晶體管效應(yīng)的比較偏置及模式

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）是一種電壓控制的三端子單極半導(dǎo)體器件，提供N溝道和P溝道配置

雙極結(jié)型晶體管教程，我們看到晶體管的輸出集電極電流與流入器件基極端的輸入電流成正比，從而使雙極晶體管成為“電流”操作器件（Beta模型），因?yàn)殡娏鬏^小可以用于切換較大的負(fù)載電流。

場(chǎng)效應(yīng)晶體管，或者只是FET然而，使用施加到其輸入端子的電壓，調(diào)用 Gate 來控制流過它們的電流，從而使輸出電流與輸入電壓成比例。由于它們的操作依賴于由輸入 Gate 電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)（因此名稱場(chǎng)效應(yīng)），因此這使得場(chǎng)效應(yīng)晶體管成為“電壓”操作的器件。

典型場(chǎng)效應(yīng)
晶體管

場(chǎng)效應(yīng)晶體管是三終端單極半導(dǎo)體器件，具有與其雙極晶體管對(duì)應(yīng)物非常相似的特性。例如，高效率，即時(shí)操作，堅(jiān)固且便宜，可用于大多數(shù)電子電路應(yīng)用，以取代其等效的雙極結(jié)型晶體管（BJT）表兄弟。

場(chǎng)效應(yīng)晶體管可制造得比等效的BJT晶體管以及低功耗和低功耗使其成為CMOS系列數(shù)字邏輯芯片等集成電路的理想選擇。

我們從前面的教程中記得有兩種基本類型雙極晶體管結(jié)構(gòu)， NPN 和 PNP ，它基本上描述了制造它們的P型和N型半導(dǎo)體材料的物理排列。 FET也是如此，因?yàn)閳?chǎng)效應(yīng)晶體管還有兩種基本分類，稱為 N溝道FET 和 P溝道FET 。

場(chǎng)效應(yīng)晶體管是一種三端器件，在 Drain 和 Source 端子之間的主電流承載路徑內(nèi)沒有PN結(jié)。這些端子的功能分別對(duì)應(yīng)于雙極晶體管的集電極和發(fā)射極。這兩個(gè)端子之間的電流路徑稱為“溝道”，可以由P型或N型半導(dǎo)體材料制成。

通過改變施加到 Gate 的電壓來實(shí)現(xiàn)對(duì)該通道中流動(dòng)的電流的控制。顧名思義，雙極晶體管是“雙極”器件，因?yàn)樗鼈兛梢酝瑫r(shí)使用兩種類型的電荷載體，即孔和電子。另一方面，場(chǎng)效應(yīng)晶體管是一種“單極”器件，它僅依賴于電子（N溝道）或空穴（P溝道）的傳導(dǎo)。

場(chǎng)效應(yīng)晶體管與標(biāo)準(zhǔn)雙極晶體管相比具有一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈兊妮斎胱杩梗?Rin ）非常高（數(shù)千歐姆），而BJT相對(duì)較低。這種非常高的輸入阻抗使它們對(duì)輸入電壓信號(hào)非常敏感，但這種高靈敏度的價(jià)格也意味著它們很容易被靜電損壞。

有兩種主要類型的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管或JFET和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管或IGFET），這是更多通常稱為標(biāo)準(zhǔn)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管或MOSFET。

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管

我們之前已經(jīng)看到，在發(fā)射極和集電極端子之間的主電流承載路徑中使用兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)造雙極結(jié)晶體管。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JUGFET或JFET）沒有PN結(jié)，而是有一塊窄的高電阻率半導(dǎo)體材料，形成N型或P型硅的“通道”多數(shù)載流子通過兩端的兩個(gè)歐姆電連接分別通常稱為 Drain 和 Source 。

結(jié)點(diǎn)有兩種基本配置場(chǎng)效應(yīng)晶體管，N溝道JFET和P溝道JFET。 N溝道JFET的溝道摻雜有施主雜質(zhì)，這意味著通過溝道的電流是電子形式的負(fù)電流（因此稱為N溝道）。

同樣，P溝道JFET的溝道摻雜有受主雜質(zhì)，這意味著通過溝道的電流是空穴形式（因此稱為P溝道）。 N溝道JFET具有比其等效P溝道類型更大的溝道導(dǎo)電性（更低的電阻），因?yàn)榕c空穴相比，電子通過導(dǎo)體具有更高的遷移率。與P溝道相比，這使得N溝道JFET成為更高效的導(dǎo)體。

我們之前已經(jīng)說過，在通道的兩端有兩個(gè)歐姆電氣連接稱為 Drain 和來源。但是在這個(gè)通道內(nèi)有第三個(gè)電氣連接，稱為 Gate 端子，它也可以是P型或N型材料，與主通道形成PN結(jié)。

下面比較結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和雙極結(jié)型晶體管的連接之間的關(guān)系。

JFET和BJT之間連接的比較

JFET兩種配置的符號(hào)和基本結(jié)構(gòu)如下所示。

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體“通道”是電阻路徑，電壓 V DS 導(dǎo)致電流 I D 流動(dòng)，因此結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以在任一方向上同樣良好地傳導(dǎo)電流。由于溝道本質(zhì)上是電阻性的，因此沿著溝道的長(zhǎng)度形成電壓梯度，當(dāng)我們從漏極端子到源極端子時(shí)，該電壓變得不那么正。

結(jié)果是因此，PN結(jié)在漏極端子處具有高反向偏壓，在源極端子處具有較低的反向偏壓。這種偏置導(dǎo)致在溝道內(nèi)形成“耗盡層”，其寬度隨偏壓而增加。

流過漏極和源極端子之間溝道的電流大小由電壓控制應(yīng)用于門終端，這是一個(gè)反向偏置。在N溝道JFET中，此柵極電壓為負(fù)，而對(duì)于P溝道JFET，柵極電壓為正。

JFET和BJT器件之間的主要區(qū)別在于當(dāng)JFET結(jié)反向時(shí)偏置柵極電流幾乎為零，而BJT的基極電流總是大于零的值。

N溝道JFET的偏置

上面的橫截面圖顯示了一個(gè)N型半導(dǎo)體通道，其P型區(qū)域稱為柵極擴(kuò)散到N型溝道中，形成反向偏置PN-結(jié)點(diǎn)是當(dāng)沒有施加外部電壓時(shí)，該結(jié)在柵極區(qū)域周圍形成耗盡區(qū)。因此，JFET被稱為耗盡型器件。

該耗盡區(qū)產(chǎn)生的電位梯度在PN結(jié)周圍具有不同的厚度，并通過減小其有效寬度來限制通過通道的電流，從而增加通道本身的整體電阻。

然后我們可以看到耗盡區(qū)域中耗盡最多的部分位于柵極和漏極之間，而耗盡最少的區(qū)域位于柵極和源極之間。 。然后JFET的溝道在施加零偏壓的情況下導(dǎo)通（即，耗盡區(qū)具有接近零的寬度）。

沒有外部柵極電壓（ V G = 0 ），在漏極和源極之間施加一個(gè)小電壓（ V DS ），最大飽和電流（ I DSS ）將僅通過結(jié)點(diǎn)周圍的小耗盡區(qū)流過從漏極到源極的溝道。

如果負(fù)電壓很?。?-V GS） ）現(xiàn)在應(yīng)用于柵極，耗盡區(qū)的大小開始增加，減少了通道的整體有效面積，從而減少了流過它的電流，發(fā)生了一種“擠壓”效應(yīng)。因此，通過施加反向偏置電壓會(huì)增加耗盡區(qū)的寬度，從而降低溝道的導(dǎo)通性。

由于PN結(jié)是反向偏置的，因此很少有電流流入柵極連接。隨著柵極電壓（ -V GS ）變得更負(fù)，通道的寬度減小，直到漏極和源極之間不再有電流流動(dòng)并且FET被稱為被“夾斷”（類似于BJT的截止區(qū)域）。通道關(guān)閉時(shí)的電壓稱為“夾斷電壓”，（ V P ）。

JFET通道掐斷

在該夾斷區(qū)域，柵極電壓 V GS 控制通道電流， V DS 影響很小或沒有影響。

JFET模型

結(jié)果是FET更像是一個(gè)電壓控制電阻，當(dāng) V GS = 0 且最大“ON”電阻（ R DS ）當(dāng)柵極電壓非常負(fù)時(shí)。在正常工作條件下，JFET柵極總是相對(duì)于源極負(fù)偏置。

柵極電壓永遠(yuǎn)不會(huì)為正，因?yàn)槿绻撬型ǖ离娏鲗⒘飨驏艠O而不是源，結(jié)果是JFET的損壞。然后關(guān)閉通道：

無門電壓（ V GS ）和 V DS 從零增加。

否 V DS 和門控制從零開始減少。

V DS 和 V GS 變化。

P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管與上述N通道完全相同，但有以下例外：1）。由于空穴，通道電流為正，2）。偏置電壓的極性需要反轉(zhuǎn)。

柵極與源極短路的N溝道JFET的輸出特性如下：

輸出特性VI典型結(jié)FET的曲線

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電壓 V GS 應(yīng)用于門控制在漏極和源極端子之間流動(dòng)的電流。 V GS 是指在柵極和源極之間施加的電壓，而 V DS 是指在兩者之間施加的電壓漏極和源極。

因?yàn)榻Y(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管是一個(gè)電壓控制器件，“沒有電流流入柵極！”然后流出器件的源電流（ I S ）等于流入其中的漏極電流，因此（ I D = I S ）。

上面顯示的特性曲線示例顯示了JFET的四個(gè)不同工作區(qū)域，它們的格式如下：

歐姆區(qū)域 - 當(dāng)V GS = 0時(shí)，通道的耗盡層非常小，JFET的作用類似于電壓控制電阻器。

截止區(qū)域 - 這也稱為夾斷區(qū)域，是柵極電壓，V GS 足以引起J.當(dāng)溝道電阻達(dá)到最大值時(shí)，F(xiàn)ET充當(dāng)開路。

飽和或有源區(qū) - JFET成為良導(dǎo)體并由柵極 - 源極電壓，（V GS ），而漏極 - 源極電壓（V DS ）幾乎沒有影響。

擊穿區(qū)域 - 漏極和源極之間的電壓（V DS ）足夠高，導(dǎo)致JFET的電阻通道擊穿并通過不受控制的最大電流。

P溝道結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特性曲線與上述相同，只是漏極電流 I D 隨著正柵源電壓的增加而減小， V GS 。

當(dāng) V GS <時(shí)，漏極電流為零/ sub> = V P 。對(duì)于正常操作， V GS 被偏置在 V P 和0之間。然后我們可以計(jì)算出對(duì)于飽和或有源區(qū)域中的任何給定偏置點(diǎn)，漏極電流 I D ，如下所示：

漏極電流在有效區(qū)域中。

請(qǐng)注意，漏極電流的值將介于零（夾斷）和 I DSS <之間/ span>（最大電流）。通過了解漏極電流 I D 和漏極 - 源極電壓 V DS 通道的電阻（ R DS ）如下：

漏極 - 源極通道電阻。

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其中： g m 是“跨導(dǎo)增益”，因?yàn)镴FET是一個(gè)電壓控制器件，它代表了變化率相對(duì)于柵極 - 源極電壓變化的漏極電流。

FET的模式

與雙極結(jié)型晶體管一樣，場(chǎng)效應(yīng)晶體管是三端子器件，能夠三個(gè)不同的操作模式，因此可以在以下配置之一的電路內(nèi)連接。

公共源（CS）配置

在公共源配置中（類似于公共發(fā)射器），輸入應(yīng)用于門，其輸出取自Drain，如圖所示。這是FET最常見的工作模式，因?yàn)樗哂懈咻斎胱杩购土己玫碾妷悍糯蠊δ?，因此廣泛使用的是共源極放大器。

FET連接的共源模式一般采用音頻放大器和高輸入阻抗前置放大器和級(jí)。作為放大電路，輸入信號(hào)輸出信號(hào)為180 o “異相”。

公共門（CG）配置

在公共門配置中（類似于公共基礎(chǔ)），輸入應(yīng)用于源，其輸出取自Drain柵極直接接地（0v），如圖所示。由于公共柵極具有低輸入阻抗，但具有高輸出阻抗，因此先前連接的高輸入阻抗特性會(huì)丟失。

此類FET配置可用于高頻電路或在阻抗匹配電路中，低輸入阻抗需要與高輸出阻抗相匹配。輸出與輸入“同相”。

公共漏極（CD）配置

在Common Drain配置（類似于公共集電極），輸入應(yīng)用于Gate，其輸出取自Source。公共漏極或“源極跟隨器”配置具有高輸入阻抗和低輸出阻抗以及接近單位電壓增益，因此用于緩沖放大器。源極跟隨器配置的電壓增益小于1，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)“同相”， 0 o 。

這種類型的配置稱為“公共漏極”，因?yàn)槁O連接處沒有可用信號(hào)，存在電壓， + V DD 只是提供偏置。輸出與輸入同相。

JFET放大器

就像雙極結(jié)型晶體管一樣，JFET可用于制造JFET公共單級(jí)A類放大器電路源放大器和特性與BJT共發(fā)射極電路非常相似。 JFET放大器優(yōu)于BJT放大器的主要優(yōu)點(diǎn)是其高輸入阻抗，由 R1 和 R2 形成的柵極偏置電阻網(wǎng)絡(luò)控制，如圖所示。

JFET放大器的偏置

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此公共源（CS）放大器電路偏置為“A”級(jí)由電阻器 R1 和 R2 組成的分壓器網(wǎng)絡(luò)模式。源電阻 R S 上的電壓通常設(shè)置為 V DD 的四分之一，（ V DD / 4 ）但可以是任何合理的值。

然后可以從 R S計(jì)算所需的柵極電壓 值。由于柵極電流為零，（ I G = 0 ），我們可以通過正確選擇電阻 R1 來設(shè)置所需的DC靜態(tài)電壓。 R2 。

通過負(fù)柵極電位控制漏極電流使得結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管可用作開關(guān)，并且必須使用對(duì)于N溝道JFET，柵極電壓從不為正，因?yàn)闇系离娏鲗⒘飨驏艠O而不是漏極，從而導(dǎo)致JFET損壞。 P溝道JFET的工作原理與N溝道JFET的工作原理相同，只是電壓的極性需要反轉(zhuǎn)。

在下一篇關(guān)于晶體管的教程中，我們將研究另一種稱為 MOSFET 的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其柵極連接與主載流通道完全隔離。