，產(chǎn)生電流Id。
　　按照慣例，電流的流動(dòng)方向與電子流的方向相反；因此，當(dāng)前Id進(jìn)入D。
　　電流 Is 與 Id 具有相同的大小和方向。Is 的正方向被定義為進(jìn)入 S。因此，在此條件下 Is 為負(fù)。電流 Ig 小到可以忽略不計(jì)，這是 JFET 的一個(gè)重要屬性。
　　通道的阻抗限制了圖 3中電荷流的大小。
　　請注意，載流子耗盡區(qū)在接近 D 側(cè)時(shí)變得更寬。假設(shè)電阻均勻分布，溝道中的壓降將從 S 處的 0 V 增加到 D 處的 Vds。然后，pn 結(jié)將從 S 到 D 的反向偏置逐漸增大。隨著結(jié)上的反向偏置增加，因此是未覆蓋的固定電荷區(qū)域的厚度。

　　未覆蓋的電荷是載流子耗盡區(qū)中的束縛電荷——p型側(cè)為負(fù)離子，n型側(cè)為正離子。它們在連接處產(chǎn)生電荷偶極層。源自正離子并終止于負(fù)離子的電場線是結(jié)點(diǎn)上電壓降的來源。場效應(yīng)一詞描述了這種機(jī)制，因?yàn)殡娏骺刂剖怯膳c未覆蓋電荷區(qū)域相關(guān)的場隨著反向偏壓的增加而延伸而產(chǎn)生的。

　　圖 4顯示了 n 溝道 JFET 的源極-漏極特性，給出了 Id 與 Vds 的關(guān)系，其中 Vgs = 0。
　　圖 4. Id 與 Vds，Vgs = 0 V。
　　當(dāng)Id = 0時(shí)，通道打開。將Vds值增加到幾伏，電流遵循歐姆定律線性上升；這就是為什么繪圖幾乎呈直線增長的原因——電阻是恒定的，n 型 JFET 充當(dāng)簡單的半導(dǎo)體電阻器。
　　Vds 的增加使耗盡區(qū)變寬，溝道的導(dǎo)電部分開始縮小——逐漸減小溝道的有效寬度并增加其電阻。
　　由于沿通道的歐姆壓降，收縮并不均勻，但在距源較遠(yuǎn)的距離處更為明顯。

　　將 Vds 增加到兩個(gè)耗盡區(qū)似乎會(huì)接觸的水平（如圖5所示），會(huì)導(dǎo)致稱為夾斷的情況。在這種情況下，Vds = Vp – 夾斷電壓。

　　圖 5.Vgs = 0V，Vds = Vp。
　　Vds 達(dá)到 Vp 后，圖 4中的曲線開始趨于平穩(wěn)。電流 Id 接近恒定值（飽和水平），顯示為 Idss（飽和短路漏極電流）。在曲線的水平區(qū)域，通道的電阻將趨向于無限歐姆。在夾斷時(shí)，存在一個(gè)具有高密度電流的微小通道。
　　在 圖5中，溝道正好處于漏極端的夾斷閾值。將 Vds 增加到超過 Vp 會(huì)延長兩個(gè)耗盡區(qū)沿溝道的接觸時(shí)間，但 Idss 保持不變。在此條件下，JFET 充當(dāng)電流源。
　　通道無法在夾斷值處完全關(guān)閉，從而將 Id 降至零 - 相反，Id 保留圖 4所示的飽和水平。如果是這種情況，沿 pn 結(jié)提供反向偏壓的歐姆壓降將不存在，從而失去導(dǎo)致夾斷的耗盡區(qū)。
　　Vgs 提供額外的反向偏置

　　柵源電壓 (Vgs) 控制 JFET。將柵極端子設(shè)置為逐漸低于源極的電位水平會(huì)產(chǎn)生一系列 Id 與 Vds 曲線，其中 Vgs 作為參數(shù)。圖 6顯示了 n 溝道 JFET 的典型曲線。

　　圖 6.n溝道 JFET 的特性。
　　在提供額外反向偏壓的方向上施加?xùn)艠O電壓 Vgs 會(huì)建立類似于 Vgs = 0 的耗盡區(qū)，但 Vds 的電平較低，從而導(dǎo)致在較小的 Vds 值下發(fā)生夾斷和飽和電平。然后，Vgs 幫助Vds 產(chǎn)生夾斷。隨著溝道上 Vds 值的降低，漏極電流較小時(shí)會(huì)發(fā)生夾斷。
　　向柵極施加一點(diǎn)正電壓（沿正向偏壓方向），產(chǎn)生夾斷所需的 Vds 值會(huì)增加，出現(xiàn)夾斷時(shí)的漏極電流也會(huì)相應(yīng)增加。不方便施加高正電壓來避免柵極端子處出現(xiàn)不需要的電流。
　　與之前一樣，每條特性曲線都有一個(gè)適用于小 Vds 值的歐姆區(qū)域（Id 與 Vds 成比例）和一個(gè)適用于大 Vds 值的恒流區(qū)域（其中 Id 對 Vds 略有響應(yīng)）。當(dāng) Vds 上升超過夾斷水平時(shí)，夾斷溝道將電流限制為發(fā)生夾斷時(shí)存在的大小。
　　圖 6還顯示夾斷電壓呈拋物線下降，并且飽和電流的幅度（對于較大的 Vds 值）隨著 Vgs 變得更負(fù)而減小。
　　Vgs = - Vp 產(chǎn)生具有 Id 電流的飽和電平，我們可以得出結(jié)論，晶體管處于“關(guān)閉”狀態(tài)。
　　請注意，當(dāng) Vds 達(dá)到更高的幅度時(shí)，曲線會(huì)突然上升到看似無窮大的水平。這種上升表示 pn 結(jié)上的雪崩擊穿；在這種情況下，只有輸出電路元件限制通過通道的電流。
　　在任何兩個(gè) JFET 端子之間施加的電壓是會(huì)在 pn 結(jié)上引起雪崩擊穿的電壓。圖 6顯示雪崩發(fā)生在較低的 Vds 值時(shí)，因?yàn)闁艠O的反向偏置程度更大。發(fā)生這種情況是因?yàn)榉聪蚱脰艠O電壓 (Vgs) 添加到漏極電壓 (Vds)，從而使 pn 結(jié)兩端的實(shí)際電壓升高。
　　P 溝道結(jié)型場效應(yīng)晶體管

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

　　圖 7.p溝道 JFET。

　　圖 8顯示了 p 溝道 JFET 的電路符號和極性約定。

　　圖 8. p 溝道 JFET 的電路符號和約定。

　　與 n 溝道 JFET 相比，p 溝道 JFET 具有相反的電流方向和電壓極性；Id 和 Vds 為負(fù)，Is 和 Vgs 為正。因此，增加從柵極到源極的正電壓將收縮溝道。

　　圖 8保留了圖 2中用于 n 溝道 JFET、電流 Id、Is 和 Ig 方向以及電壓 Vds 和 Vgs 極性的參考。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 溝道 JFET 的典型曲線。

　　圖 9.典型 p 溝道 JFET 的特性。

　　圖 9顯示了 Vgs 的正值和 Vds 的負(fù)值——源極的電位高于漏極。
　　同樣，在 Vds 為高負(fù)值時(shí)，曲線突然上升到極端水平，表明雪崩擊穿。
　　筆記：
　　這兩種類型的晶體管——n 溝道和 p 溝道——據(jù)說是互補(bǔ)的。電路中的 n 溝道 JFET 可以替換為具有類似額定值的 p 溝道晶體管，反轉(zhuǎn)電源 (Vdd) 極性和所有極性敏感器件，例如電解電容器和二極管。
　　關(guān)于場效應(yīng)晶體管
　　JFET 的三個(gè)電端子是漏極 (D)、源極 (S) 和柵極 (G)。
　　大多數(shù)載流子從源極通過溝道流到漏極。溝道可以是n型或p型晶體。
　　柵源電壓控制溝道中的電場和漏極電流 (Id)。柵極結(jié)通常具有反向偏置電壓，導(dǎo)致柵極端子上流動(dòng)的電流可以忽略不計(jì)。
　　考慮n溝道器件，如果柵源電壓Vgs=0V并且漏源電壓Vds為正，則電子由于電場而漂移通過溝道。如果 Vds 較小，則漏極電流 Id 與溝道電阻成正比。
　　pn結(jié)處的載流子耗盡區(qū)的寬度取決于電壓Vgs。Vgs 的變化會(huì)改變通道尺寸。載流子耗盡區(qū)充當(dāng)閥門來控制溝道中的電流量，以及隨后的電流Id的大小。
　　正漏極電壓反向偏置 pn 結(jié)，主要是在溝道漏極端附近。當(dāng) Vds 達(dá)到夾斷電壓 (Vp) 時(shí)，溝道厚度在靠近漏極端的點(diǎn)處減小到幾乎為零。當(dāng)Vds = Vp時(shí)，Id不為零，因?yàn)閵A斷點(diǎn)和源極之間仍然存在該電壓，并且產(chǎn)生的電場加速載流子通過溝道到達(dá)漏極。
　　對于值 Vds > Vp，耗盡區(qū)厚度在柵極和漏極之間增加，而夾斷點(diǎn)和源極之間幾乎沒有變化。結(jié)果，額外的電壓出現(xiàn)在耗盡區(qū)上，而沿溝道的電場幾乎沒有變化。結(jié)果是一個(gè)恒定的 Id 值。
　　在 Vds = Vp 和 Vgs = 0 V 下測量的電流是飽和短路漏極電流 (Idss)。
　　JFET 通常在 Vds > Vp 且向柵極施加反向偏壓的情況下工作。當(dāng)Vds + Vgs > Vp 時(shí)，Id 幾乎與Vds 無關(guān)。
　　當(dāng) Vds 值較高時(shí)，pn 結(jié)處會(huì)出現(xiàn)雪崩擊穿。
　　JFET 的輸入阻抗非常高，但在發(fā)生雪崩擊穿時(shí)會(huì)急劇下降。
　　p 溝道 JFET 具有 p 型溝道和 n 型柵極。它的工作原理類似于 n 溝道晶體管，但電壓和電流極性相反。