场效应晶体管

场效应晶体管（FET）也是一种晶体管，与双极结型晶体管（BJT）类似。FET也称为JFET（结型场效应晶体管）。

让我们详细讨论JFET的**概念、结构、类型（含工作原理）**和**特性**。

结构

结型场效应晶体管有三个端子：**漏极（Drain）、源极（Source）**和**栅极（Gate）**。JFET的结构和符号如下所示

JFET的端子

JFET的三个端子如下：

源

源极是晶体管底部的端子，如上所示。在n沟道情况下，**电子**（n沟道）和**空穴**（p沟道）是主要的载流子，它们通过源极进入晶体管。由这些主要载流子产生的通过此端子的电流称为**源极电流**（I_S）。

漏极

晶体管顶部设有漏极。在n沟道情况下，电子（n沟道）和空穴（p沟道）是主要的载流子，它们通过漏极离开晶体管。由这些主要载流子产生的通过此端子的电流是**漏极电流**（I_D）。漏极和源极之间连接有电压。

JFET中的电流方向与电子流方向相反，与空穴流方向相同。漏极和源极之间的电压称为V_DS。

栅极

栅极由晶体管两侧的**重掺杂**区域组成。对于n沟道，晶体管两侧有**两个p区**，称为栅极。通过相同的过程在两个区域上掺杂形成p-n结。

栅极和源极之间的电压称为V_GS。它被施加成使p-n结反向偏置。通过此端子产生的电流称为栅极电流（I_G）。

渠道

晶体管中n型掺杂量大的部分称为沟道。它是指两个栅极区域之间的区域，主要载流子在此区域内从源极移动到漏极。

电压

有两个电压源V_DS和V_GS。让我们讨论这两个电压源在JFET三个端子上的连接。

V_DS

它是D和S（漏极和源极）端子之间的电压。V_DS的连接方式是：它与源极的关系描述了载流子从S向D的运动；它与漏极的关系描述了从D吸引电荷以形成电流。

它可以计算为

V_DS = V_D - V_S

V_GS

它是G和S（栅极和源极）端子之间的电压。它也称为JFET的**控制电压**。它的目的是增加晶体管的漏极电流。

JFET的类型

JFET进一步分为n沟道JFET和p沟道JFET。两种JFET的工作原理相似，只是主要载流子不同。

n沟道JFET

n沟道是指中心沟道掺有N型或五价杂质，两侧的两个板掺有P型或三价杂质的JFET。

构建

NPN JFET的结构如下所示

其中，D代表漏极，S代表源极，G代表栅极。V_DS和V_GS是连接在G、D和S端子上的两个电压源。连接如下所示

V_DS的（+）端连接到漏极，（-）端连接到源极。同样，V_GS的（+）端连接到源极，（-）端连接到栅极。

让我们讨论其工作原理。

工作方式

• 当V_DS电压开启时，电子流向S。栅极电压保持零伏。n沟道的电子（主要载流子）开始向D移动。这是因为同种电荷会相互排斥。
• 一些电子沉积在两侧的两个p型极板上，因为异种电荷会相互吸引。在两个极板处形成耗尽区，如下所示
  
• 电子将通过两个耗尽区之间的空间流向D。这会导致从D到S的电流。
• 当V_GS电压开启时，栅极端子提供更多电荷，增加了两个p型层的耗尽宽度。如下所示
  
• 由于耗尽区之间间隙减小，电子从S流出的数量减少。
• 降低V_DS和V_GS的电压也会减小耗尽区的宽度。
• 较大的负偏压会进一步增加耗尽宽度，由于电子流向漏极的运动受阻，电流开始减小。如下所示
  

p沟道JFET

p沟道是指中心沟道掺有P型杂质，两侧板掺有N型或五价杂质的JFET。

构建

PNP JFET的结构如下所示

p沟道JFET的工作原理与n沟道JFET相同，只是两种场效应晶体管的主要载流子不同。p沟道中形成电流的载流子是空穴，n沟道中是电子。两个端子之间的电压连接概念已在前面讨论过。

在G、D和S端子施加电压后，p沟道中的耗尽宽度将显示如下

V_DS的（+）端连接到源极，（-）端连接到漏极。同样，V_GS的（+）端连接到栅极，（-）端连接到源极。

注意：由于n沟道和p沟道中主要载流子浓度的差异，这两种JFET的连接方式是相反的。

JFET公式

• 计算漏极电流的公式如下：
  I_D = I_DSS (1 - V_GS/V_P)²
  其中，
  V_P是夹断电压
  I_DSS是仅漏极电流，但零偏置情况下
  还可以使用以下公式计算漏极电流：
  I_D = (V_DD - V_D) / R_D
  V_DD 也称为 V_GS。
• 计算R_GS（栅-源电阻）的公式如下：
  R_GS = V_GS / I_G
• JFET的跨导（transconductance）由下式给出：
  G_m = ? I_D / ? V_GS
• JFET的漏极电阻（R_D）由下式给出：
  R_D = 1/ Gm = ? V_GS / ? I_D
• JFET的放大系数（u）定义为V_DS和V_GS电压变化之比。它由下式给出：
  U = ? V_DS / ? V_GS
• 夹断电压可以使用以下公式计算：
  V_P = V_GS - V_DS
  V_P = qN_Da²/2ε

稍后我们将在主题中讨论基于以上公式的两个示例。

夹断电压

它定义为当电压低于阈值电压V_T时，晶体管关闭的状态。它也定义为从沟道中移除所有自由电荷的晶体管状态。

特性

在此，我们将讨论n沟道JFET的特性。

X轴为D-S电压，Y轴为漏极电流的特性曲线如下所示

考虑下面的JFET电路。

情况 1

在V_GS = 0且I_D = 0的情况下，S和G不会接收任何电压。这意味着两个端子都是开路的。但是，当在D和S端子之间施加V_DS时，晶体管将开始工作，只需施加一个小电压。电子将从S向漏极移动，形成一个小漏极电流。因此，I_D随施加的V_DS呈线性增加。

在某个点，漏极区域的电荷浓度会很高。这是**夹断**状态，此时D比S侧反向偏置程度更大。电流I_D将开始趋于恒定值。I_D对V_GS响应更大，对V_DS响应较小。

情况 2

如果在S和D端子之间也施加V_GS，则夹断状态将比第一种情况更快发生。这是因为晶体管同时施加了V_GS和V_DS。最大I_D也会较小。

栅极上的反向偏置电压会增加漏极电压，从而增加G结上的有效电压。

n沟道JFET需要S端有负电压才能使电子流向D。D结需要正电压来吸引更多电子形成电流。p沟道需要S端有正电压才能使空穴流向D。D结需要负电压来吸引更多空穴形成电流。我们可以将沟道的任意一端用作源极或漏极，我们只需要考虑施加到两个沟道的极性。

数学模型

我们已经讨论过V_DS只会引起晶体管漏极电流的小变化。但是当施加V_GS时，电流会增加。假设有效沟道横截面积为A，且A保持不变。

A的面积 = 2bw

其中，

2b是沟道宽度

W是垂直于宽度的沟道尺寸

根据欧姆定律，漏极电流可写为：

I_D = AqN_Du_nε

代入 A = 2bw，我们得到：

I_D = 2bwqN_Du_nε

其中，

N_D是施主离子

我们知道 ε = V_DS/ L

所以，

I_D = 2bwqN_Du_nV_DS/ L

FET作为压控电阻

FET可以在特定区域作为VVR（压控电阻），压控电阻也称为**电压相关电阻**。场效应晶体管在VDS较小且处于夹断之前的状态时，会产生一个小漏极电流。晶体管仅在此区域，即夹断之前，表现为压控电阻。D和S两个结之间的电阻由VGS电压控制。VVR在各种应用中使用，例如音频放大器和电视接收机。

FET 与 BJT 对比

让我们讨论场效应晶体管和双极结型晶体管之间的区别。

数值例子

让我们讨论两个JFET的示例。

示例1：一个结型场效应晶体管产生的栅极电流为5nA。栅极反向偏置电压为10伏。求晶体管漏极和源极之间的电阻？

解决方案

已知：V_GS = 10V 和 I_G = 5nA

我们需要找到 R_GS

我们知道，R_GS = V_GS / I_G

将值代入给定公式，我们得到：

R_GS = 10 / 5 x 10^-9

R_GS = 2 x 10⁹ 欧姆

R_GS = 2000 x 10⁶ 欧姆

或

R_GS = 2000 兆欧姆

示例2：根据以下参数查找漏极电流

I_DSS = 5mA

V_GS = -2 伏特

V_P = -1 伏特

解决方案

我们知道查找漏极电流的公式是：

I_D = I_DSS (1 - V_GS/V_P)²

将给定值代入上述方程，我们得到：

I_D = 5 x 10^-3 (1 - (-2 /-1))²

I_D = 5 x 10^-3 (1 - (2))²

I_D = 5 x 10^-3 (-1)²

I_D = 5 x 10^-3 安培

或

I_D = 5mA

因此，我们可以说 I_D = I_DSS = 5mA

示例3：查找具有以下参数的n沟道硅JFET的夹断电压

N_D = 10¹⁶ cm^-3

A = 0.40um

ε = 8.854 x 10^-14

解：我们知道，计算夹断电压的公式是：

V_P = qN_Da²/2ε_s

ε_s = ε ε_o

q是电子的电荷 = 1.6 x 10^-19

将给定值代入上述方程，我们得到：

V_P =1.6 x 10^-19 x 10¹⁶ x (0.4 x 10^-4)² /2 x 11.7 x 8.854 x 10^-14

V_P = 1.23 伏特