场效应管

1.4 场效应三极管（JFET ）

场效应三极管参与导电的有一种极性的载流子：多子，因此叫单极型三极管，又因这种管子是利用电场效应来控制电流的，所以又称为场效应三极管，它是一种电压控制器件，通过栅源电压GS u 来控制漏极电流D i ，在放大区，D i 的值主要取决于GS u ，而基本上与u DS 无关，常常通过跨导 来描述双极型三极管的放大作用；因场效应管只有多子参与导电，且多子的浓度不易受温度光照等环境影响，所以与双极型三极管相比，噪声小，不易受外界温度和辐射影响；场效应管因D 极与S 极PN 结反偏，输入电阻很高，栅极几乎不摄取电流，因此输入电阻很大，结型场效应管一般在107Ω以上，MOS 场效应管则高达1010Ω。双极型三极管参与导电的有两种极性的载流子：多子和少子。

场效应管根据结构和工作原理不同可分为两大类，一类是结型场效应管，另一类是绝缘栅型场效应管。它们都只有一种载流子(多子)参与导电,所以场效应管被称为单极型器件。 结型场效应管

1.4.1结型场效应管的结构

结型场效应管(Junction Field Effect Transistor)简称JFET ，有N 沟道JFET 和P 沟道JFET 之分。图给出了JFET 的结构示意图及其表示符号。

N(P)沟道JFET ，是在一根N （P ）型半导体棒两侧通过高浓度扩散制造两个重掺杂P +型（N +）区，则在P +（N +）区和N （P ）区的交界处形成两个PN 结，将两个P +（N +）区接在一起引出一个电极，称为栅极(Gate)，在两个PN 结之间的N （P ）型半导体构成导电沟道，一端引出源极，另一端引出漏极（源极和漏极可以互换）。在源极和漏极两个电极间加上一定电压，便在沟道中形成电场，在此电场作用下，形成由多数载流子——自由电子产生的漂移电流。将电子发源端称为源极(Source)，接收端称为漏极(Drain)。根据导电沟道的不同，分为N 沟道结型场效应管（其导电沟道是N 型） 和P 沟道结型场效应管（其导电沟道是P 型）

1.4.2结型场效应管的原理（N 沟道结型场效应管的U GS 与P 沟道结型场效应管的U GS 方向相反） 1、U GS 对I D 的控制作用

在G 极和S 极之间加上反向电压U GS ，使G 极和导电沟道之间的两个PN 结反向偏置，就可以通过改变U GS 大小来改变耗尽层的宽度。当反向电压|U GS |变大时，耗尽层将变宽，于是导电沟道相应变小，使沟道本身电阻增大，于是，漏极电流I D 减小。

由于导电沟道的半导体材料参杂浓度相对较低，而G 极一边的参杂浓度相对较高，因此当反向偏压值生高时，耗尽层总的宽度将随之增大。但交界面两侧耗尽层的宽度并不相等，而是导电沟道一侧正离子数目与G 极一侧负离子数目相等。因此，掺杂程度低的导电沟道中耗尽层的宽度比高掺杂的G 极一侧耗尽层的宽度大得多。可以认为，当反向偏压增大时，耗尽层主要向着导电沟道一侧展宽。

(1)设U DS =0，即将D 极和S 极短接，同时在G 极和S 极之间加上负电源U GS ，然后改变U GS 的大小，观察耗尽层的变化情况。（以N 沟道为例，P 沟道的U GS 与N 沟道的相反）

当U GS =0时，耗尽层比较窄，导电沟道比较宽。当|U GS |由0逐渐增大时，耗尽层逐渐加宽，导电沟道相应变窄。当U GS =U P 时，两侧的耗尽层合拢在一起，导电沟道被夹断，所以，将U P 称为夹断电压。N （P ）沟道结型场效应管的U P 是一个负（正）值。如图。

∇∇=

u i |

β

(b )

(a )

结型场效应管的结构示意图及其表示符号

(a)N 沟道JFET ；(b)P 沟道JFET

由于U DS=0，即D极和S极之间没有外加电压，所以虽然U GS变化导致导电沟道的随之变化，但漏极电流I D 始终为0。

1.4.3三极管的电流分配关系

栅源电压U GS对沟道的控制作用示意图

（a）U GS =0，沟道最宽，

（b）U GS负压增大，沟道变窄，

（c）U GS负压进一步增大，沟道夹断。

(2)设U DS=U DD>0，即将D极和S极外加一个正电压，然后仍在G极和S极之间加上负电源U GS，改变U GS 的大小，观察耗尽层和I D的变化情况。（以N沟道为例，P沟道的U GS与N沟道的相反）当U GS=0时，耗尽层比较窄，导电沟道比较宽，因此沟道的电阻较小，加上正向电压U DS时，漏极和和源极之间将有一个较大的电流I D。但沿着导电沟道各处耗尽层的宽度并不相等，靠近漏极耗尽层处最宽，而靠近源极处最窄。这是由于当I D流过沟道时，沿着沟道的方向产生一个电压降落，因此沟道上各点的电位不同，因而各点与栅极之间的电位差也不相等。沟道上靠近漏极的地方电位最高，U GD=-U DD，则PN结上的反向偏压也最大，因而耗尽层最宽，而沟道靠近源极处电位最低，PN结上的反向偏压也最小，因而耗尽层宽度也最窄。

(a) U GS=0,U DG<|U P|,I D较大

(b) U GS<0,U DG<|U P|,I D较小

(c) U GS<0,U DG=|U P|,I D更小，预夹断

(d) U GS≤ U P,U DG>|U P|,I D≈0,夹断

当使U GS <0，耗尽层宽度增大，导电沟道相应变窄，沟道电阻增大，因而漏极电流I D 将减小。 将|U GS |的值增大，则耗尽层继续展宽，导电沟道相应变窄，因而I D 将随之继续减小，当|U GS |的值增大到U GD = U P 时（U DG +U GS =U DS ），栅极和漏极之间的耗尽层开始碰在一起，这种情况称为预夹断。 2、U DS 对I D 的影响

当U GS 值固定，且|U GS |<|U P |时，在漏源电压U DS 作用下，沟道中有电流I D 流过，由于沟道存在一定的电阻，因此，I D 沿沟道产生的电压降使沟道内各点的电位差不再相等，漏极端最高，源极端最低，其绝对值沿沟道从漏极到源极逐渐减小。

在U DS 较小时，它对I D 的影响从两个角度来分析：一方面U DS 增加时，沟道的电场强度增大，I D 随着增加；另一方面，随着U DS 的增加，沟道的不均匀性增大，即沟道电阻增加，I D 应该下降，但由于U DS 较小时，沟道的不均匀性不明显，在漏极端的沟道仍然放宽，即U DS 对沟道电阻影响不大，故I D 随U DS 的增加而增加。随着U DS 的增加，靠近漏极一端的PN 结上承受的反向电压增大，这里的耗尽层相应变宽，沟道电阻相应增加，I D 随U D 上升的速度趋缓。

当U DS 增加到U DS =U GS -U P ，即U GD =U GS -U DS =U P 时，漏极附近的耗尽层即在漏极处合拢，这种状态称为预夹断，预夹断后，漏极电流I D ≠0，因为此时沟道依然存在，沟道内的电场仍能够使多数载流子作漂移运动，并被电场拉向漏极。若U DS 继续增加，使U DS >U GS -U P ，即U GD

1.4.3 结型场效应管的特性曲线

结型场效应管的特性曲线是指各极间电压与各极电流间的关系曲线。 1、转移特性曲线

当U DS 不变时，漏极电流i D 与栅源电压u GS 的关系称为转移特性，其表达式

理论分析和实测结果表明，i D 与u GS 符合平方律关系，即

式中：I DSS ——饱和电流，表示u GS =0时的i D 值；U P ——夹断电压，表示u GS =U P 时i D 为零。

为了使输入阻抗大(不允许出现栅流i G )，也为了使栅源电压对沟道宽度及漏极电流有效地进行控制，PN 结一定要反偏，所以在N(P)沟道JFET 中，u GS 必须为负(正)值。 2、输出特性曲线

当U GS 不变时，漏极电流i D 与漏源电压u DS 的关系称为转移特性，其表达式

根据特性曲线的各部分特征，我们将其分为四个区域：

（1）恒流区

当U GSoff |U GSoff | 时，沟道在漏极附近被局部夹断(称为预夹断)，此后，u DS 再增大，电压主要降到局部夹断区，而对整个沟道的导电能力影响不大。所以u DS 的变化对i D 影响很小。

C u GS

D DS u f i ==)(2

)1(P

GS DSS D U u I i -

=C

u DS D GS u f i ==)(