晶体管效应的比较偏置及模式

结型场效应晶体管（JFET）是一种电压控制的三端子单极半导体器件，提供N沟道和P沟道配置

双极结型晶体管教程，我们看到晶体管的输出集电极电流与流入器件基极端的输入电流成正比，从而使双极晶体管成为“电流”操作器件（Beta模型），因为电流较小可以用于切换较大的负载电流。

场效应晶体管，或者只是FET然而，使用施加到其输入端子的电压，调用 Gate 来控制流过它们的电流，从而使输出电流与输入电压成比例。由于它们的操作依赖于由输入 Gate 电压产生的电场（因此名称场效应），因此这使得场效应晶体管成为“电压”操作的器件。

典型场效应
晶体管

场效应晶体管是三终端单极半导体器件，具有与其双极晶体管对应物非常相似的特性。例如，高效率，即时操作，坚固且便宜，可用于大多数电子威廉希尔官方网站 应用，以取代其等效的双极结型晶体管（BJT）表兄弟。

场效应晶体管可制造得比等效的BJT晶体管以及低功耗和低功耗使其成为CMOS系列数字逻辑芯片等集成威廉希尔官方网站 的理想选择。

我们从前面的教程中记得有两种基本类型双极晶体管结构， NPN 和 PNP ，它基本上描述了制造它们的P型和N型半导体材料的物理排列。 FET也是如此，因为场效应晶体管还有两种基本分类，称为 N沟道FET 和 P沟道FET 。

场效应晶体管是一种三端器件，在 Drain 和 Source 端子之间的主电流承载路径内没有PN结。这些端子的功能分别对应于双极晶体管的集电极和发射极。这两个端子之间的电流路径称为“沟道”，可以由P型或N型半导体材料制成。

通过改变施加到 Gate 的电压来实现对该通道中流动的电流的控制。顾名思义，双极晶体管是“双极”器件，因为它们可以同时使用两种类型的电荷载体，即孔和电子。另一方面，场效应晶体管是一种“单极”器件，它仅依赖于电子（N沟道）或空穴（P沟道）的传导。

场效应晶体管与标准双极晶体管相比具有一个主要优势，因为它们的输入阻抗（ Rin ）非常高（数千欧姆），而BJT相对较低。这种非常高的输入阻抗使它们对输入电压信号非常敏感，但这种高灵敏度的价格也意味着它们很容易被静电损坏。

有两种主要类型的场效应晶体管，结型场效应晶体管或JFET和绝缘栅场效应晶体管或IGFET），这是更多通常称为标准金属氧化物半导体场效应晶体管或MOSFET。

结型场效应晶体管

我们之前已经看到，在发射极和集电极端子之间的主电流承载路径中使用两个PN结构造双极结晶体管。结型场效应晶体管（JUGFET或JFET）没有PN结，而是有一块窄的高电阻率半导体材料，形成N型或P型硅的“通道”多数载流子通过两端的两个欧姆电连接分别通常称为 Drain 和 Source 。

结点有两种基本配置场效应晶体管，N沟道JFET和P沟道JFET。 N沟道JFET的沟道掺杂有施主杂质，这意味着通过沟道的电流是电子形式的负电流（因此称为N沟道）。

同样，P沟道JFET的沟道掺杂有受主杂质，这意味着通过沟道的电流是空穴形式（因此称为P沟道）。 N沟道JFET具有比其等效P沟道类型更大的沟道导电性（更低的电阻），因为与空穴相比，电子通过导体具有更高的迁移率。与P沟道相比，这使得N沟道JFET成为更高效的导体。

我们之前已经说过，在通道的两端有两个欧姆电气连接称为 Drain 和来源。但是在这个通道内有第三个电气连接，称为 Gate 端子，它也可以是P型或N型材料，与主通道形成PN结。

下面比较结型场效应晶体管和双极结型晶体管的连接之间的关系。

JFET和BJT之间连接的比较

JFET两种配置的符号和基本结构如下所示。

结型场效应晶体管的半导体“通道”是电阻路径，电压 V DS 导致电流 I D 流动，因此结型场效应晶体管可以在任一方向上同样良好地传导电流。由于沟道本质上是电阻性的，因此沿着沟道的长度形成电压梯度，当我们从漏极端子到源极端子时，该电压变得不那么正。

结果是因此，PN结在漏极端子处具有高反向偏压，在源极端子处具有较低的反向偏压。这种偏置导致在沟道内形成“耗尽层”，其宽度随偏压而增加。

流过漏极和源极端子之间沟道的电流大小由电压控制应用于门终端，这是一个反向偏置。在N沟道JFET中，此栅极电压为负，而对于P沟道JFET，栅极电压为正。

JFET和BJT器件之间的主要区别在于当JFET结反向时偏置栅极电流几乎为零，而BJT的基极电流总是大于零的值。

N沟道JFET的偏置

上面的横截面图显示了一个N型半导体通道，其P型区域称为栅极扩散到N型沟道中，形成反向偏置PN-结点是当没有施加外部电压时，该结在栅极区域周围形成耗尽区。因此，JFET被称为耗尽型器件。

该耗尽区产生的电位梯度在PN结周围具有不同的厚度，并通过减小其有效宽度来限制通过通道的电流，从而增加通道本身的整体电阻。

然后我们可以看到耗尽区域中耗尽最多的部分位于栅极和漏极之间，而耗尽最少的区域位于栅极和源极之间。 。然后JFET的沟道在施加零偏压的情况下导通（即，耗尽区具有接近零的宽度）。

没有外部栅极电压（ V G = 0 ），在漏极和源极之间施加一个小电压（ V DS ），最大饱和电流（ I DSS ）将仅通过结点周围的小耗尽区流过从漏极到源极的沟道。

如果负电压很小（ -V GS） ）现在应用于栅极，耗尽区的大小开始增加，减少了通道的整体有效面积，从而减少了流过它的电流，发生了一种“挤压”效应。因此，通过施加反向偏置电压会增加耗尽区的宽度，从而降低沟道的导通性。

由于PN结是反向偏置的，因此很少有电流流入栅极连接。随着栅极电压（ -V GS ）变得更负，通道的宽度减小，直到漏极和源极之间不再有电流流动并且FET被称为被“夹断”（类似于BJT的截止区域）。通道关闭时的电压称为“夹断电压”，（ V P ）。

JFET通道掐断

在该夹断区域，栅极电压 V GS 控制通道电流， V DS 影响很小或没有影响。

JFET模型

结果是FET更像是一个电压控制电阻，当 V GS = 0 且最大“ON”电阻（ R DS ）当栅极电压非常负时。在正常工作条件下，JFET栅极总是相对于源极负偏置。

栅极电压永远不会为正，因为如果是所有通道电流将流向栅极而不是源，结果是JFET的损坏。然后关闭通道：

无门电压（ V GS ）和 V DS 从零增加。

否 V DS 和门控制从零开始减少。

V DS 和 V GS 变化。

P沟道结型场效应晶体管与上述N通道完全相同，但有以下例外：1）。由于空穴，通道电流为正，2）。偏置电压的极性需要反转。

栅极与源极短路的N沟道JFET的输出特性如下：

输出特性VI典型结FET的曲线

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电压 V GS 应用于门控制在漏极和源极端子之间流动的电流。 V GS 是指在栅极和源极之间施加的电压，而 V DS 是指在两者之间施加的电压漏极和源极。

因为结型场效应晶体管是一个电压控制器件，“没有电流流入栅极！”然后流出器件的源电流（ I S ）等于流入其中的漏极电流，因此（ I D = I S ）。

上面显示的特性曲线示例显示了JFET的四个不同工作区域，它们的格式如下：

欧姆区域 - 当V GS = 0时，通道的耗尽层非常小，JFET的作用类似于电压控制电阻器。

截止区域 - 这也称为夹断区域，是栅极电压，V GS 足以引起J.当沟道电阻达到最大值时，FET充当开路。

饱和或有源区 - JFET成为良导体并由栅极 - 源极电压，（V GS ），而漏极 - 源极电压（V DS ）几乎没有影响。

击穿区域 - 漏极和源极之间的电压（V DS ）足够高，导致JFET的电阻通道击穿并通过不受控制的最大电流。

P沟道结场效应晶体管的特性曲线与上述相同，只是漏极电流 I D 随着正栅源电压的增加而减小， V GS 。

当 V GS <时，漏极电流为零/ sub> = V P 。对于正常操作， V GS 被偏置在 V P 和0之间。然后我们可以计算出对于饱和或有源区域中的任何给定偏置点，漏极电流 I D ，如下所示：

漏极电流在有效区域中。

请注意，漏极电流的值将介于零（夹断）和 I DSS <之间/ span>（最大电流）。通过了解漏极电流 I D 和漏极 - 源极电压 V DS 通道的电阻（ R DS ）如下：

漏极 - 源极通道电阻。

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其中： g m 是“跨导增益”，因为JFET是一个电压控制器件，它代表了变化率相对于栅极 - 源极电压变化的漏极电流。

FET的模式

与双极结型晶体管一样，场效应晶体管是三端子器件，能够三个不同的操作模式，因此可以在以下配置之一的威廉希尔官方网站 内连接。

公共源（CS）配置

在公共源配置中（类似于公共发射器），输入应用于门，其输出取自Drain，如图所示。这是FET最常见的工作模式，因为它具有高输入阻抗和良好的电压放大功能，因此广泛使用的是共源极放大器。

FET连接的共源模式一般采用音频放大器和高输入阻抗前置放大器和级。作为放大威廉希尔官方网站 ，输入信号输出信号为180 o “异相”。

公共门（CG）配置

在公共门配置中（类似于公共基础），输入应用于源，其输出取自Drain栅极直接接地（0v），如图所示。由于公共栅极具有低输入阻抗，但具有高输出阻抗，因此先前连接的高输入阻抗特性会丢失。

此类FET配置可用于高频威廉希尔官方网站 或在阻抗匹配威廉希尔官方网站 中，低输入阻抗需要与高输出阻抗相匹配。输出与输入“同相”。

公共漏极（CD）配置

在Common Drain配置（类似于公共集电极），输入应用于Gate，其输出取自Source。公共漏极或“源极跟随器”配置具有高输入阻抗和低输出阻抗以及接近单位电压增益，因此用于缓冲放大器。源极跟随器配置的电压增益小于1，输出信号与输入信号“同相”， 0 o 。

这种类型的配置称为“公共漏极”，因为漏极连接处没有可用信号，存在电压， + V DD 只是提供偏置。输出与输入同相。

JFET放大器

就像双极结型晶体管一样，JFET可用于制造JFET公共单级A类放大器威廉希尔官方网站 源放大器和特性与BJT共发射极威廉希尔官方网站 非常相似。 JFET放大器优于BJT放大器的主要优点是其高输入阻抗，由 R1 和 R2 形成的栅极偏置电阻网络控制，如图所示。

JFET放大器的偏置

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此公共源（CS）放大器威廉希尔官方网站 偏置为“A”级由电阻器 R1 和 R2 组成的分压器网络模式。源电阻 R S 上的电压通常设置为 V DD 的四分之一，（ V DD / 4 ）但可以是任何合理的值。

然后可以从 R S计算所需的栅极电压 值。由于栅极电流为零，（ I G = 0 ），我们可以通过正确选择电阻 R1 来设置所需的DC静态电压。 R2 。

通过负栅极电位控制漏极电流使得结型场效应晶体管可用作开关，并且必须使用对于N沟道JFET，栅极电压从不为正，因为沟道电流将流向栅极而不是漏极，从而导致JFET损坏。 P沟道JFET的工作原理与N沟道JFET的工作原理相同，只是电压的极性需要反转。

在下一篇关于晶体管的教程中，我们将研究另一种称为 MOSFET 的场效应晶体管，其栅极连接与主载流通道完全隔离。