1.9FET作为开关

在本教程中，我们将学习场效应晶体管（FET）的工作原理、工作区域，并了解FET作为开关的工作方式。我们将分别介绍JFET和MOSFET在开关应用中的使用方法。

引言

FET具有高输入阻抗、制造工艺简单、操作简单等众多优点，因此在集成电路系统等各种应用中得到了广泛使用。

FET是继BJT之后的第二代晶体管。它们可用作示波器、测试测量仪器、电子电压表等中的放大器，也可用于开关操作。

让我们详细了解FET作为开关的工作原理。但在那之前，我们首先需要了解FET的基础知识及其工作方式。

FET及其工作区域

场效应晶体管是一种单极器件，电流仅由多数载流子（空穴或电子）传导。FET是一种电压控制器件，即通过控制栅极与源极之间的电压来改变输出电流。

我们以N沟道JFET为例来理解其工作区域。JFET的工作特性分为三个不同的区域：欧姆区、饱和区和截止区。漏极电压记为 $V_{DS}$（有时也称为 ($V_{DD}$)，栅极电压记为 $V_{GS}$ 或 $V_{GG}$。

欧姆区（$V_{DS} > 0$ 且 $V_{DS} < V_P$）

在此区域，沟道耗尽层非常小，FET表现为一个可变电阻。

此时，$V_{DS}$ 大于零且小于夹断电压 $V_P$，因此沟道未被夹断，电流 $I_D$ 增加。当我们增加栅源电压 $V_{GS}$ 时，沟道电导率下降，电阻增加。因此，耗尽区扩展更多，使沟道变窄。沟道电阻一般从 $100\,\Omega$变化到 $10\,\text{k}\Omega$，显然可以控制电压。因此，晶体管在此区域表现为电压控制电阻。

饱和区（$V_{DS} > V_{GS} - V_P$）

该区域从 $V_{DS}$大于 $V_{GS} - V_P$ 开始，其中 $V_P$ 为夹断电压。在此区域，漏极电流 $I_D$ 完全取决于 $V_{GS}$，而不是 $V_{DS}$ 的函数。FET在此区域工作以放大信号，也用于开关操作。从图中可以看出，当 $V_{GS}$ 为零时，最大电流 $I_D$ 流动。当我们使 $V_{GS}$ 更负时，漏极电流下降。在某一特定的 $V_{GS}$ 值下，漏极电流保持恒定流过器件。因此，该区域也称为恒流区。

截止区（$V_{GS} < V_P$）

这是漏极电流 $I_D$ 为零且器件关闭的区域。在此区域，栅源电压 $V_{GS}$ 小于夹断电压 $V_P$。这意味着 $V_{GS}$ 的值比 $V_P$ 更负。因此，沟道关闭，不允许任何电流流过器件。

FET作为开关（JFET）

从上面的讨论中可以清楚地看出，FET可以通过在截止区和饱和区工作来用作开关。当 $V_{GS}$ 为零时，FET在饱和区工作，最大电流流过它。因此，它类似于完全导通的状态。类似地，当施加的 $V_{GS}$ 比夹断电压更负时，FET在截止区工作，不允许任何电流流过器件。因此，FET处于完全关闭状态。FET可以以不同的配置用作开关，其中一些如下所示。

FET用作并联开关

让我们看看下面的图，其中FET与负载并联连接，它像一个模拟开关一样工作。

• 当施加的 $V_{GS}$ 为零时，FET通过在饱和区工作而导通，其电阻非常小，接近 $100\,\Omega$。FET两端的输出电压为：

$V_{OUT} = V_{in} \cdot \frac{R_{DS}}{R_D + R_{DS(ON)}}$

由于电阻 $R_D$ 非常大，输出电压近似为零。

• 当我们在栅极施加等于夹断电压的负电压时，FET在截止区工作，表现为高阻器件，输出电压等于输入电压。

FET用作串联开关

下图显示了FET开关电路的另一种配置。在该电路中，FET用作串联开关。如果控制电压为零，它表现为闭合开关；如果控制电压为负，则表现为断开开关。当FET导通时，输入信号将出现在输出端；当它关闭时，输出为零。

N沟道JFET作为开关的示例

下图演示了如何使用N沟道JFET开关LED。LED通过电阻连接在电源和源极端之间。这里电阻用于限制通过LED的电流。晶体管的栅极端连接到负电源。

• 从上面的讨论中，栅极端的零电压使电流流过LED，因为FET处于饱和模式。因此，LED点亮。
• 在栅极端施加足够的负电压（约 $3\,\text{V}$ 到 $4\,\text{V}$）时，JFET进入截止模式，因此LED熄灭。

P沟道JFET作为开关

到目前为止，我们讨论了N沟道JFET作为开关。另一种类型的JFET是P沟道JFET，其操作与N型类似，唯一的区别是栅极端为正电压。

• 当栅源电压为零时，FET在饱和区工作，因此FET导通，导致电流从漏极流向源极。
• 栅极和源极之间的正电压导致FET截止电流。因此，FET处于开路状态。

P沟道JFET作为开关的示例

与N沟道JFET驱动LED类似，P沟道JFET开关LED电路如下所示。两个电路之间的区别是栅极端的电源极性。

• 导通条件对两个电路相同，即栅极端的零电压使LED发光，因为FET处于活动状态。
• 为了使FET进入截止状态，施加足够的正电压（在此示例中约为 $3\,\text{V}$ 到 $4\,\text{V}$）可停止电路中的电流流动。因此，LED熄灭。我们还可以使用FET来开关继电器电路、电机驱动器和其他电子控制电路。

MOSFET作为开关

另一种类型的FET是MOSFET，它也是一种电压控制器件。使漏极电流增加或开始流动的 $V_{GS}$ 电平称为阈值电压 $V_T$。因此，如果我们增加 $V_{GS}$，漏极电流也会增加。并且，如果我们在保持 $V_{DS}$ 不变的情况下增加 $V_{GS}$，则漏极电流将达到饱和电平，就像JFET的情况一样。

当 $V_{GS}$ 低于阈值电平时，MOSFET在截止模式下工作。因此，在此模式下没有漏极电流流动。因此，它表现为开路开关。

为了更好地理解，请考虑下图，其中N沟道增强型MOSFET在栅极端的不同电压下开关。

• 在下图中，MOSFET栅极端连接到 $V_{DD}$，因此施加在栅极端的电压最大。这使得沟道电阻变得非常小，并允许最大的漏极电流流动。这称为饱和模式，在此模式下，MOSFET完全导通，如同闭合开关。对于P沟道增强型MOSFET，为了导通，栅极电位必须相对于源极为负。

• 在截止区，施加的 $V_{GS}$ 小于阈值电压电平，因此漏极电流为零。因此，MOSFET处于关闭模式，就像开路开关一样，如图所示。

MOSFET作为开关的示例

让我们考虑如下图所示的MOSFET电路，它驱动LED。这里使用N沟道增强型MOSFET通过一个简单的开关来开关LED。

• 当开关处于断开状态时，栅极相对于地或源极的电压为零。因此，MOSFET保持关闭状态，LED不会发光。

• 当开关按下使其闭合时，栅极端施加适当的正电压（在此示例中为 $5\,\text{V}$）。因此，MOSFET导通，LED开始发光。

• 这里是一个简单的电阻负载，但在任何感性负载（如电机、继电器）的情况下，我们必须在负载两端使用续流二极管，以保护MOSFET免受感应电压的影响。

与JFET相比，大多数电路使用MOSFET作为开关，因为它提供的优势。我们还可以为JFET和MOSFET使用开关电路（以特定开关频率操作负载），以根据负载要求获得PWM信号。