场效应管 | 咸鱼的自我提升

基本原理

分类：

结型场效应管(Junction FET)——N 沟道和 P 沟道

金属氧化物场效应管(MetalOxide- Semiconductor Field Effect Transistor-MOSFET)。——增强型(enhancement mode)和耗尽型(depletion mode）
管脚定义：

门极 G(Gate)——对应于双极型管的基极 b，

漏极D(Drain)——对应于双极型管的集电极 c

源极 S(Source)——对应于双极型管的发射极 e。FET 的源极 S 和衬底连在一起

需要注意的是，场效应管中，源极和漏极是对称的，可以互换。但是在 MOSFET 中，由于衬底和源极在内部已经连同，甚至很多 MOSFET 内部还在 D、S 之间并联了一个二极管，因此 D 和 S 不能互换

正常工作时，所有场效应管的门极，都没有电流。因此，其漏极电流一定等于源极电流。场效应管的核心原理是，GS 两端的电压，控制漏极电流，因此也被称为“压控型”器件。这有别于 BJT（双极型晶体管）的 iB控制 iC，即流控型器件。

JEFT

概率引入

不研究JFET 的输入电压 $U_{GS}$ 与输入电流 $i_G$ 的关系，因为结型场效应管门极具有极高的输入阻抗， $i_G$ 近似为 0。

转移特性曲线：（输入电压 $U_{GS}$ 与输出电流 $i_D$ 的关系）
输出特性曲线：（输出电压 $U_{DS}$ 与输出电流 $i_D$ 的关系）

图1： N 沟道 JFET 的伏安特性，左图为转移特性，右图为输出特性，共用纵轴

图像分析

工作原理（结型场效应管）

图2：结型场效应管结构和符号

很明显，在如图2所示的N沟道管中， $u_{gs}$ 加正向电压时，PN结导通（非使用区间，没有什么意义）；外加反向电压时, PN结截止，会使得空间电荷区变宽，如图3所示。

图3：结型场效应管外加反向电压

随着 $|U_{GS}|$ 增大，耗尽层变宽，沟道变窄，当其增大到一定范围时，沟道完全消失。

当 $U_{DS}$ 通电，存在公式：

$U_{gd}=U_{gs}-U_{ds}$

显然， $U_{gd}$ 是负电压，并且随着 $U_{DS}$ 增大， $|U_{gd}|$ 会增大，相对应的空间电荷区(PN结)就会变宽，过程如图4所示。

图4：$$U_{DS}$$增大

特性分析
- 夹断电压 $U_{GSOFF}$
  
  图1,中可以看出 UGSOFF=-3V。当 N-JFET 的uGS 小于 UGSOFF 时，无论 UDS 多大，电流 i*D 均为 0，似乎晶体管被夹断一样。
- 零偏漏极电流 $I_{DSS}}$
  
  在转移特性曲线中（图一，左图），当 uGS 等于0 时的漏极电流称为零偏漏极电流，这也是N-JFET 所能提供的最大电流。从图中可以看出，似乎 uGS 大于 0，iD 还有增长的趋势，是的，没错。但是，此时晶体管的 G、S 之间就不再是高阻的，因此，N-JFET 禁止 uGS大于 0
- 转移特性曲线的数学表达式
  $i_D = I_{DSS}(1-\frac{U_{GS}}{U_{GSOFF}})^2=\frac{I_{DSS}}{U_{GSOFF}^2}(U_{GS}-U_{GSOFF})^2=K((U_{GS}-U_{GSOFF})^2)$
  其中 K 影响转移特性曲线的增长速率，单位为 A/V2
- 输入伏安特性曲线特征
  
  当 uDS 超过某个电压，我们称之为 UDS_dv 时，电流 iD 几乎不再增加，看起来 D、S 之间像个恒流源一样。将每一根输出伏安特性曲线的 UDS_dv连接起来，就是图 Section25-1 右图中的红色线，这是一个分界线，它的左侧区域被称为可变电阻区——类似于双极型晶体管的饱和区，而右侧为恒流区——类似于双极型管的放大区。
  
  这个公式的理解难点在于，对电压方向的梳理。在N沟道结型场效应管中。
  
  $U_{GS}$ 的方向是：S到G，也就是本身是负电（0到 $U_{GSOFF}$ 之间）
  
  $U_{GSOFF}$ 大概是-3V左右
  
  $U_{DS\_dv}$ ：根据上述公式算，肯定是个正值。
  
  再结合图像看看（图1），也明显是， $U_{GS}$ 越大（负值——越接近0）， $U_{DS\_dv}$ 越大（x-（-3）=x+3 ,肯定是越接近0越大嘛，前提是x小于0）
  
  为什么左边是可变电阻区（当然，记另外一边为恒流区，显然更容易记忆，毕竟电流没变嘛，很直观）？
  - 首先右边(图1)可以看到，类似于晶体管的放大区，非常平缓，此时增加的 $U_{DS}$ ，用于抵消PN夹断合所增加的电阻值（此时为非线性特性）
  - 而左边，可以看到，几乎是线性曲线，并且随着 $U_{GS}$ 而变化。
  如果我们希望这个晶体管起到一个可变电阻的目的，比如用它代替双极型晶体管放大电路中的 RC，就可以用一个电压 UGS控制它的电阻，实现程控增益的目的。

工作状态分析

S和D区分

对 N 沟道 JFET，外部电源产生的电流方向，是由 D 流向 S 的（高电压加在D上，PN结N端）。

对 P 沟道 JFET，外部电源产生的电流方向，是由 S 流向 D 的（高电压加在S上，PN结N端）。

状态判断

例题：

2N3369 是 N 沟道 JFET，其关键参数为：UGSOFF=-2.0712V，IDSS=1.6mA，判断 JFET 的工作状态，估算电流。

MOSFET

概率引入

MOSFET 中包含耗尽型和增强型两类。

(耗尽型)唯一的区别在于：它允许 uGS 大于 0，导致转移特性曲线包含大于 0 的部分（文章末尾附图），延续了已有公式，输出伏安特性曲线中增加了 uGS大于 0 的曲线。

图5：增强型 MOSFET 的伏安特性曲线

图像分析

工作原理（增强型）:

当gs加正向电压时，就会有电子被吸引到g端，形成沟道。沟道的宽度和ugs相关，因此可以根据这个特性，做成可变电阻

当ds加正向电压时，N的电位会提高，pn结空间载荷区就会变宽，直至夹断沟道

工作原理（耗尽型）:

绝缘层中已经注入了正电荷，所以产生电势，形成了沟壑（这时正负都有意义）

如上图所示的N沟道，当gs之间加反向电压（上图明显已经是反向电压了），会加宽PN结的空间载荷区，导致夹断（结合图6分析）

伏安特性
- 开启电压 $U_{GSTH}$
  
  图1中可以看出 UGSTH=1V。当 MOSFET 的 uGS小于 UGSTH 时，无论 UDS多大，电流 iD均为0（当然，UDS 必须为正值），似乎晶体管被夹断一样，只在 uGS 大于 UGSTH 时，晶体管才可能存在电流，即所谓的开启。一般 MOSFET 的开启电压均在 0.5V~3V 之间
- 转移特性曲线的数学表达式
  $i_D=K(U_{GS}-U_{GSTH})^2$
- 可变电阻区和恒流区的分界线
  $U_{DS\_dv} = U_{GS}-U_{GSTH}$