结型场效应晶体管(JFET)是通过施加栅极电压来改变栅极空间电荷区域的宽度来控制沟道的导电性的场效应器件。源极和漏极之间的导电沟道是相对低导电率的半导体材料。
在栅极和下面的导电半导体之间存在整流结。 JFET的栅极通常是反向偏置的,并且栅极结的耗尽层主要延伸到沟道区中。
改变栅极结电压可以控制栅极结耗尽区宽度以改变传导沟道宽度以控制输出漏电流。在某个高反向偏压下,通道最终会被夹断。
这些晶体管通常处于导通状态,并且可以在高反向偏压下被夹断。 JFET广泛用于小信号放大器,限流器,电压控制电阻器,开关电路和集成电路。
如果栅极结是肖特基势垒结,则这导致肖特基势垒效应晶体管(MESFET)。该FET具有高跨导和高工作频率,并且是微波领域中的流行器件。
由于GaAs中的电子迁移率是硅中的5倍,并且峰值漂移速度加倍,因此GaAs MESFET正在迅速发展。对于耗尽型JFET,沟道电阻在平衡时最小(未施加电压);电压Vds和Vgs都改变了栅极pn结势垒的宽度,从而改变了沟道的长度和厚度(栅极电压)沟道厚度均匀变化,源极 - 漏极电压导致沟道厚度变化不均匀,所以通道电阻改变,从而导致Ids改变以实现输入信号的放大。
当Vds为低时,JFET的沟道呈现出电阻特性,这是所谓的电阻工作区。此时,漏极电流随着电压Vds的增加而线性上升,但漏极电流跟随栅极电压Vgs。
增加和平面模式增加;当Vds进一步增加时,沟道首先在漏极端被钳位,然后漏极电流达到最大值并饱和(饱和电流由未被夹断的沟道电阻决定)),这是饱和放大当JFET表现为恒流源时,JFET的区域。 JFET的放大可以通过所谓的跨导gm =δIds/δVgsS](Vds =常数)来表示,并且所需的跨导越大越好。
N沟道和P沟道结型场效应晶体管的工作原理完全相同。以N沟道结型场效应晶体管为例分析其工作原理。
当N沟道结FET工作时,还需要增加一个偏置电压,如图1所示,即在栅极和源极之间加一个负电压(vGS <0),使栅极 - 源极P + N结反向偏置,栅极电流为iG≈0,FET表现出高输入电阻(高达约108W)。在漏极和源极之间施加正电压(vDS> 0),以使N沟道中的多数载流子电子在电场的作用下从源极漂移到漏极,以形成漏极电流iD。
iD的大小主要由栅极 - 源极电压vGS控制,并且还受漏极 - 源极电压vDS的影响。因此,讨论了场效应晶体管的工作原理,以讨论栅 - 源电压vGS对漏极电流iD(或沟道电阻)的控制效果以及漏 - 源电压vDS对漏极电流iD的影响。
vGS对iD的控制效果图2所示的电路说明了vGS对通道电阻的控制效果。为了便于讨论,首先假设在漏极和源极之间施加的电压是vDS = 0。
当栅极 - 源极电压vGS = 0时,沟道较宽并且其电阻较小,如图2(a)所示。当vGS&amp; lt; 0及其尺寸增加时,两个P + N结耗尽层将在该反向偏压的作用下变宽。
由于N区的掺杂浓度小于P +区,因此| vGS |如图2(b)所示,耗尽层将主要扩展到N沟道,使沟道变窄,并增加沟道电阻。节目。
当| vGS |如图2(c)所示,进一步增加到某个值| VP |,两侧的耗尽层将在通道的中心处闭合,并且通道全部被夹断。由于耗尽层中没有载流子,漏极和源极之间的电阻将趋于无穷大,并且即使施加特定电压vDS,漏极电流iD也将为零。
此时的栅极 - 源极电压称为夹断电压,由VP表示。图1是电压控制装置,其不需要大的信号功率。
图2是多数载流子传导器件,它是所谓的单极晶体管,没有子存储和扩散问题,高速,低噪声;并且漏极电流Ids的温度关系由载流子迁移率的温度关系确定。电流具有负温度系数,并且该装置具有自保护功能。
3输入是反向偏置的p-n结,输入阻抗很大,易于匹配。 4输出阻抗也很大,表现为恒流源,与BJT大致相同。
5JFET通常耗尽,但增强型JFET可以通过高电阻衬底获得(增强型JFET在高速,低功率电路中具有重要价值);但只有短沟道JFET是一种运行良好的增强型器件。实际上,静电感应晶体管也是短沟道JFET。
由于6沟道位于半导体内部,沟道中的载流子不受半导体表面的影响,因此迁移率高且噪声低。
