从控制电路电流的角度来了解结型场效应管

场效应管主要有两种，结型场效应管和MOS管。其中，结型场效应管有N沟道的（N-JFET）和P沟道的（P-JFET）；MOS管有4个，分别是N沟道的增强型和耗尽型、P沟道的增强型和耗尽型。

在分析场效应管之前，我们先看看我们最熟悉的手电筒电路，手电筒电路中有三个“要素”，分别是电源VCC、灯泡（负载RL）和开关K，开关的两端分别是D和S，如图1所示。

图1 手电筒电路图

我还是那个思想，要想控制这个回路中的电流，我们在D-S之间加上一个器件（代替开关K），这个器件能使电流从D端流进并从S端流出，同时这个电流又能被一个小的电压信号控制，那么这个器件就做成了。

我们都知道在家里我们用一个水阀来控制水管中流过的水流多少，根据这个思想我们也可以在D-S之间加一个电子“阀门”，从而实现对图1回路电流的控制。

首先，我们取一块N型半导体接到D-S之间，如图2所示，由于所加的这块N型半导体的导电性能很强，这种情况就相当于图1开关合上，这块N型半导体的加入并没有起到控制电路电流的作用。好了，下面我们就给它装上一个“阀门”。

图2

我们在N型半导体的两侧“装上”两块P型半导体，这样就形成了两个PN结（耗尽层），这样，这个电子“阀门”就装好了，图3所示。

我们知道，耗尽层内几乎没有导电的载流子，它在一定电压情况下是几乎不导电的，还有一个关键的是PN结在反向电压作用下它的宽度可以变宽。我们将两个P型半导体连接起来构成栅极G，而D和S分别称为“漏极”和“源极”，图3是N沟道的结型场效应管的模型（N-JFET）。

图3

可以看出，在UGS=0情况下，两个耗尽层之间的导电沟道是最宽的，流过的电流也是最大的，其输出特性曲线中漏极电流iD最大是在UGS=0情况下，可以看到，N-JFET刚出厂的时候是有导电沟道的，它的元件符号也说明此特性，如图4所示D-S之间是实线。

图4 N沟道结型场效应管元件符号

下面的工作就是让这两个耗尽层向导电沟道里面长就行了，也就是这个“阀门”开始工作了，实现这个要求则需要我们在G-S之间加上一个反向电压UGS，很显然，反向电压不同则耗尽层的厚度也不同，导电沟道的宽窄不同，流过的电流就不同，所以，回路上流过电流的多少与导电沟道的宽窄有关，也就是与G-S之间的反向电压大小有关，所以，回路的电流的大小是由G-S之间反向电压UGS控制的。

这也就好理解其输出特性曲线上随着UGS反向越大则iD越小的原因了，见图5所示。

图5 N沟道结型场效应管输出特性曲线

转移特性曲线也就好理解了，见图6所示。

图6 转移特性曲线

（1）假设VCC=0，逐渐加大UGS反向电压，两个PN结（耗尽层）的厚度变厚（“阀门”开始动作），导电沟道变窄，当UGS等于Uoff时（图5和图6的Uoff=-4V）,两个耗尽层合拢，导电沟道被夹断（相当于阀门关断，图1开关打开），如图7所示。这时，如果你在D-S之间加一个电压，则D-S之间不会有电流（除非你在D-S之间加很大电压超出其承受限度，D-S之间被击穿）。

图7

（2）在UGS=0情况下，两个耗尽层之间的导电沟道是最宽的，逐渐加大D-S之间电压UDS,由于导电沟道从上到下任意一点对S极的电位不同，也就是对P型半导体的反压不同，这样形成的耗尽层在沟道中的宽度就不同，当UDS=-Uoff时导电沟道在一点被夹断，如图8所示。

图8

（3）当UGS和UDS都不等于零时，由于UGS的反压作用导电沟道变窄，流过沟道的电流变小，UDS也不用到4V导电沟道就能被夹断，夹断后尽管UDS再增大，但是，D-S之间的电流不再增大，如图9所示。

图 9

可以看到，Uoff<UGS<0时，D-S电流与UGS之间成比例关系（用来实现信号的线性放大），所以说，场效应管电路作为信号线性放大电路时所设的工作点UGS其实可以看做是设置了一个宽度适当的导电沟道，对于N-JFET来说，这时的UGS一定满足Uoff<UGS<0。而当UGS=0时导电沟道导电，相当图1开关合上，当UGS反向电压超过Uoff时，导电沟道被整个夹断，相当于图1开关打开，这种极端情况可以把场效应管看成是可控开关。

P沟道的JFET与上述原理类同，不同的是UGS。

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