3。结型场效应晶体管（JFET）

结型场效应晶体管（JFET）

与结型场效应晶体管（JFET）相比，MOSFET具有许多优点。值得注意的是，MOSFET的输入电阻高于JFET的输入电阻。出于这个原因，选择MOSFET有利于JFET，适用于大多数应用。尽管如此，JFET仍然在有限的情况下使用，尤其是模拟应用。

我们已经看到增强型MOSFET需要非零栅极电压来形成导通沟道。没有施加的栅极电压，没有多数载流子电流可以在源极和漏极之间流动。相反，JFET控制两个欧姆接触之间的现有通道中的多数载流子电流的电导。它通过改变器件的等效电容来实现。

尽管我们在不使用先前针对MOSFET得出的结果的情况下采用JFET的方法，但我们将看到两种器件在操作上有许多相似之处。在第6节“ MOSFET与JFET的比较”中总结了这些相似之处。

JFET的物理结构示意图如图13所示。与BJT一样，JFET是三端器件。它基本上只有一个 pn 门和通道之间的连接而不是BJT中的两个连接（尽管看起来有两个 pn 如图13所示，它们通过将栅极端子连接在一起而并联连接。因此，它们可以被视为单个结。

n- 通道JFET，如图14（a）所示，是用一条带构成的 n两种材料 p类型的材料扩散到条带中，每侧一个。该 p-channel JFET有一条带 p两种材料 n - 类型材料扩散到条带中，如图13（b）所示。图13还显示了电路符号。

为了深入了解JFET的操作，让我们连接 n-channel JFET到外部电路如图14（a）所示。正电源电压， V_DD，应用于排水管（这类似于 V_CC BJT的供电电压，并且源连接到公共（地）。门电源电压， V_GG，应用于门（这类似于 V_BB 为BJT）。

图13- JFET的物理结构

V_DD 提供漏源电压， v_DS，导致漏电流， i_D，从排放到源。由于栅极 - 源极结被反向偏置，因此产生零栅极电流。漏极电流， i_D等于源电流，存在于被 p型门。栅极 - 源极电压， v_GS，等于，创造一个 耗尽区 在通道中减小通道宽度。这反过来又增加了漏极和源极之间的电阻。

图14 –连接到外部电路的n沟道JFET

我们考虑使用JFET操作 v_GS = 0，如图14（b）所示。漏极电流， i_D通过 n - 从漏极到源极的通道导致沿沟道的电压降，漏极 - 栅极结处的电位更高。漏极 - 栅极结处的这个正电压反向偏置 pn 结点并产生耗尽区，如图14（b）中的阴影区域所示。当我们增加 v_DS，漏极电流， i_D，也增加了，如图15所示。

该动作导致较大的耗尽区和漏极与源极之间的沟道电阻增加。如 v_DS 如果进一步增加，则达到耗尽区切断漏极边缘处的整个沟道并且漏极电流达到其饱和点的点。如果我们增加 v_DS 超越这个点， i_D 保持相对稳定。饱和漏极电流值 V_GS = 0是一个重要参数。它是 漏源饱和电流, I_DSS。我们发现它 KV_T² 用于耗尽型MOSFET。从图15可以看出，增加 v_DS 超越这个所谓的渠道夹断点（ - V_P, I_DSS）导致非常轻微的增加 i_D，并 i_D-v_DS 特征曲线几乎变平（即 i_D 保持相对稳定 v_DS 进一步增加）。回想起那个 V_T （现在指定 V_P）是负面的 n - 通道设备。当漏极电压达到剥离点（饱和区域）以外的操作， V_DS，大于 - V_P （见图15）。举个例子，让我们说吧 V_P = -4V，这意味着漏极电压， v_DS，必须大于或等于 - （ - 4V），以使JFET保持在饱和（正常工作）区域。

该描述表明JFET是耗尽型器件。我们期望其特性与耗尽MOSFET的特性相似。然而，有一个重要的例外：虽然可以在增强模式下操作耗尽型MOSFET（通过施加正值） v_GS 如果设备是 n-channel）这在JFET型器件中是不实用的。在实践中，最大化 v_GS 自从以来大约限制在0.3V pn在这个小的正向电压下，结仍然基本上被截止。

图15 - i_D 与 v_DS 特征 n通道JFET（V_GS = 0V）

3.1 JFET栅极 - 源极电压变化

在上一节中，我们开发了 i_D-v_DS 特征曲线 V_GS = 0。在本节中，我们考虑完整 i_D-v_DS 各种价值观的特征 v_GS。注意，在BJT的情况下，特征曲线（i_C-v_CE）有 i_B 作为参数。 FET是一种电压控制器件 v_GS 做控制。图16显示了 i_D-v_DS 两者的特征曲线 n- 渠道和 p通道JFET。

图16-i_D-v_DS JFET的特性曲线

随着增加 (v_GS 对...更负面 n-channel，更积极的一个 p- 通道）形成耗尽区，并且为了较低的值而实现夹断 i_D。因此对于 n图16（a）的通道JFET，最大值 i_D 减少 I_DSS as v_GS 变得更加消极。如果 v_GS 进一步减少（更负面），价值 v_GS 到达之后 i_D 无论价值如何，都将为零 v_DS。这个值 v_GS 叫做 V_GS（OFF）或 夹断电压 (V_p）。的价值 V_p 是负面的 n-channel JFET和正面a p通道JFET。 V_p 可以比较 V_T 用于耗尽型MOSFET。

3.2 JFET传输特性

传输特性是漏极电流的曲线， i_D，作为漏极 - 源极电压的函数， v_DS, v_GS 等于一组恒定电压（v_GS 图3（a）中的-2V，-1，-0V，16V）。传递特性几乎与其值无关 v_DS 自从JFET达到夹断后， i_D 对于增加值而言，它仍然相对恒定 v_DS。从中可以看出这一点 i_D–v_DS 图16的曲线，其中每条曲线的值大致为平坦 v_DS>V_p.

在图17中，我们展示了传输特性和 i_D-v_DS 的特征 n通道JFET。我们用一个共同点来描绘这些 i_D 轴显示如何从另一个获得一个。转移特征可以从扩展中获得 i_D-v_DS 曲线如图17中的虚线所示。确定饱和区中传输特性的最有用方法是具有以下关系式（肖克利方程）：

(16)

因此，我们只需知道 I_DSS 和 V_p 确定整个特征。制造商的数据表经常提供这两个参数，因此可以构建传输特性。 V_p 在制造商的规格表中显示为 V_GS（OFF）。注意 i_D 饱和（即变为常数）为 v_DS 超过通道夹断所需的电压。这可以表示为等式 v_DS，坐在 每曲线如下：

(17)

As v_GS 变得更负，夹断发生在较低的值 v_DS 并且饱和电流变小。线性操作的有用区域是高于夹断并低于击穿电压。在这个地区， i_D 饱和，其价值取决于 v_GS，根据公式（16）或传递特性。

图17 - JFET传输特性曲线

转移和 i_D-v_DS JFET的特性曲线如图17所示，与BJT的相应曲线不同。由于两者之间的线性关系，BJT曲线可以表示为均匀间隔以获得基极电流的均匀步长 i_C 和 i_B。 JFET和MOSFET没有类似于基极电流的电流，因为栅极电流为零。因此，我们被迫展示曲线族 i_D 与 v_DS，这种关系非常非线性。

第二个差异涉及特征曲线的欧姆区域的大小和形状。回想一下，在使用BJT时，我们通过避免使用较低的5％值来避免非线性操作 v_CE （即， 饱和区域）。我们看到JFET的欧姆区宽度是栅极 - 源极电压的函数。欧姆区域非常线性，直到膝盖发生接近夹断。这个地区被称为 欧姆区 因为当在这个区域使用晶体管时，它的行为类似于欧姆电阻，其值由值决定 v_GS。随着栅极至源极电压幅度的减小，欧姆区的宽度增大。我们还从图17中注意到，击穿电压是栅极至源极电压的函数。实际上，为了获得合理的线性信号放大，我们必须仅利用这些曲线的一小部分-线性工作区域位于有效区域内。

As v_DS 从零开始增加，在每条曲线上出现断点，超过该断点，漏极电流增加很少 v_DS 继续增加。在该漏极 - 源极电压值处，发生夹断。夹断值在图17中标记，并且用虚线曲线连接，该曲线将欧姆区域与有源区域分开。如 v_DS 继续增加超过夹断，达到漏极和源极之间的电压变得如此之大的点 雪崩击穿 发生。（这种现象也发生在二极管和BJT中）。在故障点， i_D 急剧增加，而增幅微不足道 v_DS。这种击穿发生在栅极 - 沟道结的漏极端。因此，当漏极 - 栅极电压时， v_DG，超过击穿电压（BV_GDS 等加工。为 pn 交叉），雪崩发生[for v_GS = 0 V]。此时， i_D-v_DS 特征表现出图17右侧所示的奇特形状。

夹断电压和雪崩击穿之间的区域称为 有源区，放大器工作区，饱和区或 夹断区域。 欧姆区域（夹断前）通常称为 三极管区域，但它有时被称为 电压控制区。 当需要可变电阻器和开关应用时，JFET在欧姆区域中工作。

击穿电压是一个函数 v_GS 以及诉_DS。随着栅极和源极之间电压的大小增加（对于栅极和源极的电压更大） n- 渠道更积极 p-channel），击穿电压降低（见图17）。同 v_GS = V_p，漏极电流为零（漏电流小），并且 v_GS = 0，漏极电流饱和一个值，

(18)

I_DSS 是 饱和漏极 - 源极电流.

在夹断和击穿之间，漏极电流饱和并且不会随着函数的变化而明显改变 v_DS。在JFET通过夹断工作点后，其值为 i_D 可以从特征曲线或从等式中获得

(19)

该等式的更准确版本（考虑到特征曲线的微小斜率）如下：

(20)

λ 类似于 λ 用于MOSFET和1 /V_A 对于BJT。以来 λ 很小，我们假设。这证明省略了等式中的第二个因子并使用近似值进行偏置和大信号分析。

饱和漏极 - 源极电流， I_DSS，是温度的函数。温度对温度的影响 V_p 不大。然而， I_DSS 随着温度的升高，降低幅度与25的100％一样多^o 温度升高。甚至更大的变化发生在 V_p 和 I_DSS 因为制造过程略有不同。通过查看2N3822附录中的最大值可以看出这一点 I_DSS 是10 mA，最小值是2 mA。

本节中的电流和电压用于表示 n通道JFET。 a的值 p-channel JFET与给出的相反 n-渠道。