结型场效应管工作原理

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。