2.2 結型場效應管

我們已經學習了二極管和雙極型晶體管BJT兩種半導體器件，BJT工作在放大區時，輸入回路PN結正偏，輸入阻抗小，是一個電流控制的有源器件。場效應管（FieldEffectTran-sistor，FET）也是一種具有PN結的有源半導體器件，它利用電場效應來控制輸出電流的大小，其輸入端PN結一般工作于反偏狀態或絕緣狀態，輸入電阻很高（輸入阻抗107～1012Ω）。與雙極型晶體管相比較，場效應管大致有下列優點：輸入電阻高、內部噪聲小、耗電小、熱穩定性好、抗輻射能力強、制造工藝簡單、易于實現集成化、工作頻率高等。因此，場效應管在模擬電子電路、數字邏輯電路，特別是在近代超大規模集成電路（VLSI）以及微波毫米波電路中得到極其廣泛的應用。

場效應管的種類很多，按結構可分成兩大類：結型場效應管（Junction Field Effect Transistor，JFET）和絕緣柵型場效應管（Insulated Gate FET，IGFET）。結型場效應管又分N溝道和P溝道兩種。絕緣柵型場效應管主要指金屬-氧化物-半導體（Metal Oxide Semiconductor，MOS）場效應管。MOS管又分“耗盡型”和“增強型”兩種，而每一種也分N溝道和P溝道。

場效應管與雙極型晶體管有很類似的分析和討論過程。然而，在學習本章時，應該充分注意兩者在導電機理、工作特性曲線、參數及其小信號等效電路等方面的差異。

2.2.1 JFET的結構和工作原理

1.JFET的結構

JFET是利用半導體內的電場效應進行工作的，也稱為體內場效應器件。JFET的結構示意圖如圖2-29（a）和圖2-30（a）所示。圖2-29（a）是在一塊N型半導體材料兩邊擴散高濃度的P型區（用P+表示），形成兩個PN結。兩邊P+型區引出兩個歐姆接觸電極并連在一起稱為柵極G（Gate），在N型材料的兩端各引出一個歐姆接觸電極，分別稱為源極S（Source）和漏極D（Drain）。它們分別相當于BJT的基極B、射極E和集電極C。兩個PN結中間的N型區域稱為導電溝道。這種結構稱為N型溝道JFET。圖2-29（b）是它的電路符號，其中箭頭的方向表示柵極所對應的PN結正向偏置時，柵極電流的方向是由P指向N，故從符號上就可識別D、S之間是N溝道。還有一種與N型溝道完全對稱的結構形式，稱為P型溝道JFET，如圖2-30所示。對于P溝道結型場效應管，除了直流電源電壓的極性和漏極電流的方向與N溝道結型場效應管相反外，兩者的工作原理完全相同。所以下面僅以N溝道為例說明結型場效應管的工作原理。

2.JFET的工作原理

N型溝道JFET工作時，在柵極和源極間需加一負電壓（uGS＜0），使柵極、溝道間的PN結反偏，柵極電流iG≈0，場效應管呈現高達107Ω以上的輸入電阻。在漏極與源極間加一正電壓（uDS ＞0），使N溝道中的多數載流子（電子）在電場作用下由源極向漏極運動，形成電流iD。iD的大小受uGS控制。因此，討論JFET的工作原理就是討論uGS對iD的控制作用和uDS對iD的影響。

（1）uGS對iD的控制作用

為了討論方便，先假設uDS=0。當uGS由零向負值方向增大時，在反偏電壓uGS作用下，兩個PN結的耗盡層（或勢壘區）將加寬，使導電溝道變窄，溝道電阻增大，如圖2-31（a）和（b）所示（由于N區摻雜濃度遠小于P+區，所以耗盡層主要在N區內延伸，圖中只畫出了N區的耗盡層）。當uGS 進一步增大到某一定值uGS =UGS（of）時（注意：N型溝道JFET的UGS（of）為負值），兩側耗盡層在中間合攏，溝道全部被夾斷，如圖2-31（c）所示。此時漏源極間的電阻將趨于無窮大，相應的柵源電壓稱為夾斷電壓UGS（of）。

上述分析表明，改變uGS的大小，可以有效地控制溝道電阻的大小。若在漏、源極間加上固定的正向電壓uDS，由漏極流向源極的電流iD將受uGS的控制。顯然，|uGS|增大時，導電溝道變窄，溝道電阻增大，iD減小。當uGS=UGS（off）時，溝道全夾斷，iD=0。

（2）uDS對iD的影響導電溝道的影響較小，靠近漏端的溝道區域仍較寬，故iD隨uDS幾乎成正比地增大，構成如圖2-33所示曲線的線性上升部分。

為簡明起見，首先從uGS=0開始討論。

當uDS=0時，iD=0這是容易理解的。但隨著uDS逐漸增加，一方面溝道電場強度加大，有利于漏極電流iD增加；另一方面，uDS在漏極到源極的N型半導體區域中，產生一個沿溝道的電位梯度。所以在漏端到源端的不同位置上，柵極與溝道不同位置之間的電位差是不相等的，離源極越遠，電位差越大，加到該處PN結的反向電壓也越大，耗盡層也越向N型半導體中心擴展，即靠近漏極處的導電溝道比靠近源極處的要窄，導電溝道寬度不均勻，呈楔形，如圖2-32（a）所示。所以uDS的增加，將對iD的增加產生一定程度的影響。但在uDS較小時，對

隨著uDS繼續增加，越靠近漏端反偏電位差越大，耗盡層也越寬，導電溝道寬度也越不均勻，iD隨uDS的變化會呈現出非線性特性。當uDS=UGS（of） 時，靠近漏極出現溝道合攏，兩耗盡層在A點相遇，如圖2-32（b）所示，稱為預夾斷狀態。此時，A點耗盡層兩邊的電位差可用夾斷電壓UGS（of）來描述。由于uGS=0，故有uGD=-uDS =UGS（of），相當于在圖2-33中uDS =UGS（of） 時，iD達到了飽和漏極電流IDSS。IDSS下標中的第二個S表示柵、源極間短路的意思。

溝道在A點預夾斷后，隨著uDS繼續增大，合攏點A將沿溝道向源極方向移動（延伸），夾斷區長度會增加，如圖2-32（c）所示。由于夾斷區為高阻抗區，外電壓uDS的增量 ΔuDS =uDS-UGS（of） 主要降落在夾斷區上，夾斷區上場強隨之增大，仍能將電子拉過夾斷區（即耗盡層），形成漏極電流iD（這和NPN型BJT在集電結反偏時仍能把電子拉過耗盡區基本上是相似的）。而未被夾斷的溝道上，溝道內電場基本上不隨uDS增大而變化，所以，iD基本上不隨uDS增加而上升，漏極電流趨于飽和。當uDS增加到uDS＞BUDS時，在強電場的作用下PN結雪崩擊穿，iD會迅速增大，uDS-iD的關系曲線如圖2-33所示。

一般情況下，uGS≠0，即在JFET柵極與源極之間總是接有電壓uGS，由于在相同uDS電壓時，uGS值不同，相應的預夾斷電壓也將不同。通常在預夾斷點處UGS（of）與uGS、uDS之間有如下關系

該式稱為JFET的預夾斷方程。

由于柵源電壓uGS越負，耗盡層越寬，導電溝道越窄，溝道電阻就越大，相應的iD就越小，圖2-33所示的輸出特性曲線將下移，因此，改變uGS可得一族輸出特性曲線，如圖2-34所示。由于每個管子的UGS（of）為一定值，因此，從式（2-45）可知，預夾斷點將隨uGS的改變而變化，它在輸出特性上的軌跡如圖2-34中左邊虛線所示。

綜上分析，可得下述結論。

① JFET柵極、溝道之間的PN結應反向偏置，因此，其iG≈0，輸入電阻很高。

② JFET是電壓控制電流器件，iD受uGS控制。

③預夾斷前，iD與uDS呈近似線性關系；預夾斷后，iD趨于飽和，幾乎與uDS電壓的變化無關。

④場效應管只有一種極性的載流子導電，通常稱為單極型晶體管。

P溝道JFET工作時，其電源極性和電流方向都與N溝道JFET的相反，但工作原理相同。

2.2.2 JFET的特性曲線及參數

1.輸出特性

JFET的輸出特性是指在柵源電壓uGS一定的情況下，漏極電流iD與漏源電壓uDS之間的關系，其函數關系如下

圖2-35所示為N溝道JFET的輸出特性曲線。圖中JFET的工作狀態可分為以下四個區域。

（1）可變電阻區

圖2-35中的Ⅰ區即為可變電阻區。在該區內，輸出特性曲線的斜率隨柵源電壓而變化，柵源電壓越負，輸出特性曲線相對縱坐標軸越傾斜（斜率不同，圖中虛線所示），漏源間的等效電阻越大。因此，在Ⅰ區中，FET可看做一個受柵源電壓uGS控制的可變電阻。故得名為可變電阻區。

（2）恒流區

圖2-35中的Ⅱ區稱為恒流區或飽和區，其物理過程如前所述。FET用做放大電路時，一般就工作在這個區域。所以Ⅱ也稱為線性放大區。

當uDS＞uGS-UGS（of）后，iD即進入恒流區。但事實上由于隨著uDS的增加，有效導電溝道長度減短，iD隨uDS的增加稍有增加，與此對應的輸出特性曲線略有斜升（見圖2-35）。當考慮到溝道長度的調制效應后，MOSFET管在恒流區的大信號特性方程通常可表示為

式中，λ是溝道調制系數，1/λ相當于BJT的Early電壓UA，λ的典型值約為（100 V）-1。由式（2-46）可以看出，當不考慮溝道長度的調制效應，即λ=0時，可得

式（2-47）說明，當不考慮溝道長度的調制效應時，在恒流區iD與uDS無關，輸出特性曲線為一族水平線，且曲線間距與uGS成平方律關系。

（3）擊穿區

圖2-35中的Ⅲ區為擊穿區。當uDS增至一定的數值，即uDS ＞BUDS后，由于加到溝道中耗盡層的電壓太高，電場很強，致使柵、漏間的PN結發生雪崩擊穿，iD迅速上升，因此Ⅲ區稱為擊穿區，進入雪崩擊穿后，管子不能正常工作，甚至很快燒毀。所以，FET不允許工作在這個區域。

（4）全夾斷區

Ⅳ區為全夾斷區，當uGS≤UGS（of）時，溝道完全被夾斷，iD=0，也稱為截止工作區。

根據以上分析，可將N溝道JFET各工作區的條件總結于表2-1中。

2.轉移特性

如前所述，電流控制器件BJT的工作性能，可以通過它的輸入特性和輸出特性及一些參數來描述。但JFET是電壓控制器件，柵極輸入端基本上沒有電流，故討論它的輸入特性是沒有意義的。為了描述JFET柵源電壓uGS對漏極電流iD的控制作用，在輸出特性的基礎上引入轉移特性的概念。所謂轉移特性是指在漏源電壓uDS為常數的情況下，柵源電壓uGS對漏極電流iD的控制特性，即

由于輸出特性與轉移特性都反映的是JFET工作的同一物理過程，所以轉移特性可以直接從輸出特性曲線上用作圖法求出。例如，在圖2-35的輸出特性曲線中，作一條uDS =10 V的垂直線，此垂直線與各條輸出特性曲線的交點分別為A、B和C，將A、B和C各點相應的iD及uGS值畫在iD-uGS的直角（笛卡兒）坐標系中，就可得到一條轉移特性曲線iD=f（uGS）uDS=10 V，如圖2-36所示。

如果uDS取不同的值，可得一族轉移特性曲線。但當uDS大于一定的數值后（如uDS＞uGS -UGS（of）），不同uDS的轉移特性曲線應該是很接近的，這是因為在飽和區iD幾乎不隨uDS而變。在放大電路中，FET一般工作在飽和區，這時可近似認為轉移特性曲線族重合為一條曲線，這樣可使問題的分析得到簡化。

實驗表明，在飽和區內，iD隨uGS的增加（負數值減小）近似按平方律上升，即有

這樣，只要給出IDSS和UGS（off）的數值就可以把轉移特性中的其他點近似計算出來。

3.主要參數

（1）夾斷電壓UGS（of）

由式（2-45）和圖2-32（b）可知，當uGS=0，uDS= -UGS（of）時對應著預夾斷狀態，此時uDS即為夾斷電壓|UGS（of）|。但實際測試時，通常令uDS為某一固定值，使iD等于一個微弱的小電流（例如幾十μA）時，柵、源之間所加的電壓為夾斷電壓。從物理意義上來說，這時相當于達到全夾斷狀態，此時有uGS=UGS（of）。

（2）飽和漏電流IDSS

在uGS=0的情況下，當|uDS＞UGS（of）| 時的漏極電流稱為飽和漏電流IDSS。通常令uDS =10 V，uGS =0 V時測出的iD就是IDSS。在轉移特性曲線上，就是uGS =0時的漏極電流（見圖2-36）。對于JFET來說，IDSS也是管子所能輸出的最大電流。

（3）最大漏源電壓BUDS

BUDS是指發生雪崩擊穿、iD開始急劇上升時的uDS值。由于加到PN結上的反向偏壓與uGS有關，因此uGS越負，BUDS隨之越小。

（4）最大柵源電壓BUGS

BUGS是柵、源間PN結的反向擊穿電壓，指輸入柵、源間PN結反向電流開始急劇增加時的uGS值。

（5）直流輸入電阻RGS

在漏、源之間短路的條件下，柵、源之間加一定反偏電壓時的柵源直流電阻就是直流輸入電阻RGS，RGS一般很大在106 Ω以上。

（6）低頻跨導gm

在uDS等于常數時，漏極電流的微變量和引起這個變化的柵源電壓的微變量之比，稱為跨導，即

跨導反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力，它相當于轉移特性曲線工作點上的斜率。跨導gm是表征FET放大能力的一個重要參數，單位為mS或μS。gm一般在十分之幾至幾mS的范圍內，特殊的可達100 mS，甚至更高。值得注意的是，跨導隨管子的工作點不同而不同，它是JFET小信號模型的重要參數之一。

如果手頭沒有FET的特性曲線，可利用式（2-48）和式（2-49）近似估算gm的值，即

式中，gmo=2IDSS/UGS（of）是uGS=0情況下的跨導。實際應用時，式（2-50）中的iD應采用靜態工作點電流IDQ，gm相應表示靜態工作點附近的跨導。

（7）輸出電阻rds

定義

由式（2-46）可得

輸出電阻rds說明了uDS對iD的影響，反映溝道長度的調制效應，是輸出特性曲線工作點上切線斜率的倒數。在飽和區（即線性放大區），iD隨uDS改變很小，因此rds的數值很大，一般在幾十千歐到幾百千歐之間。

（8）最大耗散功率PDM

JFET的瞬時耗散功率等于uDS和iD的乘積，即pD=uDSiD，這些耗散功率將變為熱能，使管子的溫度升高。為了限制它的溫度不要升得太高，就要限制它的平均耗散功率不能超過最大值PDM。顯然，PDM受管子最高工作溫度的限制。

上述以N溝道為例對JFET的工作原理做了詳細分析。對于P溝道JFET，其工作原理與N溝道JFET完全相同，只是外加電壓極性和溝道電流方向與N溝道JFET相反。讀者根據圖2-30所示的P溝道JFET的結構，不難自己做出分析。現將P溝道JFET的有關結論總結如下：P溝道JFET的uDS為負極性，故溝道內漏極電流iD從S極流向D極。uGS為正極性，故夾斷電壓UGS（off）＞0。當uGS≥UGS（off）時，溝道全夾斷。當uDS=uGS-UGS（off）時，溝道預夾斷。當uDS＜uGS-UGS（off）時，溝道部分夾斷（恒流區）。uDS＞uGS-UGS（off）時，溝道未夾斷（可變電阻區）。兩種溝道JFET的預夾斷方程相同。比較兩種類型的JFET可以發現：當uDS的值使溝道預夾斷后，uDS的絕對值繼續增大，溝道進入部分夾斷狀態（恒流區）。這一規律對任何場效應管都成立。圖2-37和圖2-38給出了P溝道JFET的轉移特性曲線和輸出特性曲線。

【例2-3】 設N溝道JFET的UGS（of）=-4 V，試分析圖2-39中的JFET各工作在哪個區？

解：

對圖（a）：因為uDS=10 V為正極性，且UGS（of）=-4 V，uGS=-5 V，使uGS＜UGS（of），所以溝道處于全夾斷狀態。即圖（a）的JFET工作在截止區。

對圖（b）：UGS（of）=-4 V，uGS =-3 V，滿足uGS ＞UGS（of），所以導電溝道存在。又知uDS =7 V，uGS-UGS（of）=1 V，滿足uDS ＞uGS -UGS（of），或uGD=uGS -uDS =-3 V-7 V=-10 V＜UGS（of），所以漏端的溝道已被部分夾斷，即圖（b）的JFET工作在恒流區（放大區）。

對圖（c）：UGS（of）=-4 V，uGS =0 V，滿足uGS ＞UGS（of），所以導電溝道存在。又因為uDS =0.5 V，uGS-UGS（of）=4 V，滿足uDS ＜uGS -UGS（of），或uGD=uGS -uDS =-0.5 V＞UGS（of），所以漏、源之間存在連續溝道，圖（c）的JFET工作在可變電阻區。

2.2.3 JFET的小信號模型

由FET的輸出特性曲線可知，漏極電流iD與柵源電壓uGS和漏源電壓uDS的函數關系為

如果在工作點Q處對iD進行全微分，得

由式（2-49）和式（2-51）可知，式（2-53）中?iD?uDS Q正是FET的交流參數跨導gm，?iD?uDSQ則是FET的漏源內阻rds的倒數。在小信號條件下，微分diD、duGS和duDS可以分別用交流小信號id、ugs和uds來代替。根據式（2-53）和ig=0，便得到JFET的低頻小信號電流、電壓之間的關系式

由式（2-54）可畫出JFET的低頻小信號線性電路模型如圖2-40所示。從該電路模型的推導過程可知，它適用于工作在中、低頻段的JFET，而且該模型與JFET的類型和放大組態無關。特別要指出，模型中的受控電流源gmugs的方向是由D指向S的。

當JFET工作在高頻段時，必須考慮極間電容的影響，這時JFET高頻電路的模型如圖2-41所示。由圖可以看出，JFET的三個電極之間都存在著極間電容，它們是柵源電容Cgs、柵漏電容Cgd和漏源電容Cds。其中，電容Cgs和Cgd主要由反偏PN結的勢壘電容組成，數值一般為1～5 pF。漏源電容Cds主要由封裝電容和引線電容所組成，數值很小，一般為0.1～1 pF。