1.6结场效应晶体管

在本教程中，我们将学习一种称为结型场效应晶体管（JFET）的场效应晶体管（FET）变体。我们将了解其电路符号、基本偏置条件、伏安特性、简单的放大电路以及一些应用。

引言

FET晶体管是电压控制器件，而BJT晶体管是电流控制器件。FET晶体管基本上有三个端子：漏极（D）、源极（S）和栅极（G），它们分别对应于BJT晶体管中的集电极、发射极和基极。

在BJT晶体管中，输出电流由输入到基极的电流控制，而在FET晶体管中，输出电流由输入到栅极的电压控制。

在FET晶体管中，输出电流在漏极和源极之间流动，这条路径称为沟道，沟道可以由P型或N型半导体材料制成。在BJT晶体管中，小的输入电流控制大的负载，而在FET中，小的输入电压控制大的负载输出。

BJT晶体管是“双极”器件，因为它们使用两种类型的电荷载流子（电子和空穴）工作，而FET晶体管是“单极”器件，因为它们只使用一种电荷载流子（N沟道为电子，P沟道为空穴）。

FET晶体管可以做得比BJT晶体管更小，并且功耗更低。由于这种高效率，FET晶体管在许多电子电路应用中取代了相应的BJT晶体管。这些FET晶体管由于其低功耗特性，在芯片设计中非常有用。与BJT一样，FET晶体管也有P沟道和N沟道两种类型。

FET晶体管具有高输入阻抗，而BJT的输入阻抗相对较低。由于这种高阻抗值，FET晶体管对小的输入电压非常敏感。FET晶体管主要分为两种类型：结型场效应晶体管（JFET）和绝缘栅FET（IG-FET）或金属氧化物半导体FET（MOSFET）。

JFET简介

结型场效应晶体管（JFET）是FET晶体管的一种类型。JFET是FET晶体管的最简单形式，它有三个端子。JFET晶体管用作电子控制开关、电压控制电阻器和放大器。

BJT晶体管由PN结构成，而JFET晶体管有一个沟道代替PN结。这个沟道由P型或N型半导体材料形成。

JFET晶体管分为两种类型：N沟道JFET和P沟道JFET。在N沟道JFET中，沟道掺杂了施主杂质，因此通过沟道的电流是负的（即由电子引起），而在P沟道JFET中，沟道掺杂了受主杂质，因此通过沟道的电流是正的（即由空穴引起）。

N沟道JFET的导电性比P沟道JFET更好，因为电子的迁移率高于空穴。因此，N沟道JFET比P沟道JFET更常用。栅极（G）端子上的小电压控制JFET沟道（漏极和源极之间）中的电流流动。

在BJT中，发射极和集电极端子通过PN结连接，但在JFET中，漏极和源极端子通过沟道连接。施加在栅极端子上的小电压控制JFET漏极和源极之间沟道中的电流流动。在N沟道JFET中，栅极电压为负，在P沟道JFET中，栅极电压为正。

BJT和JFET晶体管的主要区别之一是，当JFET具有反向偏置结时，栅极电流可能为零，但在BJT中，基极电流必须始终大于零。

N沟道JFET偏置

N沟道JFET晶体管的内部图如下所示。这是一个具有N型沟道和P型区域的晶体管。如果栅极扩散到N型沟道中，则形成反向偏置的PN结，当晶体管没有外部电源施加时，在栅极端子周围形成耗尽区。通常，JFET被称为耗尽型器件。

这个耗尽区在PN结周围产生厚度变化的电势梯度。这个PN结通过减小沟道宽度和增加沟道电阻来阻止电流通过沟道。

现在，JFET的沟道在零偏置电压输入下导通。因为在栅极-漏极之间形成了大部分耗尽区，而在栅极-源极之间形成了小部分耗尽区。

如果在漏极-源极之间施加小电压 $V_{DS}$，栅极电压为零 $V_G = 0$，则电流 $I_{DS}$ 将通过沟道流动。现在，如果我们施加少量负电压 $-V_{GS}$（即反向偏置条件），则耗尽区宽度增加，导致沟道长度部分减少，沟道导电性降低。

这个过程称为“挤压效应”。如果我们在栅极端子施加更多的负电压，则会减小沟道宽度，直到没有电流流过沟道。在这种条件下，JFET被称为“夹断”。使FET沟道关闭的施加电压称为“夹断电压 $V_P$”。

夹断效应

具有N沟道结构的JFET如上所示。最初，如果栅极电压为零，则沟道电阻也为零，沟道导电性高。如果栅极电压（即负电压）增加到零以上，则沟道电阻也增加，少量电流将通过沟道流动。

如果我们在栅极端子施加大量负电压，则沟道完全阻止电流通过。在这种条件下，沟道中没有电流流动，现在JFET充当一个完美的电阻器。

JFET沟道关闭的状态称为“夹断”，这种情况下的栅极电压称为“夹断电压 $V_P$”。在夹断条件下，栅极电压$V_{GS}$ 控制沟道电流。P沟道JFET的操作与N沟道JFET相同，但有一些变化，例如沟道电流是正的，因为空穴导电，并且需要反向极性来施加栅极电压。

JFET的伏安特性

N沟道JFET的伏安特性如下所示。在这种N沟道JFET结构中，栅极电压 $V_{GS}$ 控制源极和漏极之间的电流流动。JFET是电压控制器件，因此没有电流流过栅极，源极电流 $I_S$ 等于漏极电流 $I_D$，即 $I_D = I_S$。

在这种伏安特性中，电压 $V_{GS}$ 表示栅极和源极之间施加的电压，电压 $V_{DS}$ 表示漏极和源极之间施加的电压。

JFET在不同工作阶段具有不同的特性，具体取决于输入电压，JFET在不同区域（欧姆区、饱和区、截止区和击穿区）的特性如下：

• 欧姆区：如果 $V_{GS} = 0$，则沟道的耗尽区非常小，在此区域JFET充当电压控制电阻器。
• 夹断区：这也称为截止区。当栅极电压为大的负电压时，JFET进入此区域，沟道关闭，即没有电流流过沟道。
• 饱和区或放大区：在此区域，沟道充当良好的导体，由栅极电压 $V_{GS}$控制。
• 击穿区：如果漏极到源极电压 $V_{DS}$足够高，则JFET的沟道击穿，在此区域，不受控制的最大电流通过器件。

P沟道JFET晶体管的伏安特性曲线与N沟道JFET相同，但有一些例外，例如如果栅极到源极电压 $V_{GS}$正向增加，则漏极电流减小。

当施加的电压 $V_{GS}$ 等于夹断电压 $V_P$ 时，流过沟道的漏极电流 $I_D$ 为零。在JFET的正常操作中，施加的栅极电压 $V_{GS}$ 在0和 $V_P$ 之间，在这种情况下，流过沟道的漏极电流 $I_D$ 可以计算如下：

$I_D = I_{DSS} \left(1 - \frac{V_{GS}}{V_P}\right)^2$

其中：

• $I_D$ 为漏极电流
• $I_{DSS}$ 为最大饱和电流
• $V_{GS}$ 为栅极到源极电压
• $V_P$ 为夹断电压

漏源电阻等于漏源电压变化率与漏极电流变化率的比值：

$R_{DS} = \frac{\Delta V_{DS}}{\Delta I_D} = \frac{1}{g_m}$

其中：

• $R_{DS}$ 为漏源电阻
• $V_{DS}$ 为漏极到源极电压
• $I_D$ 为漏极电流
• $G_m$ 为跨导增益

JFET共源放大器

与BJT晶体管一样，FET晶体管也用于设计单级A类放大器。JFET的共源放大器类似于BJT晶体管的共发射极放大器。JFET相对于BJT的优势在于其高输入阻抗。

由电阻 $R_1$ 和 $R_2$ 形成的偏置网络的共源放大器电路如下所示。

这是一个偏置在A类模式的共源放大器电路。所需的栅极电压使用 $R_S$ 值计算。通常，源极电阻上的电压设置为 $V_{DD}$ 的四分之一，即 $V_S = \frac{V_{DD}}{4}$。我们需要通过适当选择电阻 $R_1$ 和 $R_2$ 来设置直流静态电压。

在这里，漏极电流由负栅极电压控制。在N沟道JFET晶体管中，栅极从不包含正电压，因为漏极电流通过栅极流动，而不是通过源极流动，导致JFET损坏。

如果电压极性反转，P沟道JFET放大器电路的操作也与N沟道JFET类似。计算共源放大器电路不同参数的方程如下：

$V_S = I_D R_S = \frac{V_{DD}}{4}, \quad V_S = V_G - V_{GS},$ $\quad V_G = \frac{R_2}{R_1 + R_2} V_{DD}, \quad I_D = \frac{V_S}{R_S} = \frac{V_G - V_{GS}}{R_S}$

其中：

• $V_S$ 为源极电压
• $I_D$为漏极电流
• $R_S$ 为源极电阻
• $V_{DD}$ 为漏极电源电压
• $V_G$ 为栅极电压
• $V_{GS}$ 为栅极到源极电压
• $R_1$ 和 $R_2$ 为偏置电阻

JFET应用

• JFET用作开关。
• JFET用作斩波器。
• 用作放大器。
• 用作缓冲器。
• 由于其低频漂移，用于振荡电路。
• 由于其小尺寸，用于数字电路，如计算机、LCD和存储电路。
• 由于其低调制失真，用于通信设备，如FM和TV接收器。
• 用作运算放大器中的电压控制电阻器。
• JFET用于级联放大器和射频放大器。