從控制電路電流的角度來了解結型場效應管

場效應管主要有兩種，結型場效應管和MOS管。其中，結型場效應管有N溝道的（N-JFET）和P溝道的（P-JFET）；MOS管有4個，分別是N溝道的增強型和耗盡型、P溝道的增強型和耗盡型。

在分析場效應管之前，我們先看看我們最熟悉的手電筒電路，手電筒電路中有三個“要素”，分別是電源VCC、燈泡（負載RL）和開關K，開關的兩端分別是D和S，如圖1所示。

圖1 手電筒電路圖

我還是那個思想，要想控制這個回路中的電流，我們在D-S之間加上一個器件（代替開關K），這個器件能使電流從D端流進并從S端流出，同時這個電流又能被一個小的電壓信號控制，那么這個器件就做成了。

我們都知道在家里我們用一個水閥來控制水管中流過的水流多少，根據這個思想我們也可以在D-S之間加一個電子“閥門”，從而實現對圖1回路電流的控制。

首先，我們取一塊N型半導體接到D-S之間，如圖2所示，由于所加的這塊N型半導體的導電性能很強，這種情況就相當于圖1開關合上，這塊N型半導體的加入并沒有起到控制電路電流的作用。好了，下面我們就給它裝上一個“閥門”。

圖2

我們在N型半導體的兩側“裝上”兩塊P型半導體，這樣就形成了兩個PN結（耗盡層），這樣，這個電子“閥門”就裝好了，圖3所示。

我們知道，耗盡層內幾乎沒有導電的載流子，它在一定電壓情況下是幾乎不導電的，還有一個關鍵的是PN結在反向電壓作用下它的寬度可以變寬。我們將兩個P型半導體連接起來構成柵極G，而D和S分別稱為“漏極”和“源極”，圖3是N溝道的結型場效應管的模型（N-JFET）。

圖3

可以看出，在UGS=0情況下，兩個耗盡層之間的導電溝道是最寬的，流過的電流也是最大的，其輸出特性曲線中漏極電流iD最大是在UGS=0情況下，可以看到，N-JFET剛出廠的時候是有導電溝道的，它的元件符號也說明此特性，如圖4所示D-S之間是實線。

圖4 N溝道結型場效應管元件符號

下面的工作就是讓這兩個耗盡層向導電溝道里面長就行了，也就是這個“閥門”開始工作了，實現這個要求則需要我們在G-S之間加上一個反向電壓UGS，很顯然，反向電壓不同則耗盡層的厚度也不同，導電溝道的寬窄不同，流過的電流就不同，所以，回路上流過電流的多少與導電溝道的寬窄有關，也就是與G-S之間的反向電壓大小有關，所以，回路的電流的大小是由G-S之間反向電壓UGS控制的。

這也就好理解其輸出特性曲線上隨著UGS反向越大則iD越小的原因了，見圖5所示。

圖5 N溝道結型場效應管輸出特性曲線

轉移特性曲線也就好理解了，見圖6所示。

圖6 轉移特性曲線

（1）假設VCC=0，逐漸加大UGS反向電壓，兩個PN結（耗盡層）的厚度變厚（“閥門”開始動作），導電溝道變窄，當UGS等于Uoff時（圖5和圖6的Uoff=-4V）,兩個耗盡層合攏，導電溝道被夾斷（相當于閥門關斷，圖1開關打開），如圖7所示。這時，如果你在D-S之間加一個電壓，則D-S之間不會有電流（除非你在D-S之間加很大電壓超出其承受限度，D-S之間被擊穿）。

圖7

（2）在UGS=0情況下，兩個耗盡層之間的導電溝道是最寬的，逐漸加大D-S之間電壓UDS,由于導電溝道從上到下任意一點對S極的電位不同，也就是對P型半導體的反壓不同，這樣形成的耗盡層在溝道中的寬度就不同，當UDS=-Uoff時導電溝道在一點被夾斷，如圖8所示。

圖8

（3）當UGS和UDS都不等于零時，由于UGS的反壓作用導電溝道變窄，流過溝道的電流變小，UDS也不用到4V導電溝道就能被夾斷，夾斷后盡管UDS再增大，但是，D-S之間的電流不再增大，如圖9所示。

圖 9

可以看到，Uoff<UGS<0時，D-S電流與UGS之間成比例關系（用來實現信號的線性放大），所以說，場效應管電路作為信號線性放大電路時所設的工作點UGS其實可以看做是設置了一個寬度適當的導電溝道，對于N-JFET來說，這時的UGS一定滿足Uoff<UGS<0。而當UGS=0時導電溝道導電，相當圖1開關合上，當UGS反向電壓超過Uoff時，導電溝道被整個夾斷，相當于圖1開關打開，這種極端情況可以把場效應管看成是可控開關。

P溝道的JFET與上述原理類同，不同的是UGS。

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