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結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管概述

  •   結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)是通過(guò)外加?xùn)艠O電壓來(lái)改變柵極空間電荷區(qū)的寬度,從而控制溝道導(dǎo)電能力的一種場(chǎng)效應(yīng)器件。源極和漏極之間的導(dǎo)電溝道是導(dǎo)電率相當(dāng)?shù)偷陌雽?dǎo)體材料。柵極與下面的導(dǎo)電半導(dǎo)體之間存在整流結(jié)。JFET的柵極一般都加反向偏壓,且柵結(jié)的耗盡層主要向溝道區(qū)擴(kuò)展。改變柵結(jié)電壓可以控制柵結(jié)耗盡區(qū)寬度,以改變導(dǎo)電溝道寬度,從而控制輸出漏電流,在某一高反偏壓下,溝道最終可被夾斷。這類晶體管平常處于導(dǎo)通狀態(tài),在高反偏壓下又可夾斷。JFET已廣泛使用于小信號(hào)放大器、電流限制器、電壓控制電阻器、開(kāi)關(guān)電路和集成電路中。如果柵結(jié)為肖特基勢(shì)壘結(jié),這就制成肖特基勢(shì)壘場(chǎng)效應(yīng)管(MESFET)。這種場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)高、工作頻率高,是微波領(lǐng)域里的熱門器件。由于GaAs中電子遷移率比硅中大5倍,峰值漂移速度大1倍,所以GaAsMESFET發(fā)展迅速。

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作特性

  •   對(duì)于耗盡型的JFET,在平衡時(shí)(不加電壓)時(shí),溝道電阻最??;電壓Vds和Vgs都可改變柵p-n結(jié)勢(shì)壘的寬度,并因此改變溝道的長(zhǎng)度和厚度(柵極電壓使溝道厚度均勻變化,源漏電壓使溝道厚度不均勻變化),使溝道電阻變化,從而導(dǎo)致Ids變化,以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的放大。

      當(dāng)Vds較低時(shí),JFET的溝道呈現(xiàn)為電阻特性,是所謂電阻工作區(qū),這時(shí)漏極電流基本上隨著電壓Vds的增大而線性上升,但漏極電流隨著柵極電壓Vgs的增大而平方式增大;進(jìn)一步增大Vds時(shí),溝道即首先在漏極一端被夾斷,則漏極電流達(dá)到最大而飽和(飽和電流搜大小決定于沒(méi)有被夾斷的溝道的電阻),這就是JFET的飽和放大區(qū),這時(shí)JFET呈現(xiàn)為一個(gè)恒流源。

    ?  JFET的放大作用可用所謂跨導(dǎo)gm = δIds / δVgsS ](Vds =常數(shù)) 來(lái)表示,要求跨導(dǎo)越大越好。

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作原理

  •   N溝道和P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理完全相同,現(xiàn)以N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例,分析其工作原理。

    圖1

      N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí),也需要外加如圖1所示的偏置電壓,即在柵-源極間加一負(fù)電壓(vGS<0),使柵-源極間的P+N結(jié)反偏,柵極電流iG≈0,場(chǎng)效應(yīng)管呈現(xiàn)很高的輸入電阻(高達(dá)108W左右)。在漏-源極間加一正電壓(vDS>0),使N溝道中的多數(shù)載流子電子在電場(chǎng)作用下由源極向漏極作漂移運(yùn)動(dòng),形成漏極電流iD。iD的大小主要受柵-源電壓vGS控制,同時(shí)也受漏-源電壓vDS的影響。因此,討論場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理就是討論柵-源電壓vGS對(duì)漏極電流iD(或溝道電阻)的控制作用,以及漏-源電壓vDS對(duì)漏極電流iD的影響。

      vGS對(duì)iD的控制作用

    圖2

      圖2所示電路說(shuō)明了vGS對(duì)溝道電阻的控制作用。為便于討論,先假設(shè)漏-源極間所加的電壓vDS=0。當(dāng)柵-源電壓vGS=0時(shí),溝道較寬,其電阻較小,如圖2(a)所示。當(dāng)vGSGS| 的增加,耗盡層將主要向N溝道中擴(kuò)展,使溝道變窄,溝道電阻增大,如圖2(b)所示。當(dāng)|vGS| 進(jìn)一步增大到一定值|VP| 時(shí),兩側(cè)的耗盡層將在溝道中央合攏,溝道全部被夾斷,如圖2(c)所示。由于耗盡層中沒(méi)有載流子,因此這時(shí)漏-源極間的電阻將趨于無(wú)窮大,即使加上一定的電壓vDS,漏極電流iD也將為零。這時(shí)的柵-源電壓稱為夾斷電壓,用VP表示。

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特點(diǎn)

  •  ?、偈请妷嚎刂破骷?,則不需要大的信號(hào)功率。

     ?、谑嵌鄶?shù)載流子導(dǎo)電的器件,是所謂單極晶體管,則無(wú)少子存儲(chǔ)與擴(kuò)散問(wèn)題,速度高,噪音系數(shù)低;而且漏極電流Ids的溫度關(guān)系決定于載流子遷移率的溫度關(guān)系,則電流具有負(fù)的溫度系數(shù),器件具有自我保護(hù)的功能。

     ?、圯斎攵耸欠雌膒-n結(jié), 則輸入阻抗大, 便于匹配。

      ④輸出阻抗也很大, 呈現(xiàn)為恒流源,這與BJT大致相同。

     ?、軯FET一般是耗盡型的,但若采用高阻襯底, 也可得到增強(qiáng)型JFET(增強(qiáng)型JFET在高速、低功耗電路中很有應(yīng)用價(jià)值);但是一般只有短溝道的JFET才是能很好工作的增強(qiáng)型器件。實(shí)際上,靜電感應(yīng)晶體管也就是一種短溝道的JFET。

      ⑥溝道是處在半導(dǎo)體內(nèi)部,則溝道中的載流子不受半導(dǎo)體表面的影響,因此遷移率較高、噪聲較低。

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