FET场效应管的原理和特点

FET场效应管，Field Effect Transistor，包括结型和MOS管。

在初学的时候，非常容易和三极管混淆。三极管一般老师都会花大量的篇幅介绍，所以学生们相对熟悉。(因为是考试的重点)

反而FET管子，老师往往在模拟电子电路中一带而过，模棱两可。最后连管子符号都难以认全。

所以，本文总2句口诀，帮助记忆FET管，并介绍了FET的原理。

二极管我们都很熟悉，从P区到N区，我们称之为正向导通，如果我们把这种正向，用箭头表示，那就是P指向N，P→N。

一般的半导体符号，箭头的方向都是从P指向N，我们可以利用这一点，帮助我们记忆。

图2 二极管的符号与正向

我们先来看下结型场效应管JFET，Junction FET的结构和符号：

图3 JFET的结构与符号

图3中，在同一块N型半导体上制作两个高摻杂的P区(橙色)，并将它们连接在一起，引出的电极称之为栅极g，N型半导体的两端分别引出两个电极，一个称为漏极d，一个称为源极s。P区与N区交界面形成耗尽层(灰色)，漏极与源极间的非耗尽层区域(蓝色)称为导电沟道。

所以，N沟通的符号就很好理解了：D为漏极，S为源极，G为栅极。箭头为什么向里，因为从P指向N。

这也适用于MOS管。

图4 MOS管的四种类型

我们的口诀就是：

箭头向里，指向N，N沟道场效应管;

箭头向外，指向N，P沟道场效应管;

FET的特点

场效应晶体管，是一种电压控制的、三端子、单极半导体器件，有N通道和P通道。

图5 三极管的特性

在双极性晶体管中，我们看到晶体管的输出集电极电流Ic与输入电流IB成正比，输入电流流入器件的基极端，从而使双极性晶体管成为"电流"控制的器件(β模型)，因为较小的电流可以用来控制较大电流。

场效应晶体管，其输入端子的电压，称为栅极电压Vgs，控制流过它们的电流，从而使输出电流与输入电压成正比。由于它们的工作依赖于输入栅极电压产生的电场(因此称为场效应)，这就使场效应晶体管成为"电压"操作器件。

图6 N沟通JFET的输出特性曲线

与标准双极晶体管相比，场效应晶体管有一个主要的优点，即它们的输入阻抗(Rin)很高，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，但是这种高灵敏度的特性也意味着它们很容易被静电破坏。

有两种主要类型的场效应晶体管，结型场效应晶体管JFET和绝缘栅场效应晶体管或IGFET，更普遍地称为标准金属氧化物半导体场效应晶体管或MOSFET。

结型场效应管JFET

结型场效应晶体管(JFET)是具有形成N型或P型"通道"的高电阻率半导体材料，多数载流子在被称为漏极和源极之间流动。

图7 JFET的结构示意图

结型场效应晶体管有N沟道JFET和P沟道JFET。

N沟道JFET的沟道掺杂为施主杂质，这意味着通过沟道流动的是电子。

同样地，P沟道JFET的沟道掺杂为受体杂质，这意味着流过沟道是空穴。

由于电子与空穴相比具有更高的迁移率，所以N沟道JFET的沟道电导率(较低电阻)大于它们的等效P沟道类型。

这使得N沟道JFET与它们的P沟道对应器件相比，是更有效的导体。

在该沟道内存在称为栅极端子的第三极连接,并且这也可以是与主通道形成PN结的P型或N型材料。

与三极管的比较

结型场效应晶体管的半导体"通道"，是电压Vds引起电流Id流动的电阻性路径，因此结场效应晶体管在任一方向上都能同样良好地传导电流(漏极和源极基本可以互换)。

由于沟道在本质上是电阻的，因此，当我们从漏极端子到源端时，电位逐渐变小，沿着通道的长度形成电压梯度。

图8 等效电阻

结果表明，PN结在漏极端具有较高的反向偏置，在源端具有较低的反向偏压。这种偏置导致沟道内形成"耗尽层"，其宽度随偏压而增大。

图9 栅极电压对漏极电流的影响

流经漏极和源端子中的电流大小由施加在栅极端子上的电压控制，该电压是反向偏置的。在N通道JFET中，此栅电压为负值，而对于P通道JFET则为正栅极电压。

JFET与双极晶体管器件之间的主要差别在于，当JFET结反向偏置时，栅极电流实际上为零，而双极结型晶体管的基极电流总是大于零的值。

N通道JFET的偏置

图10 沟道的夹断

如果现在向栅极施加小的负电压(Vgs)，耗尽区的尺寸开始增加减小沟道的总有效面积，从而减小流过它的电流，发生了一种"压榨"效应。

因此，通过施加反向偏置电压增加了耗尽区的宽度，这又减小了沟道的导通。

由于PN结是反向偏置的，所以很少的电流会流入栅极。

当栅极电压(Vgs)变得更负时，沟道的宽度会减小，直到漏极与源和场效应管之间不再有电流流动为止。

通道关闭的电压称为"关断电压"，VGSoff。

那么，如果Vgs处于VGSoff~0V之间的一个固定值，若此时Vds=0V，则虽然存在由Vgs所确定的一定宽度的导电沟通，但由于d-s之间电压为零，多字不会产生定向移动，因而漏极电流iD为零。

若Vds>0，则有电流iD从漏极流向源极，从而使沟道中各点与栅极间的电压不再相等，而是沿沟道从源极到漏极逐渐增大，造成漏极一遍的耗尽层比靠近源极一边的宽。

也就是说，靠近漏极一边的导电通道比靠近源极一边的窄，见图9。

JFET通道预夹断

考虑栅极-漏极之间的电压VGD

VGD = VGS - VDS

所以当VDS从零逐渐增大使，VGD逐渐减小(负值的不断减少，绝对值是不断变大)，靠近漏极一遍的导电沟道必将随之变窄。

但是，只要栅极-漏极间不出现夹断区域，沟道电阻仍将基本上决定于栅-源电压VGS，因此电流iD将随VDS增大而线性增大，d-s呈现电阻特性。

而一旦VDS的增大是的VGD等于夹断电压了，那么漏极一边就会出现夹断区。

图11 预夹断

如图9所示。

此时VGD=VGSoff为预夹断。

若VDS继续增大，则VGD

见图9。

此时，一方面自由电子从漏极向源极定向移动所受阻力加大(只能从夹断区的窄缝以较高的速度通过)，从而导致iD减小;另一方面，随着Vds的增大，使d-s间的纵向电池增强，也必然导致iD增大。

实际上，上述iD的两种变化趋势相抵消，Vds的增大几乎全部降落在夹断区，用于克服夹断区对iD形成的阻力。

因此从外部看，在VGD

N-JFET的输出特性如下：

图12 输出特性曲线

施加到栅极的电压Vgs控制在漏极和源极端子之间流动的电流。

Vgs是指施加在栅极和源极之间的电压，而Vds指的是施加在漏极和源极之间的电压。

从设备流出的源电流(Is)等于流入它的漏电流，因此(id=is)。

上面显示的特征曲线示例显示了一个JFET的四个不同操作区域，这些区域如下：

可变电阻区域：

当Vgd>VGSoff时，直线的斜率也唯一地被确定，直线斜率的倒数为d-s之间的等效电阻。在此区域内，可以通过改变Vgs的大小来改变漏-源等效电阻的阻值。沟道的耗尽层非常小，JFET用作电压控制电阻器。

截止区域(夹断区域)：

当Vgs比VGSoff还要小时，导电沟通被夹断，iD≈0。一般将使iD等于某一个很小电流(5μA)时的Vgs定义为夹断电压VGSoff。

恒流区(饱和区)：

JFET成为良好的导体，由栅极-源极电压(Vgs)控制，而漏极-源极电压(Vds)几乎没有或没有影响。

P沟道结场效应晶体管的特性曲线与上述相同，但漏电流id随栅源电压的增加而减小。

对于正常操作，Vgs偏向于介于VGSoff和0之间。

与双极结型晶体管类似，作为三端器件的场效应晶体管能够具有三种不同的操作模式，因此可以在以下配置之一中的电路内连接。

共源电路

图13 共源放大电路

在共源配置(类似于共发射极)电路中，输入被应用于栅极，其输出从漏极中取出，如图13所示。这是场效应晶体管最常见的工作方式，因为它具有高的输入阻抗和良好的电压放大能力，因此，共源放大器得到了广泛的应用。

FET连接的共源模式通常用于音频放大器和高输入阻抗。作为一种放大电路，输出信号为180°"失相"输入。

共栅电路

图14 共栅极放大电路

在共栅极结构(类似于共基)电路中，输入被施加到源上，其输出来自漏极，栅极直接连接到地面(0v)，如图14所示。由于公共栅极具有较低的输入阻抗，但输出阻抗较高，因此在此配置中失去了先前连接的高输入阻抗特性。

这种类型的FET配置可用于高频电路或阻抗匹配电路中,因为低输入阻抗需要与高输出阻抗相匹配。输出与输入"同相"。

共漏电路

在共漏极配置(类似于共集电极)电路中，输入被应用于栅极，其输出来自源。共用漏极或"源跟随器"结构具有高输入阻抗和低输出阻抗以及接近单位电压增益，因此在缓冲放大器中使用。源跟随器结构的电压增益小于单位，输出信号与输入信号"同相"。

图15 共漏极放大电路

这种类型的配置被称为"公共漏极"，因为在漏极连接上没有可用的信号，目前的电压，vdd只是提供了一种偏置。输出与输入同步。

审核编辑：汤梓红