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场效应管的工作原理(结型场效应管工作原理)

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名称

场效应管(FET)全称是Field Effect Transistor。

结型场效应管(JFET)全称是Junction Field Effect Transistor,结型是PN结的意思。

JFET结构

JFET分为N沟道和P沟道两种,下面以N沟道为例说明JFET的整体结构。

N沟道JFET结构如下图所示:

N沟道JFET结构

整个场效应管是一个圆柱体,主体为N型半导体(正常浓度掺杂),在主体中间环切一部分后填充P型半导体(10-1000倍高浓度掺杂),就构成了N沟道JFET(示意图为圆柱体的剖面图)。

P型半导体引出一根导线为栅极(相当于三极管的基极)。N型半导体两端各引出一根导线,分别是漏极(相当于三极管的集电极)和源极(相当于三极管的发射极)。

P沟道JFET与N沟道结构类似,P沟道主体为P型半导体,填充部分为N型半导体。

电路符号

JFET电路符号如下:

JFET符号

箭头方向始终为P指向N,所以箭头向内指为N沟道,向外指为P沟道。

耗尽层

在P型半导体和N型半导体交界处会形成PN结(耗尽层),耗尽层中无自由移动电子和空穴,所以电流无法通过该区域。引脚不加电压时,耗尽层不会宽到完全阻断N型半导体的上下部分。当G极电压为0V,D极与S极之间加上一个电压时,JFET相当于一个电阻,电流可以从里面流过。当外部电压增大时,电流跟着增大。外部电压减小时,电流也跟着减小,伏安特性与电阻相同。

DS加电源

那么问题来了,如果电压持续增加,电流会一直增大吗?

N型半导体导电性能不如导体,可以将它看做一个由很多小电阻串联而成的大电阻,所以JEFET内部在不同的高度会产生不会的压降。

内部压降

PN结的特性是正向偏置时耗尽层消失,反向偏置时耗尽层增大,耗尽层的宽度跟反向偏置电压成正比。所以当G极悬空,D极、S极加上电源时,PN结处于反偏状态,内部耗尽层分布如下:

DS加电源时耗尽层分布

电压越大的位置耗尽层越厚,N型半导体中间的可导电区域越窄。按正常的理解,导电区域越窄,电流不是应该越小吗,为什么电流会随着电压的增大而增大?可以将它想像为一根水管,我们捏住水管和放开水管时,哪个水流量更大?水流量应该是一样大的。放开时水管粗,水流慢。捏住时水管细,水流急,单位时间内的出水量相同。

预夹断

继续增加DS电压,当耗尽层增长到一定程度,两边的耗尽层连接到一起时,此时的状态称为预夹断。预夹断时DS的电压称为夹断电压Vp(pinch)。此时的电流称为Idss(saturation),意思是流过DS之间的饱和电流。

进入预夹断状态之后,继续增加DS电压,耗尽层关闭的区域越来越大,电流的阻力也越来越大。所以增加电压带来的额外能量,全部用于克服耗尽层增加带来的阻力,结果就是电压增大,电流保持不变。

如果无上限的持续增加DS电压,是否可以导致JFET被完全夹断?理论上是这样的,但实际可能还没完全夹断,器件已经被击穿了。

预夹断时耗尽层分布.jpg

Vgs=0时的伏安特性

Vgs等于0伏时的伏安特性曲线

  • Vds电压小于Vp时,电流随着电压增大而增大
  • Vds电压达到Vp时,电流恒定不变,不再随着电压增大而增大
  • Vds电压过大时,器件被击穿
Vgs对耗尽层的影响

现在把Vds电压置为0V,来看Vgs的电压如何影响JFET。Vgs电源必须要反着接,使内部PN结反偏才能正常工作。

当GS加上反向偏置电压时,内部耗尽层均匀向外扩散,因为JFET内部所有位置压降相同。

GS加电源时耗尽层分布

JFET的电阻会随着Vgs电压的增大而增大。这点与Vds对JFET的影响不同,因为增大Vgs相当于减小了整个水管的内径,增大Vds只是捏住了水管的某一点。

当Vgs达到Vp时,JFET被完全夹断,电阻无限大,电流为0。

伏安特性

伏安特性曲线

  • 夹断电压Vp=7V(水管最大内径为7mm)
  • Vgs=0V时(水管内径为7mm),电流最大,Vds=7V(需要捏7mm)到达预夹断
  • Vgs=1V时(水管内径为6mm),电流变小,Vds=6V(需要捏6mm)到达预夹断
  • Vgs=3V时(水管内径为4mm),电流更小,Vds=4V(需要捏4mm)到达预夹断
  • Vgs=7V时(水管内径为0mm),无电流通过
工作状态
  • 在达到预夹断之前,电阻可通过Vgs线性改变,电阻可调。
  • 在达到预夹断之后,电流恒定不变,最大电流依然由Vgs决定。
  • 完全夹断后,电阻无限大,电流为0。

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回答时间:2022-12-07 20:59:07


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