3。結型場效應晶體管（JFET）

結型場效應晶體管（JFET）

與結型場效應晶體管（JFET）相比，MOSFET具有許多優點。值得注意的是，MOSFET的輸入電阻高於JFET的輸入電阻。出於這個原因，選擇MOSFET有利於JFET，適用於大多數應用。儘管如此，JFET仍然在有限的情況下使用，尤其是模擬應用。

我們已經看到增強型MOSFET需要非零柵極電壓來形成導通溝道。沒有施加的柵極電壓，沒有多數載流子電流可以在源極和漏極之間流動。相反，JFET控制兩個歐姆接觸之間的現有通道中的多數載流子電流的電導。它通過改變器件的等效電容來實現。

儘管我們在不使用先前為MOSFET得出結果的情況下採用JFET的方法，但我們會看到兩種器件在操作上有許多相似之處。在第6節“ MOSFET與JFET的比較”中總結了這些相似之處。

JFET的物理結構示意圖如圖13所示。與BJT一樣，JFET是三端器件。它基本上只有一個 pn 門和通道之間的連接而不是BJT中的兩個連接（儘管看起來有兩個 pn 如圖13所示，它們通過將柵極端子連接在一起而並聯連接。因此，它們可以被視為單個結。

n- 通道JFET，如圖14（a）所示，是用一條帶構成的 n兩種材料 p類型的材料擴散到條帶中，每側一個。該 p-channel JFET有一條帶 p兩種材料 n - 類型材料擴散到條帶中，如圖13（b）所示。圖13還顯示了電路符號。

為了深入了解JFET的操作，讓我們連接 n-channel JFET到外部電路如圖14（a）所示。正電源電壓， V_DD，應用於排水管（這類似於 V_CC BJT的供電電壓，並且源連接到公共（地）。門電源電壓， V_GG，應用於門（這類似於 V_BB 為BJT）。

圖13- JFET的物理結構

V_DD 提供漏源電壓， v_DS，導致漏電流， i_D，從排放到源。由於柵極 - 源極結被反向偏置，因此產生零柵極電流。漏極電流， i_D等於源電流，存在於被 p型門。柵極 - 源極電壓， v_GS，等於，創造一個 耗盡區 在通道中減小通道寬度。這反過來又增加了漏極和源極之間的電阻。

圖14 –連接到外部電路的n溝道JFET

我們考慮使用JFET操作 v_GS = 0，如圖14（b）所示。漏極電流， i_D，通過 n - 從漏極到源極的通道導致沿溝道的電壓降，漏極 - 柵極結處的電位更高。漏極 - 柵極結處的這個正電壓反向偏置 pn 結點並產生耗盡區，如圖14（b）中的陰影區域所示。當我們增加 v_DS，漏極電流， i_D，也增加了，如圖15所示。

該動作導致較大的耗盡區和漏極與源極之間的溝道電阻增加。如 v_DS 如果進一步增加，則達到耗盡區切斷漏極邊緣處的整個溝道並且漏極電流達到其飽和點的點。如果我們增加 v_DS 超越這個點， i_D 保持相對穩定。飽和漏極電流值 V_GS = 0是一個重要參數。它是 漏源飽和電流, I_DSS。我們發現它 KV_T² 用於耗盡型MOSFET。從圖15可以看出，增加 v_DS 超越這個所謂的渠道夾斷點（ - V_P, I_DSS）導致非常輕微的增加 i_D和 i_D-v_DS 特徵曲線幾乎變平（即 i_D 保持相對穩定 v_DS 進一步增加）。回想起那個 V_T （現在指定 V_P）是負面的 n - 通道設備。當漏極電壓達到剝離點（飽和區域）以外的操作， V_DS，大於 - V_P （見圖15）。舉個例子，讓我們說吧 V_P = -4V，這意味著漏極電壓， v_DS，必須大於或等於 - （ - 4V），以使JFET保持在飽和（正常工作）區域。

該描述表明JFET是耗盡型器件。我們期望其特性與耗盡MOSFET的特性相似。然而，有一個重要的例外：雖然可以在增強模式下操作耗盡型MOSFET（通過施加正值） v_GS 如果設備是 n-channel）這在JFET型器件中是不實用的。在實踐中，最大化 v_GS 自從以來大約限制在0.3V pn在這個小的正向電壓下，結仍然基本上被截止。

圖15 - i_D 與 v_DS 特徵 n通道JFET（V_GS = 0V）

3.1 JFET柵極 - 源極電壓變化

在上一節中，我們開發了 i_D-v_DS 特徵曲線 V_GS = 0。在本節中，我們考慮完整 i_D-v_DS 各種價值觀的特徵 v_GS。注意，在BJT的情況下，特徵曲線（i_C-v_CE）有 i_B 作為參數。 FET是一種電壓控制器件 v_GS 做控制。圖16顯示了 i_D-v_DS 兩者的特徵曲線 n- 渠道和 p通道JFET。

圖16-i_D-v_DS JFET的特性曲線

隨著增加 (v_GS 對...更負面 n-channel，更積極的一個 p- 通道）形成耗盡區，並且為了較低的值而實現夾斷 i_D。因此對於 n圖16（a）的通道JFET，最大值 i_D 減少 I_DSS as v_GS 變得更加消極。如果 v_GS 進一步減少（更負面），價值 v_GS 到達之後 i_D 無論價值如何，都將為零 v_DS。這個值 v_GS 叫做 V_GS（OFF），或者 夾斷電壓 (V_p）。的價值 V_p 是負面的 n-channel JFET和正面a p通道JFET。 V_p 可以比較 V_T 用於耗盡型MOSFET。

3.2 JFET傳輸特性

傳輸特性是漏極電流的曲線， i_D，作為漏極 - 源極電壓的函數， v_DS與 v_GS 等於一組恆定電壓（v_GS 圖3（a）中的-2V，-1，-0V，16V）。傳遞特性幾乎與其值無關 v_DS 自從JFET達到夾斷後， i_D 對於增加值而言，它仍然相對恆定 v_DS。從中可以看出這一點 i_D - v_DS 圖16的曲線，其中每條曲線的值大致為平坦 v_DS>V_p.

在圖17中，我們展示了傳輸特性和 i_D-v_DS 的特徵 n通道JFET。我們用一個共同點來描繪這些 i_D 軸顯示如何從另一個獲得一個。轉移特徵可以從擴展中獲得 i_D-v_DS 曲線如圖17中的虛線所示。確定飽和區域中傳輸特性的最有用方法是具有以下關係式（Shockley方程）：

（16）

因此，我們只需知道 I_DSS 和 V_p 確定整個特徵。製造商的數據表通常會提供這兩個參數，因此可以構建傳輸特性。 V_p 在製造商的規格表中顯示為 V_GS（OFF）。注意 i_D 飽和（即變為常數）為 v_DS 超過通道夾斷所需的電壓。這可以表示為等式 v_DS，坐在 對於每個曲線如下：

（17）

As v_GS 變得更負，夾斷發生在較低的值 v_DS 並且飽和電流變小。線性操作的有用區域是高於夾斷並低於擊穿電壓。在這個地區， i_D 飽和，其價值取決於 v_GS，根據公式（16）或傳遞特性。

圖17 - JFET傳輸特性曲線

轉移和 i_D-v_DS JFET的特性曲線如圖17所示，與BJT的相應曲線不同。由於兩者之間的線性關係，BJT曲線可以表示為均勻間隔以獲得基極電流的均勻步長 i_C 和 i_B。 JFET和MOSFET沒有類似於基極電流的電流，因為柵極電流為零。因此，我們被迫展示曲線族 i_D 與 v_DS，這種關係非常非線性。

第二個差異涉及特徵曲線的歐姆區域的大小和形狀。回想一下，在使用BJT時，我們通過避免使用較低的5％值來避免非線性操作 v_CE （即， 飽和區域）。我們看到JFET的歐姆區寬度是柵極 - 源極電壓的函數。歐姆區域非常線性，直到膝蓋發生接近夾斷。這個地區被稱為 歐姆區 因為當在這個區域使用晶體管時，它的行為類似於歐姆電阻，其值由值決定 v_GS。隨著柵極至源極電壓幅度的減小，歐姆區的寬度增大。我們還從圖17中註意到，擊穿電壓是柵極至源極電壓的函數。實際上，為了獲得合理的線性信號放大，我們必須僅利用這些曲線的相對較小的部分–線性工作區域位於有效區域內。

As v_DS 從零開始增加，在每條曲線上出現斷點，超過該斷點，漏極電流增加很少 v_DS 繼續增加。在該漏極 - 源極電壓值處，發生夾斷。夾斷值在圖17中標記，並且用虛線曲線連接，該曲線將歐姆區域與有源區域分開。如 v_DS 繼續增加超過夾斷，達到漏極和源極之間的電壓變得如此之大的點 雪崩擊穿 發生。（這種現像也發生在二極管和BJT中）。在故障點， i_D 急劇增加，而增幅微不足道 v_DS。這種擊穿發生在柵極 - 溝道結的漏極端。因此，當漏極 - 柵極電壓時， v_DG，超過擊穿電壓（BV_GDS 為了 pn 交叉），雪崩發生[for v_GS = 0 V]。此時， i_D-v_DS 特徵表現出圖17右側所示的奇特形狀。

夾斷電壓和雪崩擊穿之間的區域稱為 有源區，放大器工作區，飽和區，或者 夾斷區域。 歐姆區域（夾斷前）通常稱為 三極管區域，但它有時被稱為 電壓控制區。 當需要可變電阻器和開關應用時，JFET在歐姆區域中工作。

擊穿電壓是一個函數 v_GS 以及訴_DS。隨著柵極和源極之間電壓的大小增加（對於柵極和源極的電壓更大） n- 渠道更積極 p-channel），擊穿電壓降低（見圖17）。同 v_GS = V_p，漏極電流為零（漏電流小），並且 v_GS = 0，漏極電流飽和一個值，

（18）

I_DSS 是 飽和漏極 - 源極電流.

在夾斷和擊穿之間，漏極電流飽和並且不會隨著函數的變化而明顯改變 v_DS。在JFET通過夾斷工作點後，其值為 i_D 可以從特徵曲線或從等式中獲得

（19）

該等式的更準確版本（考慮到特徵曲線的微小斜率）如下：

（20）

λ 類似於 λ 用於MOSFET和1 /V_A 對於BJT。以來 λ 很小，我們假設。這證明省略了等式中的第二個因子並使用近似值進行偏置和大信號分析。

飽和漏極 - 源極電流， I_DSS，是溫度的函數。溫度對溫度的影響 V_p 不大。然而， I_DSS 隨著溫度的升高，降低幅度與25的100％一樣多^o 溫度升高。甚至更大的變化發生在 V_p 和 I_DSS 因為製造過程略有不同。通過查看2N3822附錄中的最大值可以看出這一點 I_DSS 是10 mA，最小值是2 mA。

本節中的電流和電壓用於表示 n通道JFET。 a的值 p-channel JFET與給出的相反 n-渠道。