结型场效应晶体管

概述

　　结型场效应晶体管（JFET）是通过外加栅极电压来改变栅极空间电荷区的宽度，从而控制沟道导电能力的一种场效应器件。源极和漏极之间的导电沟道是导电率相当低的半导体材料。栅极与下面的导电半导体之间存在整流结。JFET的栅极一般都加反向偏压，且栅结的耗尽层主要向沟道区扩展。改变栅结电压可以控制栅结耗尽区宽度，以改变导电沟道宽度，从而控制输出漏电流，在某一高反偏压下，沟道最终可被夹断。这类晶体管平常处于导通状态，在高反偏压下又可夹断。JFET已广泛使用于小信号放大器、电流限制器、电压控制电阻器、开关电路和集成电路中。如果栅结为肖特基势垒结，这就制成肖特基势垒场效应管（MESFET）。这种场效应管的跨导高、工作频率高，是微波领域里的热门器件。由于GaAs中电子迁移率比硅中大5倍，峰值漂移速度大1倍，所以GaAsMESFET发展迅速。

工作特性

　　对于耗尽型的JFET，在平衡时(不加电压)时，沟道电阻最小；电压V_ds和V_gs都可改变栅p-n结势垒的宽度，并因此改变沟道的长度和厚度（栅极电压使沟道厚度均匀变化，源漏电压使沟道厚度不均匀变化），使沟道电阻变化，从而导致Ids变化，以实现对输入信号的放大。

　　当V_ds较低时，JFET的沟道呈现为电阻特性，是所谓电阻工作区，这时漏极电流基本上随着电压V_ds的增大而线性上升，但漏极电流随着栅极电压V_gs的增大而平方式增大；进一步增大V_ds时，沟道即首先在漏极一端被夹断，则漏极电流达到而饱和（饱和电流搜大小决定于没有被夹断的沟道的电阻），这就是JFET的饱和放大区，这时JFET呈现为一个恒流源。

 　　JFET的放大作用可用所谓跨导g_m = δI_ds / δV_gsS ](V_ds =常数) 来表示，要求跨导越大越好。

工作原理

　　N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同，现以N沟道结型场效应管为例，分析其工作原理。

　　N沟道结型场效应管工作时，也需要外加如图1所示的偏置电压，即在栅-源极间加一负电压(v_GS＜0)，使栅-源极间的P+N结反偏，栅极电流i_G≈0，场效应管呈现很高的输入电阻(高达108W左右)。在漏-源极间加一正电压(v_DS＞0)，使N沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动，形成漏极电流i_D。i_D的大小主要受栅-源电压v_GS控制，同时也受漏-源电压v_DS的影响。因此，讨论场效应管的工作原理就是讨论栅-源电压v_GS对漏极电流i_D（或沟道电阻）的控制作用，以及漏-源电压v_DS对漏极电流i_D的影响。

　　v_GS对i_D的控制作用

　　图2所示电路说明了v_GS对沟道电阻的控制作用。为便于讨论，先假设漏-源极间所加的电压v_DS=0。当栅-源电压v_GS=0时，沟道较宽，其电阻较小，如图2(a)所示。当v_GS<0，且其大小增加时，在这个反偏电压的作用下，两个P+N结耗尽层将加宽。由于N区掺杂浓度小于P+区，因此，随着|v_GS| 的增加，耗尽层将主要向N沟道中扩展，使沟道变窄，沟道电阻增大，如图2(b)所示。当|v_GS| 进一步增大到一定值|V_P| 时，两侧的耗尽层将在沟道中央合拢，沟道全部被夹断，如图2(c)所示。由于耗尽层中没有载流子，因此这时漏-源极间的电阻将趋于无穷大，即使加上一定的电压v_DS，漏极电流iD也将为零。这时的栅-源电压称为夹断电压，用V_P表示。

特点

　　①是电压控制器件，则不需要大的信号功率。

　　②是多数载流子导电的器件，是所谓单极晶体管，则无少子存储与扩散问题，速度高，噪音系数低；而且漏极电流Ids的温度关系决定于载流子迁移率的温度关系，则电流具有负的温度系数，器件具有自我保护的功能。

　　③输入端是反偏的p-n结, 则输入阻抗大, 便于匹配。

　　④输出阻抗也很大, 呈现为恒流源，这与BJT大致相同。

　　⑤JFET一般是耗尽型的，但若采用高阻衬底, 也可得到增强型JFET(增强型JFET在高速、低功耗电路中很有应用价值)；但是一般只有短沟道的JFET才是能很好工作的增强型器件。实际上，静电感应晶体管也就是一种短沟道的JFET。

　　⑥沟道是处在半导体内部，则沟道中的载流子不受半导体表面的影响，因此迁移率较高、噪声较低。