２．２ＦＥＴ的工作原理

２．２．１ＪＦＥＴ與ＭＯＳＦＥＴ

雙極晶體管只有ＮＰＮ和ＰＮＰ兩種類型，ＦＥＴ的分類則稍微復(fù)雜。

如圖２．６所示，ＦＥＴ按照結(jié)構(gòu)可以分為結(jié)型ＦＥＴ（ＪＦＥＴ：ＪｕｎｃｔｉｏｎＦＥＴ）和絕緣柵ＦＥＴ（ＭＯＳＦＥＴ：ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦＥＴ）。

按照電學(xué)特性，ＭＯＳＦＥＴ又可以分為耗盡型（ｄｅｌｅｔｉｏｎ）與增強(qiáng)型（ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ）兩類。它們又可以進(jìn)一步分為Ｎ溝型（與雙極晶體管的ＮＰＮ型相當(dāng)）和Ｐ溝型（與雙極晶體管的ＰＮＰ型相當(dāng)）。

從實(shí)際ＦＥＴ的型號(hào)中完全看不出ＪＦＥＴ與ＭＯＳＦＥＴ、耗盡型與增強(qiáng)型的區(qū)別。僅僅是Ｎ溝器件為２ＳＫ×××（也有雙柵的３ＳＫ×××），Ｐ溝器件為２ＳＪ×××，以區(qū)別Ｎ溝和Ｐ溝器件。 

圖２．６ＦＥＴ的種類
（ＦＥＴ分為ＪＦＥＴ和ＭＯＳＦＥＴ。ＭＯＳＦＥＴ按照電學(xué)特性又分為耗盡型和增強(qiáng)型，它們各自又有Ｎ溝型和Ｐ溝型）

２．２．２ＦＥＴ的結(jié)構(gòu)

圖２．７是ＦＥＴ簡(jiǎn)單的的結(jié)構(gòu)示意圖（Ｐ溝ＦＥＴ是Ｐ型半導(dǎo)體部分與Ｎ型半導(dǎo)體部分互換）。

圖２．７ＦＥＴ的結(jié)構(gòu)
（ＪＦＥＴ工作時(shí)柵極與溝道間的二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，所以幾乎沒有電流流過柵極。ＭＯＳＦＥＴ的柵極與溝道間有絕緣膜，電流的流動(dòng)更困難） 

如圖２．８所示，雙極晶體管的基極發(fā)射極間以及基極集電極間分別是兩個(gè)ＰＮ結(jié)，就是說存在著二極管。ＪＦＥＴ的柵極與溝道（把輸出電路流過漏極源極間的部分稱為溝道）間有ＰＮ結(jié)，所以認(rèn)為存在著二極管（由于有ＰＮ結(jié)，所以稱為結(jié)型ＦＥＴ）。

圖２．８晶體管的ＰＮ結(jié)
（晶體管有兩個(gè)ＰＮ結(jié)。可以把ＰＮ結(jié)看作是二極管，晶體管可以認(rèn)為是基極發(fā)射極間以及基極集電極間各有一個(gè)二極管） 

雙極晶體管的基極發(fā)射極間的二極管總是工作在導(dǎo)通狀態(tài)，而ＪＦＥＴ的柵極溝道間的二極管工作在截止?fàn)顟B(tài)。

因此ＦＥＴ的柵極溝道間流過的電流很小，只相當(dāng)于二極管的反向漏電流，所以器件本身的輸入阻抗比雙極晶體管高得多（約１０８～１０１２Ω）。

ＭＯＳＦＥＴ的柵極是由金屬構(gòu)成的，它與半導(dǎo)體溝道之間有一層絕緣膜，形成三層結(jié)構(gòu)。所謂ＭＯＳ，就是因?yàn)閷?shí)際的結(jié)構(gòu)是由金屬（Ｍ）、絕緣膜（如氧化膜，Ｏ）和半導(dǎo)體（Ｓ）組成。

ＭＯＳＦＥＴ的特點(diǎn)是柵極與溝道間有絕緣膜，柵極與溝道是絕緣的，所以流過柵極的電流比ＪＦＥＴ還要小很多。因此，輸入阻抗也比ＪＦＥＴ高得多（約１０１２～１０１４Ω）。

２．２．３ＦＥＴ的電路符號(hào)

圖２．９是各種ＦＥＴ的電路符號(hào)。晶體管電路符號(hào)中的箭頭表示電流流動(dòng)的方向，而ＦＥＴ的箭頭不代表電流的方向，僅僅表示極性（從圖２．７看出它表示ＰＮ結(jié)的極性）。

圖２．９ＦＥＴ的電路符號(hào)
（晶體管的電路符號(hào)中的箭頭表示電流流動(dòng)的方向，而ＦＥＴ的箭頭不表示電流的方向，僅僅表示極性）

ＪＦＥＴ在結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)上都沒有標(biāo)記出漏極與源極的區(qū)別，這就是說它們沒有區(qū)別。

一般來說ＪＦＥＴ的漏極與源極間即使相互調(diào)換也能夠正常工作。圖２．９的電路中使用的ＦＥＴ實(shí)際上就是ＪＦＥＴ。這個(gè)電路中，即使將源極與漏極互換對(duì)于器件的工作以及性能沒有任何影響。

之所以與晶體管不同，是因?yàn)椋剩疲牛缘脑礃O與漏極之間沒有ＰＮ結(jié)，是由同一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體（Ｎ溝器件是Ｎ型，Ｐ溝器件是Ｐ型）制作的。

但是，制造高頻應(yīng)用的ＪＦＥＴ器件時(shí)源極與漏極的形狀有物理性的變化， 兩個(gè)ＦＥＴ串聯(lián)連接（稱為級(jí)聯(lián)）時(shí)，漏極與源極有區(qū)別，如果調(diào)換就無法工作。 

ＭＯＳＦＥＴ的漏極與源極的結(jié)構(gòu)和符號(hào)都有區(qū)別。因此，就不能將漏極與源極調(diào)換工作。

２．２．４ＪＦＥＴ的傳輸特性

ＦＥＴ是通過柵極上所加的電壓控制漏極源極間電流的電壓控制器件。

描述ＦＥＴ性質(zhì)最常用的方法是叫做傳輸特性的曲線，它表示漏極電流Ｄ與柵極源極間電壓ＧＳ的關(guān)系。

圖２．１０是ＪＦＥＴ 的傳輸特性。

圖２．１０ＦＥＴ的傳輸特性
（把Ｄ關(guān)于ＧＳ的曲線稱為傳輸特性，是ＦＥＴ最重要的性質(zhì)。ｍ相當(dāng)于晶體管的ＦＥ）

當(dāng)柵極源極間電壓ＧＳ為０Ｖ時(shí)ＪＦＥＴ的漏極電流Ｄ最大。這時(shí)的漏極電流叫做漏極飽和電流ＤＳＳ。

ＪＦＥＴ的ＤＳＳ是漏極源極間所能夠流過的最大電流。除非ＦＥＴ損壞，否則不會(huì)有超過ＤＳＳ的漏極電流。所以，ＪＦＥＴ具有限制電流的作用。

一般的ＦＥＴ中，ＤＳＳ為１ｍＡ至數(shù)十ｍＡ（實(shí)際上可以流過比ＤＳＳ稍大一些的電流）。

我們分析圖２．１０（ａ）所示的Ｎ溝ＪＦＥＴ的曲線。ＧＳ從０Ｖ向負(fù)方向增大時(shí)Ｄ減小，最終變?yōu)榱悖�這時(shí)的ＧＳ叫做夾斷電壓。當(dāng)ＧＳ在負(fù)方向比更大時(shí)，Ｎ溝ＪＦＥＴ處于截止?fàn)顟B(tài)。

把ＧＳ在負(fù)電壓范圍時(shí)Ｄ的流動(dòng)稱為耗盡特性。

Ｐ溝ＪＦＥＴ的Ｄ、ＧＳ、ＤＳＳ、的極性與Ｎ溝情況相反。

２．２．５放大倍數(shù)是跨導(dǎo)ｍ

雙極晶體管是以流過的基極電流Ｂ控制集電極電流Ｃ，所以Ｂ與Ｃ之比———

直流電流放大系數(shù)ＦＥ就成為器件的重要特性。

對(duì)于ＦＥＴ，如圖２．１０所示，是通過改變柵極源極間電壓ＧＳ控制漏極電流D的，所以ＧＳ與Ｄ之比就成為器件的重要特性。把這個(gè)比值稱為跨導(dǎo)ｍ（也叫做正向傳輸導(dǎo)納ｆｓ），用下式表示：

（２．１）

式中，Δ ＧＳ為ＧＳ的變化量，Δ Ｄ為Ｄ的變化量。

圖２．１０的傳輸特性中曲線的斜率相當(dāng)于ｍ，它的單位是電流與電壓之比，即Ｓ（西［門子］）。

ｍ意味著當(dāng)輸入電壓（ＧＳ）變化時(shí)輸出電流（Ｄ）會(huì)有多大的變化，可以認(rèn)為是器件本身電流對(duì)電壓的增益。在使用ＦＥＴ的放大電路中，ｍ愈大則電路的增益愈大，具有能夠減小輸出阻抗的優(yōu)點(diǎn)。

但是，ｍ大的ＦＥＴ存在著輸入電容大因而高頻特性差，流過柵極的漏電流大（輸入阻抗低）等缺點(diǎn)。

２．２．６實(shí)際器件的跨導(dǎo)

圖２．１１是圖２．１電路中使用的Ｎ溝ＪＦＥＴ２ＳＫ１８４（東芝）的傳輸特性。圖中的多根曲線說明器件特性存在分散性。

圖２．１１２ＳＫ１８４的傳輸特性（即使同一型號(hào)的ＦＥＴ，ＤＳＳ的分散性也會(huì)很大。因此，Ｄ為１ｍＡ?xí)r的ＧＳ會(huì)在－０．７～－０．１Ｖ范圍變動(dòng)。但是不論什么樣的雙極晶體管，它們的ＢＥ都在０．６～０．７Ｖ之間）

實(shí)際的ＦＥＴ的漏極飽和電流ＤＳＳ具有較大的分散性。由于ＤＳＳ的原因，使得Ｄ為零時(shí)的電壓———夾斷電壓也有變化。

雙極晶體管的特性是按直流電流放大系數(shù)值ＦＥ分檔次的。但是對(duì)于ＦＥＴ不是按跨導(dǎo)ｍ而是按ＤＳＳ區(qū)分檔次。

ｍ與ＤＳＳ之間有關(guān)系，ＤＳＳ愈大，ｍ也愈大（如果是同型號(hào)的ＦＥＴ，ＤＳＳ愈大，傳輸特性曲線的斜率愈大，因而ｍ也大）。

表２．１是２ＳＫ１８４的ＤＳＳ各檔次。東芝器件的ＤＳＳ、ＦＥ的檔次是用Ｙ（黃）、Ｒ（紅）等顏色標(biāo)記的。有的公司是用羅馬字母標(biāo)記的。

表２．１　２ＳＫ１８４的ＤＳＳ分檔（ＪＦＥＴ的ＤＳＳ的分散性大，因此按照ＤＳＳ的值進(jìn)行分檔）

　　
圖２．１的電路中，Ｄ約為１ｍＡ，由圖２．１１看出，由于電路中使用的ＦＥＴ的ＤＳＳ值存在分散性，ＧＳ在－０．７～－０．１Ｖ的范圍內(nèi)變動(dòng)。

照片２．８是圖２．１電路中使用的２ＳＫ１８４的柵極電位與源極電位Ｓ的波形（設(shè)定輸入信號(hào)ｉ為１ｋＨｚ，０．５Ｖ）。

照片２．８２ＳＫ１８４的與ｓ的波形
（０．５Ｖ／ｄｉｖ，２００ｓ／ｄｉｖ）（使用２ＳＫ１８４的圖２．１的電路中，ＧＳ———與ｓ的直流成分之差為－０．４Ｖ）

由于ＧＳ是與ｓ的直流成分之差，從照片看出這里使用的２ＳＫ１８４的ＧＳ為－０．４Ｖ（以源極電位為基準(zhǔn)，所以是負(fù)值）。因此，從圖２．１１中Ｄ為１ｍＡ的線與ＧＳ＝－０．４Ｖ的線的交叉點(diǎn)可以看出這里使用的２ＳＫ１８４的ＤＳＳ約為６．５ｍＡ。

實(shí)際上設(shè)計(jì)電路時(shí)的情況與此相反，從所使用ＦＥＴ的ＤＳＳ檔次找到ＤＳＳ，從傳輸特特性曲線確定電路工作點(diǎn)的ＧＳ值 。

２．２．７ＭＯＳＦＥＴ的傳輸特性

圖２．１２是ＭＯＳＦＥＴ的傳輸特性。ＭＯＳＦＥＴ器件中除有與ＪＦＥＴ相同的耗盡特性外，還有增強(qiáng)特性。

對(duì)于Ｎ溝ＭＯＳＦＥＴ，增強(qiáng)特性是指當(dāng)ＧＳ不在正的電壓范圍時(shí)就沒有Ｄ流過（Ｐ溝時(shí)ＧＳ的極性相反）。

ＭＯＳＦＥＴ的耗盡特性與ＪＦＥＴ的耗盡特性稍有不同，對(duì)于Ｎ溝器件即使ＧＳ為正，Ｄ仍持續(xù)流動(dòng)（Ｐ溝情況下即使ＧＳ為負(fù)，Ｄ仍持續(xù)流動(dòng)）。耗盡型ＭＯＳＦＥＴ的ＤＳＳ不是漏極源極間所流過的最大電流，只是ＧＳ＝０Ｖ時(shí)的漏極電流Ｄ值。

圖２．１２ＭＯＳＦＥＴ的傳輸特性
（ＭＯＳＦＥＴ有耗盡型和增強(qiáng)型兩種特性。耗盡型與ＪＦＥＴ不同，即使越過ＧＳ＝０Ｖ，Ｄ仍繼續(xù)流動(dòng)） 

耗盡型ＭＯＳＦＥＴ由于ＧＳ＝０Ｖ時(shí)仍有Ｄ流過（所謂ＮｏｒｍａｌｌＯＮ器件），所以很難應(yīng)用在開關(guān)電路或者功率放大電路中。但是，它的優(yōu)點(diǎn)是在高頻放大電路中容易構(gòu)成偏置電路 ，所以高頻放大用的ＭＯＳＦＥＴ幾乎都是耗盡型的。

對(duì)于ＧＳ＝０Ｖ時(shí)Ｄ為零的增強(qiáng)型ＭＯＳＦＥＴ（所謂ＮｏｒｍａｌｌＯＦＦ器件），如果把ＢＥ當(dāng)成ＧＳ，就可以采用與晶體管相同的偏置方法，所以可以與晶體管相互置換使用。

目前，應(yīng)用于開關(guān)、調(diào)節(jié)器的開關(guān)器件或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等功率放大電路的ＭＯＳＦＥＴ（所謂的功率ＭＯＳ）幾乎都是增強(qiáng)型器件。ＪＦＥＴ能限制ＤＳＳ以上的漏極電流，具有電流限制作用。但是ＭＯＳＦＥＴ，不論是耗盡型還是增強(qiáng)型，ＧＳ愈大漏極電流愈大，所以沒有電流限制作用。

２．２．８ＭＯＳＦＥＴ的跨導(dǎo)

ＭＯＳＦＥＴ的跨導(dǎo)ｍ與ＪＦＥＴ相同，是傳輸函數(shù)曲線的斜率，即ΔＧＳ與Δ Ｄ之比。圖２．１３是高頻放大用Ｎ溝ＭＯＳＦＥＴ２ＳＫ２４１（東芝）的傳輸特性。這個(gè)ＦＥＴ是耗盡型器件，ＧＳ在負(fù)電壓區(qū)時(shí)有電流流出，即使ＧＳ越過０Ｖ，Ｄ仍然相應(yīng)地繼續(xù)增加。多根曲線表明ＤＳＳ的分散性。 

圖２．１３２ＳＫ２４１的傳輸特性
（２ＳＫ２４１是用于高頻放大的Ｎ溝ＭＯＳＦＥＴ。傳輸特性是耗盡型，Ｄ從ＧＳ負(fù)的區(qū)域流出） 

圖２．１４是開關(guān)用Ｎ溝ＭＯＳＦＥＴ２ＳＫ６１２（ＮＥＣ）的傳輸特性。這種ＦＥＴ是增強(qiáng)型器件，可以看出如果ＧＳ不是在正電壓區(qū)，就沒有Ｄ流出。

圖 ２．１４２ＳＫ６１２的傳輸特性
（２ＳＫ６１２是用于開關(guān)的Ｎ溝ＭＯＳＦＥＴ。傳輸特性是增強(qiáng)型，當(dāng)ＧＳ不在正的區(qū)域時(shí)沒有Ｄ流出）

這里我們稍微分析一下用這兩種ＭＯＳＦＥＴ器件２ＳＫ２４１和２ＳＫ６１２替代圖２．１電路中的ＪＦＥＴ時(shí)電路的工作情況。

照片２．９和照片２．１０是這時(shí)的柵極電位和源極電位ｓ的波形（輸入電壓ｉ與照片２．８中相同，即１ｋＨｚ，０．５Ｖ）。

對(duì)于２ＳＫ２４１，如照片２．９所示ＧＳ為－０．５Ｖ。這與２ＳＫ１８４的ＧＳ值基本相同。如從圖２．１３所看到的那樣，當(dāng)漏極電流Ｄ為１ｍＡ?xí)r，ＧＳ還處于負(fù)的區(qū)域，不是正值。

照片２．９使用２ＳＫ２４１時(shí)的與ｓ的波形（０．５Ｖ／ｄｉｖ，２００ｓ／ｄｉｖ）
（圖２．１電路中使用２ＳＫ２４１時(shí)，ＧＳ＝－０．５Ｖ） 

照片２．１０使用２ＳＫ６１２時(shí)的與ｓ的波形（０．５Ｖ／ｄｉｖ，２００ｓ／ｄｉｖ）
（圖２．１電路中使用２ＳＫ６１２時(shí)，ＧＳ＝＋１．３Ｖ） 

２ＳＫ６１２的情況如照片２．１０所示，ＧＳ為＋１．３Ｖ。因?yàn)椋玻樱耍叮保彩窃鰪?qiáng)型器件，所以如從圖２．１４所看到的那樣，ＧＳ是正值。

這樣，即使同一電路中使用結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性完全不同的ＦＥＴ，都能夠很方便地使其正常工作。

但是，對(duì)于２ＳＫ２４１和２ＳＫ６１２來說，由于是替換２ＳＫ１８４，它們的工作點(diǎn)與２ＳＫ１８４的工作點(diǎn)（Ｄ＝１ｍＡ）稍有不同，這時(shí)因ＦＥＴ的型號(hào)而會(huì)導(dǎo)致的ＧＳ不同。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)所使用ＦＥＴ的傳輸特性求出ＧＳ確定工作點(diǎn)就可以了。

后面的電路設(shè)計(jì)一章將對(duì)此作詳細(xì)說明。