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JFET的工作原理

结型场效应管也被称为PN结型场效应管。即PN Junction FET,简称JFET。JFET是一种单极的三层晶体管,它是一种控制极是由pn组成的场效应晶体管,工作依赖于一种载流子电子或空穴的运动。
 
JFET的结构
JFET主要由N型半导体、P型半导体、及电极组成。以N沟道JFET为例,理想的JFET的结构为对称结构。即JFET主体为N型半导体,两侧加入P型半导体。P型半导体上加上电极,成为G(栅极),另外两侧加上电极即为D(漏极)与S(源极)。结构如下图所示。
JFET结构图
图 JFET的结构
 
上图中两个P型半导体中间的通道即为沟道。因为是N型半导体所形成的,所以就叫N沟道。N沟道JFET的电路符号如下图所示。
 
N沟道JFET的电路符号
图 N沟道JFET的电路符号
 
因为生产工艺的原因,真正的理想JFET结构是不存在的。在实际生产中,JFET的结构并不是采用对称的结构。而是采用下图的结构。
JFET剖面图
图 JFET的剖面
 
衬底层P型半导体与栅极的P型半导体中间所夹的N型半导体即为N沟道。漏极与源极通过N沟道联通,而P型半导体与N型半导体所产生的耗尽层将可以控制N沟道的大小从而调节电流,具体原理分析请看下文。
 
JFET的工作原理
这里我们仍以N沟道JFET为例进行原理分析。虽然理想的JFET的对称结构并不存在,但是对JFET进行分析的时候我们可以以理想的JFET的结构进行原理分析。JFET的工作原理图如下图所示。
JFET场效应管工作原理
图 工作原理
 
在N型半导体两侧的P型半导体,与N型半导体接触,因为所掺杂的载流子浓度的差异(N型半导体中多数载流子为电子;P型半导体中的多数载流子为空穴),在接触后,N型半导体中的电子会往P型半导体中扩散,P型半导体中的电子会往N型半导体中扩散。但随着扩散的进行,N型半导体中的电子变少后由电中性变味带正电,P型半导体进而带负点。这时产生了一个由N型半导体指向P型半导体的内电场。由于内电产的存在,多数载流子的扩散被抑制,少数载流子则会在内电场的作用下产生漂移。在漂移与扩散共同作用下,N型半导体与P型半导体的载流子逐渐平衡,在N区与P区的界面处,电子与空穴会逐渐复合,产生一个空间电荷区,该区的载流子因为相互复合,所以稳定性强,流动性差。即为耗尽层。
而JFET控制漏极电流的关键就在于耗尽层。
究竟如何控制漏极电流?通过对耗尽层宽度的控制可以达到控制漏极电流的目的。如下图所示,可以观察耗尽层的变化。
工作原理图
图 工作原理
 
将两个栅极相连后接电源A负极,,电源B的正极连漏极,负极连源极,电源A的正极连源极并接地电位。我们暂时假设电源B没有起作用,只是电源A工作,电源A对栅极施加电压-VGS。因为栅极的P型半导体受到反向电压的作用,所以P型半导体中的空穴都被吸引到了电源端,导致耗尽区增加,N沟道变窄。效果如下图所示。

图 工作原理图
 
VGS施加的负电压越大,则耗尽层越宽,N沟道越窄。当电源B工作时,漏极与源极间会产生一个电流,电流从漏极通过N沟道流向源极,我们通过控制G极的反向电压就可以达到控制漏极电流的目的。当G极的反向电压达到一定程度,耗尽层就会完全覆盖N沟道,这时,电子无法通过耗尽层,漏极就无法产生电流,这种状态即为夹断。如下图所示。
JFET工作原理图
图 工作原理

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