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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 对于耗尽型的JFET,在平衡时(不加电压)时,沟道电阻最小;电压Vds和Vgs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Vds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Vds的增大而线性上升,但漏极电流随着栅极电压Vgs的增大而平方式增大;进一步增大Vds时,沟道即首先在漏极一端被夹断,则漏极电流达到最大而饱和(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gm=δIds/δVgsS](Vds=常数)来表示,要求跨导越大越好。 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(vGS<0),使栅-源极间的P+N结反偏,栅极电流iG≈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(vDS>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iD。iD的大小主要受栅-源电压vGS控制,同时也受漏-源电压vDS的影响。因此,讨论场效应管的工作原理就是讨论栅-源电压vGS对漏极电流iD(或沟道电阻)的控制作用,以及漏-源电压vDS对漏极电流iD的影响。
vGS对iD的控制作用
图2所示电路说明了vGS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vDS=0。当栅-源电压vGS=0时,沟道较宽,其电阻较小,如图2(a)所示。当vGS<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|vGS|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|vGS|进一步增大到一定值|VP|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vDS,漏极电流iD也将为零。这时的栅-源电压称为夹断电压,用VP表示。
>结型场效应晶体管的特点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。
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