2.2 结型场效应管

我们已经学习了二极管和双极型晶体管BJT两种半导体器件，BJT工作在放大区时，输入回路PN结正偏，输入阻抗小，是一个电流控制的有源器件。场效应管（FieldEffectTran-sistor，FET）也是一种具有PN结的有源半导体器件，它利用电场效应来控制输出电流的大小，其输入端PN结一般工作于反偏状态或绝缘状态，输入电阻很高（输入阻抗107～1012Ω）。与双极型晶体管相比较，场效应管大致有下列优点：输入电阻高、内部噪声小、耗电小、热稳定性好、抗辐射能力强、制造工艺简单、易于实现集成化、工作频率高等。因此，场效应管在模拟电子电路、数字逻辑电路，特别是在近代超大规模集成电路（VLSI）以及微波毫米波电路中得到极其广泛的应用。

场效应管的种类很多，按结构可分成两大类：结型场效应管（Junction Field Effect Transistor，JFET）和绝缘栅型场效应管（Insulated Gate FET，IGFET）。结型场效应管又分N沟道和P沟道两种。绝缘栅型场效应管主要指金属-氧化物-半导体（Metal Oxide Semiconductor，MOS）场效应管。MOS管又分“耗尽型”和“增强型”两种，而每一种也分N沟道和P沟道。

场效应管与双极型晶体管有很类似的分析和讨论过程。然而，在学习本章时，应该充分注意两者在导电机理、工作特性曲线、参数及其小信号等效电路等方面的差异。

2.2.1 JFET的结构和工作原理

1.JFET的结构

JFET是利用半导体内的电场效应进行工作的，也称为体内场效应器件。JFET的结构示意图如图2-29（a）和图2-30（a）所示。图2-29（a）是在一块N型半导体材料两边扩散高浓度的P型区（用P+表示），形成两个PN结。两边P+型区引出两个欧姆接触电极并连在一起称为栅极G（Gate），在N型材料的两端各引出一个欧姆接触电极，分别称为源极S（Source）和漏极D（Drain）。它们分别相当于BJT的基极B、射极E和集电极C。两个PN结中间的N型区域称为导电沟道。这种结构称为N型沟道JFET。图2-29（b）是它的电路符号，其中箭头的方向表示栅极所对应的PN结正向偏置时，栅极电流的方向是由P指向N，故从符号上就可识别D、S之间是N沟道。还有一种与N型沟道完全对称的结构形式，称为P型沟道JFET，如图2-30所示。对于P沟道结型场效应管，除了直流电源电压的极性和漏极电流的方向与N沟道结型场效应管相反外，两者的工作原理完全相同。所以下面仅以N沟道为例说明结型场效应管的工作原理。

2.JFET的工作原理

N型沟道JFET工作时，在栅极和源极间需加一负电压（uGS＜0），使栅极、沟道间的PN结反偏，栅极电流iG≈0，场效应管呈现高达107Ω以上的输入电阻。在漏极与源极间加一正电压（uDS ＞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运动，形成电流iD。iD的大小受uGS控制。因此，讨论JFET的工作原理就是讨论uGS对iD的控制作用和uDS对iD的影响。

（1）uGS对iD的控制作用

为了讨论方便，先假设uDS=0。当uGS由零向负值方向增大时，在反偏电压uGS作用下，两个PN结的耗尽层（或势垒区）将加宽，使导电沟道变窄，沟道电阻增大，如图2-31（a）和（b）所示（由于N区掺杂浓度远小于P+区，所以耗尽层主要在N区内延伸，图中只画出了N区的耗尽层）。当uGS 进一步增大到某一定值uGS =UGS（of）时（注意：N型沟道JFET的UGS（of）为负值），两侧耗尽层在中间合拢，沟道全部被夹断，如图2-31（c）所示。此时漏源极间的电阻将趋于无穷大，相应的栅源电压称为夹断电压UGS（of）。

上述分析表明，改变uGS的大小，可以有效地控制沟道电阻的大小。若在漏、源极间加上固定的正向电压uDS，由漏极流向源极的电流iD将受uGS的控制。显然，|uGS|增大时，导电沟道变窄，沟道电阻增大，iD减小。当uGS=UGS（off）时，沟道全夹断，iD=0。

（2）uDS对iD的影响导电沟道的影响较小，靠近漏端的沟道区域仍较宽，故iD随uDS几乎成正比地增大，构成如图2-33所示曲线的线性上升部分。

为简明起见，首先从uGS=0开始讨论。

当uDS=0时，iD=0这是容易理解的。但随着uDS逐渐增加，一方面沟道电场强度加大，有利于漏极电流iD增加；另一方面，uDS在漏极到源极的N型半导体区域中，产生一个沿沟道的电位梯度。所以在漏端到源端的不同位置上，栅极与沟道不同位置之间的电位差是不相等的，离源极越远，电位差越大，加到该处PN结的反向电压也越大，耗尽层也越向N型半导体中心扩展，即靠近漏极处的导电沟道比靠近源极处的要窄，导电沟道宽度不均匀，呈楔形，如图2-32（a）所示。所以uDS的增加，将对iD的增加产生一定程度的影响。但在uDS较小时，对

随着uDS继续增加，越靠近漏端反偏电位差越大，耗尽层也越宽，导电沟道宽度也越不均匀，iD随uDS的变化会呈现出非线性特性。当uDS=UGS（of） 时，靠近漏极出现沟道合拢，两耗尽层在A点相遇，如图2-32（b）所示，称为预夹断状态。此时，A点耗尽层两边的电位差可用夹断电压UGS（of）来描述。由于uGS=0，故有uGD=-uDS =UGS（of），相当于在图2-33中uDS =UGS（of） 时，iD达到了饱和漏极电流IDSS。IDSS下标中的第二个S表示栅、源极间短路的意思。

沟道在A点预夹断后，随着uDS继续增大，合拢点A将沿沟道向源极方向移动（延伸），夹断区长度会增加，如图2-32（c）所示。由于夹断区为高阻抗区，外电压uDS的增量 ΔuDS =uDS-UGS（of） 主要降落在夹断区上，夹断区上场强随之增大，仍能将电子拉过夹断区（即耗尽层），形成漏极电流iD（这和NPN型BJT在集电结反偏时仍能把电子拉过耗尽区基本上是相似的）。而未被夹断的沟道上，沟道内电场基本上不随uDS增大而变化，所以，iD基本上不随uDS增加而上升，漏极电流趋于饱和。当uDS增加到uDS＞BUDS时，在强电场的作用下PN结雪崩击穿，iD会迅速增大，uDS-iD的关系曲线如图2-33所示。

一般情况下，uGS≠0，即在JFET栅极与源极之间总是接有电压uGS，由于在相同uDS电压时，uGS值不同，相应的预夹断电压也将不同。通常在预夹断点处UGS（of）与uGS、uDS之间有如下关系

该式称为JFET的预夹断方程。

由于栅源电压uGS越负，耗尽层越宽，导电沟道越窄，沟道电阻就越大，相应的iD就越小，图2-33所示的输出特性曲线将下移，因此，改变uGS可得一族输出特性曲线，如图2-34所示。由于每个管子的UGS（of）为一定值，因此，从式（2-45）可知，预夹断点将随uGS的改变而变化，它在输出特性上的轨迹如图2-34中左边虚线所示。

综上分析，可得下述结论。

① JFET栅极、沟道之间的PN结应反向偏置，因此，其iG≈0，输入电阻很高。

② JFET是电压控制电流器件，iD受uGS控制。

③预夹断前，iD与uDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和，几乎与uDS电压的变化无关。

④场效应管只有一种极性的载流子导电，通常称为单极型晶体管。

P沟道JFET工作时，其电源极性和电流方向都与N沟道JFET的相反，但工作原理相同。

2.2.2 JFET的特性曲线及参数

1.输出特性

JFET的输出特性是指在栅源电压uGS一定的情况下，漏极电流iD与漏源电压uDS之间的关系，其函数关系如下

图2-35所示为N沟道JFET的输出特性曲线。图中JFET的工作状态可分为以下四个区域。

（1）可变电阻区

图2-35中的Ⅰ区即为可变电阻区。在该区内，输出特性曲线的斜率随栅源电压而变化，栅源电压越负，输出特性曲线相对纵坐标轴越倾斜（斜率不同，图中虚线所示），漏源间的等效电阻越大。因此，在Ⅰ区中，FET可看做一个受栅源电压uGS控制的可变电阻。故得名为可变电阻区。

（2）恒流区

图2-35中的Ⅱ区称为恒流区或饱和区，其物理过程如前所述。FET用做放大电路时，一般就工作在这个区域。所以Ⅱ也称为线性放大区。

当uDS＞uGS-UGS（of）后，iD即进入恒流区。但事实上由于随着uDS的增加，有效导电沟道长度减短，iD随uDS的增加稍有增加，与此对应的输出特性曲线略有斜升（见图2-35）。当考虑到沟道长度的调制效应后，MOSFET管在恒流区的大信号特性方程通常可表示为

式中，λ是沟道调制系数，1/λ相当于BJT的Early电压UA，λ的典型值约为（100 V）-1。由式（2-46）可以看出，当不考虑沟道长度的调制效应，即λ=0时，可得

式（2-47）说明，当不考虑沟道长度的调制效应时，在恒流区iD与uDS无关，输出特性曲线为一族水平线，且曲线间距与uGS成平方律关系。

（3）击穿区

图2-35中的Ⅲ区为击穿区。当uDS增至一定的数值，即uDS ＞BUDS后，由于加到沟道中耗尽层的电压太高，电场很强，致使栅、漏间的PN结发生雪崩击穿，iD迅速上升，因此Ⅲ区称为击穿区，进入雪崩击穿后，管子不能正常工作，甚至很快烧毁。所以，FET不允许工作在这个区域。

（4）全夹断区

Ⅳ区为全夹断区，当uGS≤UGS（of）时，沟道完全被夹断，iD=0，也称为截止工作区。

根据以上分析，可将N沟道JFET各工作区的条件总结于表2-1中。

2.转移特性

如前所述，电流控制器件BJT的工作性能，可以通过它的输入特性和输出特性及一些参数来描述。但JFET是电压控制器件，栅极输入端基本上没有电流，故讨论它的输入特性是没有意义的。为了描述JFET栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用，在输出特性的基础上引入转移特性的概念。所谓转移特性是指在漏源电压uDS为常数的情况下，栅源电压uGS对漏极电流iD的控制特性，即

由于输出特性与转移特性都反映的是JFET工作的同一物理过程，所以转移特性可以直接从输出特性曲线上用作图法求出。例如，在图2-35的输出特性曲线中，作一条uDS =10 V的垂直线，此垂直线与各条输出特性曲线的交点分别为A、B和C，将A、B和C各点相应的iD及uGS值画在iD-uGS的直角（笛卡儿）坐标系中，就可得到一条转移特性曲线iD=f（uGS）uDS=10 V，如图2-36所示。

如果uDS取不同的值，可得一族转移特性曲线。但当uDS大于一定的数值后（如uDS＞uGS -UGS（of）），不同uDS的转移特性曲线应该是很接近的，这是因为在饱和区iD几乎不随uDS而变。在放大电路中，FET一般工作在饱和区，这时可近似认为转移特性曲线族重合为一条曲线，这样可使问题的分析得到简化。

实验表明，在饱和区内，iD随uGS的增加（负数值减小）近似按平方律上升，即有

这样，只要给出IDSS和UGS（off）的数值就可以把转移特性中的其他点近似计算出来。

3.主要参数

（1）夹断电压UGS（of）

由式（2-45）和图2-32（b）可知，当uGS=0，uDS= -UGS（of）时对应着预夹断状态，此时uDS即为夹断电压|UGS（of）|。但实际测试时，通常令uDS为某一固定值，使iD等于一个微弱的小电流（例如几十μA）时，栅、源之间所加的电压为夹断电压。从物理意义上来说，这时相当于达到全夹断状态，此时有uGS=UGS（of）。

（2）饱和漏电流IDSS

在uGS=0的情况下，当|uDS＞UGS（of）| 时的漏极电流称为饱和漏电流IDSS。通常令uDS =10 V，uGS =0 V时测出的iD就是IDSS。在转移特性曲线上，就是uGS =0时的漏极电流（见图2-36）。对于JFET来说，IDSS也是管子所能输出的最大电流。

（3）最大漏源电压BUDS

BUDS是指发生雪崩击穿、iD开始急剧上升时的uDS值。由于加到PN结上的反向偏压与uGS有关，因此uGS越负，BUDS随之越小。

（4）最大栅源电压BUGS

BUGS是栅、源间PN结的反向击穿电压，指输入栅、源间PN结反向电流开始急剧增加时的uGS值。

（5）直流输入电阻RGS

在漏、源之间短路的条件下，栅、源之间加一定反偏电压时的栅源直流电阻就是直流输入电阻RGS，RGS一般很大在106 Ω以上。

（6）低频跨导gm

在uDS等于常数时，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压的微变量之比，称为跨导，即

跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，它相当于转移特性曲线工作点上的斜率。跨导gm是表征FET放大能力的一个重要参数，单位为mS或μS。gm一般在十分之几至几mS的范围内，特殊的可达100 mS，甚至更高。值得注意的是，跨导随管子的工作点不同而不同，它是JFET小信号模型的重要参数之一。

如果手头没有FET的特性曲线，可利用式（2-48）和式（2-49）近似估算gm的值，即

式中，gmo=2IDSS/UGS（of）是uGS=0情况下的跨导。实际应用时，式（2-50）中的iD应采用静态工作点电流IDQ，gm相应表示静态工作点附近的跨导。

（7）输出电阻rds

定义

由式（2-46）可得

输出电阻rds说明了uDS对iD的影响，反映沟道长度的调制效应，是输出特性曲线工作点上切线斜率的倒数。在饱和区（即线性放大区），iD随uDS改变很小，因此rds的数值很大，一般在几十千欧到几百千欧之间。

（8）最大耗散功率PDM

JFET的瞬时耗散功率等于uDS和iD的乘积，即pD=uDSiD，这些耗散功率将变为热能，使管子的温度升高。为了限制它的温度不要升得太高，就要限制它的平均耗散功率不能超过最大值PDM。显然，PDM受管子最高工作温度的限制。

上述以N沟道为例对JFET的工作原理做了详细分析。对于P沟道JFET，其工作原理与N沟道JFET完全相同，只是外加电压极性和沟道电流方向与N沟道JFET相反。读者根据图2-30所示的P沟道JFET的结构，不难自己做出分析。现将P沟道JFET的有关结论总结如下：P沟道JFET的uDS为负极性，故沟道内漏极电流iD从S极流向D极。uGS为正极性，故夹断电压UGS（off）＞0。当uGS≥UGS（off）时，沟道全夹断。当uDS=uGS-UGS（off）时，沟道预夹断。当uDS＜uGS-UGS（off）时，沟道部分夹断（恒流区）。uDS＞uGS-UGS（off）时，沟道未夹断（可变电阻区）。两种沟道JFET的预夹断方程相同。比较两种类型的JFET可以发现：当uDS的值使沟道预夹断后，uDS的绝对值继续增大，沟道进入部分夹断状态（恒流区）。这一规律对任何场效应管都成立。图2-37和图2-38给出了P沟道JFET的转移特性曲线和输出特性曲线。

【例2-3】 设N沟道JFET的UGS（of）=-4 V，试分析图2-39中的JFET各工作在哪个区？

解：

对图（a）：因为uDS=10 V为正极性，且UGS（of）=-4 V，uGS=-5 V，使uGS＜UGS（of），所以沟道处于全夹断状态。即图（a）的JFET工作在截止区。

对图（b）：UGS（of）=-4 V，uGS =-3 V，满足uGS ＞UGS（of），所以导电沟道存在。又知uDS =7 V，uGS-UGS（of）=1 V，满足uDS ＞uGS -UGS（of），或uGD=uGS -uDS =-3 V-7 V=-10 V＜UGS（of），所以漏端的沟道已被部分夹断，即图（b）的JFET工作在恒流区（放大区）。

对图（c）：UGS（of）=-4 V，uGS =0 V，满足uGS ＞UGS（of），所以导电沟道存在。又因为uDS =0.5 V，uGS-UGS（of）=4 V，满足uDS ＜uGS -UGS（of），或uGD=uGS -uDS =-0.5 V＞UGS（of），所以漏、源之间存在连续沟道，图（c）的JFET工作在可变电阻区。

2.2.3 JFET的小信号模型

由FET的输出特性曲线可知，漏极电流iD与栅源电压uGS和漏源电压uDS的函数关系为

如果在工作点Q处对iD进行全微分，得

由式（2-49）和式（2-51）可知，式（2-53）中∂iD∂uDS Q正是FET的交流参数跨导gm，∂iD∂uDSQ则是FET的漏源内阻rds的倒数。在小信号条件下，微分diD、duGS和duDS可以分别用交流小信号id、ugs和uds来代替。根据式（2-53）和ig=0，便得到JFET的低频小信号电流、电压之间的关系式

由式（2-54）可画出JFET的低频小信号线性电路模型如图2-40所示。从该电路模型的推导过程可知，它适用于工作在中、低频段的JFET，而且该模型与JFET的类型和放大组态无关。特别要指出，模型中的受控电流源gmugs的方向是由D指向S的。

当JFET工作在高频段时，必须考虑极间电容的影响，这时JFET高频电路的模型如图2-41所示。由图可以看出，JFET的三个电极之间都存在着极间电容，它们是栅源电容Cgs、栅漏电容Cgd和漏源电容Cds。其中，电容Cgs和Cgd主要由反偏PN结的势垒电容组成，数值一般为1～5 pF。漏源电容Cds主要由封装电容和引线电容所组成，数值很小，一般为0.1～1 pF。