場(chǎng)效應(yīng)管和雙極型晶體管的比較和選擇

現(xiàn)在是ＩＣ的全盛時(shí)代！
        我們身邊有各種各樣的電器，例如電視、ＶＴＲ、ＣＤ組合式收錄機(jī)、計(jì)算機(jī)等，打開這些電器的機(jī)殼就會(huì)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部幾乎全是ＩＣ，已經(jīng)很難找到晶體管或ＦＥＴ等分立的放大器件了。在計(jì)算機(jī)的主機(jī)板上，甚至連電阻都很難見到。
        電子電路的這種ＩＣ化方向當(dāng)然是工程技術(shù)人員所向往的，因?yàn)樗軌蛟谟邢薜目臻g內(nèi)很方便地滿足使用者所要求的解決各種難題的功能，而且更廉價(jià)。
        當(dāng)然，目前的現(xiàn)狀也不是完全不再使用晶體管、ＦＥＴ等分立的半導(dǎo)體器件。在一些 先進(jìn)的大功率／大電流電路、低噪聲放大電路、高頻電路等電子電路中除ＩＣ外仍然還使用著多種分立器件。 
        可以說目前的電子電路中，ＩＣ通常應(yīng)用于一般電路中，而分立的晶體管和ＦＥＴ應(yīng)用于追求高性能的 先進(jìn)的電路中。
        也不完全拘泥于這種區(qū)分。在我們身邊當(dāng)然還有考慮到晶體管和ＦＥＴ的特點(diǎn)，通過與ＩＣ的組合而應(yīng)用的實(shí)例，這樣往往能夠組成更有趣的電路，性能相同而更廉價(jià)的電路。下面首先分析使用ＩＣ、晶體管、ＦＥＴ的電路的優(yōu)缺點(diǎn)，然后分別討論使用的問題。

１．１．１使用ＩＣ的優(yōu)缺點(diǎn)
　　
１．電子電路中使用ＩＣ的優(yōu)點(diǎn)
（１）可以減少部件數(shù)目。ＩＣ是將一個(gè)電路原封不動(dòng)地封裝在一個(gè)管殼中。因此，使用ＩＣ可以減少構(gòu)成電路的部件數(shù)目。將電路集成化并封裝起來(lái)，使得電路整體變小了。
（２）縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間。將具有嚴(yán)格的常數(shù)設(shè)定的電路ＩＣ化，能夠縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。如果所有電路都集成化，那么“電路設(shè)計(jì)”就變成了選擇ＩＣ的工作。
（３）降低了成本。通過將標(biāo)準(zhǔn)的電路集成化批量生產(chǎn)，能夠降低ＩＣ自身的價(jià)格，從而使電路整體的成本下降。

２．使用ＩＣ的缺點(diǎn)
（１）只能在一定程度上滿足其性能要求。為了使通常的ＩＣ具有更廣泛的應(yīng)用，需要將一定程度上標(biāo)準(zhǔn)化的電路集成化。因此，使用ＩＣ時(shí)，在性能上必然會(huì)有一定的妥協(xié)。所以說，使用ＩＣ的電路并不能得到非常完美的性能。
（２）不能夠變更內(nèi)部電路。這是顯而易見的事情。已經(jīng)制成的電路以及管腳配置是不能夠變更的。但是在數(shù)字ＩＣ領(lǐng)域，使用者在一定程度上具有變更內(nèi)部電路管或腳配置的自由，例如ＰＬＤ（Ｐｒｏｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏgｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ，可編程邏輯器件）。在將來(lái)，模擬ＩＣ中也會(huì)具有這種功能。

１．１．２使用晶體管和ＦＥＴ的優(yōu)缺點(diǎn)

１．電子電路中使用晶體管和ＦＥＴ的優(yōu)點(diǎn)
（１）能夠?qū)崿F(xiàn)高性能。ＩＣ內(nèi)部的半導(dǎo)體器件由于受制造條件的制約，其性能往往低于分立器件。因此設(shè)計(jì)者使用分立器件能夠制作出比ＩＣ性能更優(yōu)良的電路。
（２）什么樣的電路都能夠制作。晶體管和ＦＥＴ是放大單元、開關(guān)單元的 小單位，所以具有制作任何電路的可能性。

２．使用晶體管和ＦＥＴ的缺點(diǎn)
（１）增加了部件數(shù)目。如果一個(gè)電路使用２～３個(gè)ＩＣ就能夠制成，那么使用分立器件時(shí)需要的部件數(shù)目將會(huì)增加到２０～３０個(gè)。
（２）設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)。由于必須選擇和確定電路所需要的所有元器件及其數(shù)值，所以花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)。
（３）成本高。不能說所有情況下的成本都高，但是大多數(shù)情況下，由于使用的分立器件多，整體上成本（也考慮到制造成本）提高了。

１．１．３靈活使用ＩＣ以及晶體管、ＦＥＴ

        圖１．１分別示出了ＩＣ的ＯＰ放大器和用分立半導(dǎo)體器件構(gòu)成的ＯＰ放大器。ＩＣ是一個(gè)小的電路塊，而用分立半導(dǎo)體器件組成的同樣功能的電路則成為有一定規(guī)模的電路。所以，對(duì)于性能沒有很高要求的電路來(lái)說應(yīng)該使用ＩＣ。但是，當(dāng)通用的ＯＰ放大器不能實(shí)現(xiàn)電路性能要求時(shí)怎么辦？
        首先應(yīng)該考慮使用比通用器件性能更高的ＯＰ放大器。但是高性能ＯＰ放大器的價(jià)格高，而且往往難以獲得。
        因此應(yīng)該考慮采用通用ＩＣ與晶體管、ＦＥＴ等分立半導(dǎo)體器件組合使用的方法，這種方法的成本不是很高，卻能夠?qū)崿F(xiàn)電路的高性能。這樣做可以充分發(fā)揮ＩＣ和分立器件各自的優(yōu)點(diǎn)。
        圖１．２就是將ＯＰ放大器與分立半導(dǎo)體器件組合使用的例子。
        圖１．２（ａ）的電路是在ＯＰ放大器的輸出端追加了射極跟隨器，增大輸出電流。與ＩＣ相比，雙極型晶管能夠處理大電流，所以當(dāng)要求改善ＩＣ的輸出特性時(shí)經(jīng)常使用它。

圖１．１　兩種方法構(gòu)成的ＯＰ放大器

圖１．２　利用ＩＣ與ＦＥＴ、晶體管組合的方法提高性能的示意圖

        圖１．２（ｂ）是在ＯＰ放大器ＩＣ的輸入端插入源極跟隨器，輸入電流非常小的電路（也有用ＦＥＴ輸入的ＯＰ放大器ＩＣ，使用分立的ＦＥＴ器件，對(duì)改善噪聲特性特別有利）。由于ＦＥＴ器件本身的輸入阻抗高，所以當(dāng)希望改善ＩＣ的輸入特性時(shí)經(jīng)常采用這種電路。

１．１．４靈活使用技術(shù)

        不僅是上面所說的純粹的模擬電路，在數(shù)字電路以及開關(guān)電路中也采用類似的方法。
        圖１．３是用數(shù)字電路ＩＣ的輸出驅(qū)動(dòng)負(fù)載的開關(guān)電路中使用晶體管、ＦＥＴ的例子。也有這種開關(guān)電路的專用ＩＣ，不過使用晶體管或ＦＥＴ有時(shí)更加合理。

圖１．３　在開關(guān)電路中的應(yīng)用例

        巧妙地將ＩＣ與晶體管、ＦＥＴ靈活組合使用是非常有趣的工作。ＩＣ的靈活使用并不困難，對(duì)于晶體管和ＦＥＴ分立器件來(lái)說，它的熟練使用需要一定的支持（也就是技術(shù)）。
        熟練掌握晶體管和ＦＥＴ的技術(shù)并不是那樣困難。電路設(shè)計(jì)方面只要抓住“怎樣工作”這樣的概念，剩下的就是進(jìn)行簡(jiǎn)單的四則運(yùn)算。

１．２．１自己設(shè)計(jì)ＩＣ
　　
        使用ＩＣ具有絕對(duì)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。但是，使用市售的ＩＣ難以制作出獨(dú)具特色的電路。使用分立半導(dǎo)體器件，能夠作出性能優(yōu)良的電路，但是在價(jià)格方面不具有競(jìng)爭(zhēng)力。技術(shù)人員的氣質(zhì)就是要通過自己的努力制作出具有競(jìng)爭(zhēng)力的ＩＣ。 
        事物總是在不斷發(fā)展的。如果說在十多年前只有為數(shù)不多的高級(jí)技術(shù)人員能夠勝任ＩＣ的開發(fā)與設(shè)計(jì)工作的話，而現(xiàn)在對(duì)于ＡＳＩＣ（Ａｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｅｃｉｆｉｃ ＩＣ，專用集成電路）來(lái)說，至少有約１０００多個(gè)單位在進(jìn)行自行制作ＩＣ的工作。 
        以前必須采用大型的計(jì)算機(jī)作為ＩＣ設(shè)計(jì)的設(shè)備，幾年前開始采用工作站， 近發(fā)展到在個(gè)人電腦上就能夠進(jìn)行這項(xiàng)工作。這是ＩＣ設(shè)計(jì)成本降低的原因之一。 
        在個(gè)人電腦上，使用ＩＣ制造廠商提供的器件、程序庫(kù)（晶體管、ＦＥＴ等器件的模型），就能夠進(jìn)行電路的工作模擬。照片１．３就是在電腦上工作的電路模擬器Ｐｓｉｃｅ的一個(gè)畫面。 
        自己也能夠制作ＩＣ。這對(duì)于電路技術(shù)工作者來(lái)說，出人意料地進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代。但是能夠使用ＩＣ不等于能夠制作出ＩＣ；獲得好的模擬器也不等于能夠作出ＩＣ。即使在今天，ＩＣ的內(nèi)部仍然還是晶體管和ＦＥＴ。 
        所以，不論怎樣，重要的是能夠設(shè)計(jì)晶體管電路、ＦＥＴ電路。

　

照片１．３　電路模擬器Ｐｓｉｃｅ的畫面例（輸入電路圖）

 
１．２．２模擬電路今后也將采用（ＣＭＯＳ）ＦＥＴ器件 

        如果將目光投向ＩＣ世界，就會(huì)發(fā)現(xiàn) 近被稱為ＣＭＯＳＩＣ的器件多起來(lái)了。以前的ＩＣ———ＴＴＬ或普通的ＯＰ放大器等叫做雙極ＩＣ。它的內(nèi)部是雙極晶體管的集合體。但是， 近在數(shù)字ＩＣ中，ＴＴＬ不斷地被ＣＭＯＳ數(shù)字ＩＣ———ＭＯＳ晶體管的集合體所替代。 
        眾所周知，ＣＭＯＳＩＣ的特點(diǎn)是低功耗。發(fā)展到規(guī)模大的ＩＣ———ＬＳＩ，由于消耗功率的緣故人們不得不采用ＣＭＯＳ，這一點(diǎn)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。同時(shí)，面對(duì)模擬電路與數(shù)字電路一體化ＬＳＩ的發(fā)展趨勢(shì)，人們也很自然地趨向于使用ＣＭＯＳ構(gòu)成模擬電路。 
        當(dāng)然ＣＭＯＳ是ＦＥＴ的同類。如圖１．４所示它是Ｐ溝ＭＯＳＦＥＴ與Ｎ溝ＭＯＳＦＥＴ的組合。目前，ＣＭＯＳ模擬電路已經(jīng)不再是難以獲得的器件。這是因?yàn)橐呀?jīng)能夠利用ＦＥＴ有條不紊地設(shè)計(jì)模擬電路，從而解決了大部分問題。

圖１．４　ＩＣ世界中ＣＭＯＳ成為主要器件

        ＦＥＴ器件中還有利用ＩＣ化技術(shù)開發(fā)出的功率ＭＯＳＦＥＴ。這種器件作為不易損壞的大功率開關(guān)器件受到人們的關(guān)注。 
        所以晶體管、ＦＥＴ的靈活運(yùn)用日益成為非常重要的技術(shù)。在下面的章節(jié)中將觀測(cè)ＦＥＴ和晶體管的實(shí)際工作波形，并說明它的工作過程。

ＦＥＴ是Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ的縮寫，稱為場(chǎng)效應(yīng)晶體管。它是晶體管的一種。通常所說的晶體管是指雙極晶體管。

ＦＥＴ與雙極晶體管相對(duì)應(yīng)，有時(shí)也叫做單極晶體管。如照片２．１所示，ＦＥＴ的外形與雙極晶體管幾乎相同。

 照片２．１　各種ＦＥＴ（ＦＥＴ的外觀與雙極晶體管幾乎相同。近來(lái)，在從小信號(hào)到大功率，
從低頻到高頻的各種類型的器件中得到了廣泛應(yīng)用。外形大的是功率ＭＯＳ）

雖然同樣是晶體管，但是雙極晶體管與ＦＥＴ的工作原理卻完全不同。ＦＥＴ具有雙極晶體管所不具備的優(yōu)點(diǎn)，也有自身的缺點(diǎn)。將難以理解的問題留到后面，現(xiàn)在先從ＦＥＴ的工作原理開始分析。

２．１放大電路的波形

２．１．１ ３倍放大器

圖２．１是一個(gè)實(shí)驗(yàn)電路。整個(gè)電路與雙極晶體管的發(fā)射極接地放大電路相當(dāng)，只是用ＦＥＴ替換了晶體管。

圖２．２是使用雙極晶體管的發(fā)射極接地放大電路。可以看出兩個(gè)電路中的電路常數(shù)不太相同，圖２．１的電路是將圖２．２電路中的雙極晶體管用ＦＥＴ置換的電路。

圖２．１　ＦＥＴ的實(shí)驗(yàn)放大電路（單管ＦＥＴ源極接地放大電路，可以認(rèn)為是發(fā)射極接地放大電路中的晶體管被ＦＥＴ置換）

圖２．２　使用雙極晶體管的發(fā)射極接地放大電路（發(fā)射極接地放大電路是雙極晶體管 基本的放大電路）

與雙極晶體管一樣，ＦＥＴ也有三個(gè)極，即柵極（Ｇａｔｅ）、源極（Ｓｏｕｒｃｅ）和漏極（Ｄｒａｉｎ）。如果與雙極晶體管的各極相對(duì)比，如圖２．３所示，柵極對(duì)應(yīng)于基極，源極對(duì)應(yīng)于發(fā)射極，漏極對(duì)應(yīng)于集電極。

所以，與雙極晶體管發(fā)射極接地放大電路相對(duì)應(yīng)，圖２．１的電路稱為源極接地放大電路（Ｃｏｍｍｏｎ Ｓｏｕｒｃｅ Ａｍｌｉｆｉｅｒ）。

照片２．２是裝配在普通印刷電路板上的圖２．１電路的照片。照片２．３是給它輸入１ｋＨｚ、１Ｖ（峰峰）正弦波時(shí)的輸出波形。 輸出約為３Ｖ，所以這個(gè)放大電路的放大倍數(shù)（電壓增益）ｖ是３（＝３Ｖ／１Ｖ）。

輸入輸出的相位關(guān)系也與使用雙極晶體管的發(fā)射極接地放大電路的情況相同，輸出與輸入間相位相差１８０°（波形反轉(zhuǎn)）。

圖２．３　ＦＥＴ與雙極晶體管的各電極（ＦＥＴ與雙極晶體管的工作原理完全不同，但是各極間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以幫助理解ＦＥＴ的工作原理）

　　
照片２．２　ＦＥＴ的實(shí)驗(yàn)放大電路（使用小信號(hào)Ｎ溝面結(jié)型ＦＥＴ。看起來(lái)與晶體管放大電路相同）

照片２．３ 輸入電壓ｉ與輸出電壓ｏ的波形（０．５Ｖ／ｄｉｖ，２００ｓ／ｄｉｖ）
（ｉ為１Ｖ，ｏ為３Ｖ，所以是３倍放大器。周期是１ｍｓ，所以頻率是１ｋＨｚ，ｉ與ｏ相位相反）

２．１．２ 柵極上加偏壓

照片２．４是輸入信號(hào)ｉ與ＦＥＴ的柵極電位的波形。

的交流成分就是能夠通過耦合電容１的輸入信號(hào)ｉ。的直流成分是由１與２形成的１．７Ｖ電壓。這個(gè)電壓加在ＦＥＴ的柵極上，叫做柵偏壓。與雙極晶體管相同，ＦＥＴ也需要在柵極上加直流偏壓。

照片２．４輸入電壓ｉ與柵極電壓的波形（１Ｖ／ｄｉｖ，２００ｓ／ｄｉｖ）
（的交流成分是ｉ通過１的成分，直流成分是由１與２形成的偏壓電壓） 

２．１．３柵極源極間電壓為０．４Ｖ

照片２．５是柵極電位與源極電位ｓ的波形。與ｓ都是交流振幅，相位完全相同。如照片２．４所示，和ｉ的交流波形完全相同，所以源極電位s與輸入信號(hào)ｉ也具有完全相同的交流波形。

照片２．５柵極電位與源極電位ｓ的波形（１Ｖ／ｄｉｖ，２００ｓ／ｄｉｖ）
（與ｓ的交流成分完全相同，直流電位相差０．４Ｖ。這是ＦＥＴ電路 重要的一點(diǎn)）

可以看出ＦＥＴ的源極接地放大電路與雙極晶體管的發(fā)射極接地放大電路相同，從源極取出的信號(hào)完全沒有電壓放大作用（電壓增益為）。

但是當(dāng)信號(hào)加到柵極，從源極取出信號(hào)時(shí)，卻有電流放大作用。這個(gè)電路與雙極晶體管的射極跟隨器相當(dāng)，所以稱為源極跟隨器。

關(guān)于源極跟隨器將在第４章詳細(xì)討論。

照片２．５中示出了ＦＥＴ電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問題，就是柵極電位與源極電位ｓ間的電位差。

如照片２．４所示，的直流電位是１．７Ｖ，ｓ的直流電位是２．１Ｖ，比高０．４Ｖ。就是說，在圖２．１的電路中，ＦＥＴ柵極與源極之間的電壓ＧＳ為０．４Ｖ。源極電位壓比柵極電位高（后面將要講到并不是所有的ＦＥＴ都是０．４Ｖ）。

如圖２．４所示，雙極晶體管基極與發(fā)射極間相當(dāng)于接入一個(gè)二極管，晶體管在放大工作時(shí)基極發(fā)射極間電壓ＢＥ為０．６～０．７Ｖ。而且對(duì)于ＮＰＮ晶體管來(lái)說，發(fā)射極電位比基極低。 

圖２．４ＢＥ與ＧＳ
（晶體管的ＢＥ是０．６～０．７Ｖ，發(fā)射極電位比基極低。圖１電路中ＧＳ是０．４Ｖ，源極電位比柵極高） 

這就是雙極晶體管電路與ＦＥＴ電路工作上 重要的不同點(diǎn)。 

２．１．４ＦＥＴ是電壓控制器件

雙極晶體管是由基極電流控制集電極與發(fā)射極之間電流流動(dòng)的器件，是由電流控制輸出的，所以叫做電流控制器件；ＦＥＴ是由柵極上所加的電壓控制漏極與源極之間電流流動(dòng)的器件，是由電壓控制輸出的，所以稱為電壓控制器件。

ＦＥＴ的柵極上沒有電流流過（實(shí)際上，只有極小的電流流過，比雙極晶體管基極電流小得多）。因此在圖２．１的電路中，認(rèn)為漏極電流
ｄ與源極電流ｓ的大小完全相等。

如果換一種理解方法，可以認(rèn)為圖２．１的電路是將如圖２．５所示的輸入信號(hào)ｉ的電壓變化量Δｉ（這時(shí)為±０．５Ｖ）作為漏極的電流變化量Δｄ（這時(shí)為±０．２５ｍＡ）輸出的可變電流源 。

圖２．５將電壓的變化變?yōu)殡娏鞯淖兓?
（換一種理解方法，源極接地放大電路的ＦＥＴ是由輸入電壓ｉ控制的可變電流源） 

２．１．５輸出是源極電流的變化部分

照片２．６是源極電位ｓ與漏極電位ｄ的波形。這樣看到的柵極電位、源極電位ｓ與輸入信號(hào)ｉ的波形是相同的。像照片２．６那樣，ＦＥＴ的漏極上看到的是被放大了的ｉ的波形，但是，ｄ的波形與ｉ的波形相位相反。

ＦＥＴ的源極所連接的電阻是源極電阻Ｓ。如照片２．５所示，ｓ的振幅為２．１±０．５Ｖ，所以流過Ｓ的電流在以１．０５ｍＡ為中心的±０．２５ｍＡ范圍變化（（２．１±０．５）／２ｋΩ＝１．０５±０．２５ｍＡ）。所有從ＦＥＴ
的源極流出的電流都流過Ｓ，所以源極電流ｓ為１．０５±０．２５ｍＡ。

這個(gè)電流變化量Δ ｄ通過漏極與電源間連接的電阻——— 漏極負(fù)載電阻Ｄ以電阻上產(chǎn)生的電壓降的形式呈現(xiàn)出來(lái)，因此輸出電壓再次返回為電壓變化量Δ ｄ的形式，從漏極取出。 

照片２．６源極電位ｓ與漏極電位ｄ的波形（２Ｖ／ｄｉｖ，２００ｓ／ｄｉｖ）
（ｓ與輸入信號(hào)ｉ的波形相同，ｄ是放大后的波形。但是，相位是相反的）

２．１．６漏極的相位相反

Ｄ連接在漏極與電源之間，所以這里產(chǎn)生的電壓降是以電源為基準(zhǔn)的。因此，當(dāng)輸入電壓ｉ增加，漏極電流也增加時(shí)，Ｄ上的電壓降相對(duì)于電源也變大，漏極相對(duì)于地的電位ｄ（Ｄ與漏極的接點(diǎn)電位）減少。

相反，如果ｉ減少時(shí)漏極電流也減少，Ｄ上的電壓降變小，ｄ相對(duì)于ＧＮＤ增加。因此，相對(duì)于ｉ，ｄ的相位是反相的 —— 相位變化１８０°。

由照片２．５和照片２．６可以看出，對(duì)于ＦＥＴ源極接地放大電路來(lái)說，各極間呈現(xiàn)出的信號(hào)的相位關(guān)系是柵極源極間同相（相位差為零
），柵極漏極間以及源極漏極間反相。

但是，需要注意的是這只是源極接地時(shí)的相位關(guān)系，對(duì)于后面將要講到的柵極接地放大電路來(lái)說，情況是不同的。這里的情況與雙極晶體管發(fā)射極接地放大電路相同。照片２．７是漏極電位ｄ與輸出電壓ｏ的波形。耦合電容２隔斷了ｄ的直流成分，取出的輸出僅是以０Ｖ為中心擺動(dòng)的交流成分。 

照片２．７漏極電位ｄ與輸出電壓ｏ的波形（５Ｖ／ｄｉｖ，２００ｓ／ｄｉｖ）
（由于ｄ的直流成分被耦合電容隔斷，所以取出的輸出僅是以０Ｖ為中心擺動(dòng)的交流成分） 

２．１．７與雙極晶體管電路的差別

前面看到的ＦＥＴ的源極接地放大電路是不是與雙極晶體管的發(fā)射極放大電路完全相同？

實(shí)際上幾乎是完全相同的，只有一點(diǎn)差別，這就是雙極晶體管的基極發(fā)射極間電壓ＢＥ與ＦＥＴ的柵極源極間電壓ＧＳ在電壓、極性上有差別。

這一點(diǎn)對(duì)于ＦＥＴ電路是非常重要的。只有搞清楚ＧＳ究竟有多大，才能夠方便地像使用雙極晶體管那樣使用ＦＥＴ。

下面將結(jié)合ＦＥＴ的工作原理，說明這個(gè)ＧＳ的大小。 

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(lái)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(wú)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) 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 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 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 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， 終變?yōu)榱悖@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 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(lái)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。

場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理