原创 模拟电路有源器件之JFET

MOS管仅仅是场效应管中的一种。另一种就是结型场效应管或JFET。这种器件把包围反向结的耗尽区作为gate dielectric。图1.27A是N-channel JFET的截面图。这种器件里有一块称作body的轻掺杂N-型硅，在这块硅里有两个相对的P型扩散区。两个结之间的薄的N型硅就是JFET的channel。两个扩散区就是GATE和BACKGATE，body的相对的两个端就是source和drain。

图1.27 N-channel JFET晶体管工作在线性区（A）和在饱和区（B）的截面图。图中，S＝Source，D=Drain，G=Gate，BG=Backgate。

假设N-channel JFET的4个引线端都接地。GATE－BODY结和BACKGATE－BODY结周围会形成耗尽区。这些耗尽区会扩展到轻掺杂的channel，但他们之间不会互相接触。因此从drain到source之间存在一个channel。如果drain电压超过source电压，从drain到source就会形成电流流过channel。电流的大小和channel的电阻有关，而电阻又和它的尺寸和掺杂有关。只要drain对source电压还是很小，它就不会明显的使耗尽区越过channel。Channel的电阻保持常数，drain对source电压和drain电流成线性关系。在这些条件下，JFET被认为是在线性区。这个区就相对于MOS管的线性（或triode）区。由于在V_GS＝0时，channel就已形成，所以JFET更像耗尽型MOSFET管而不是增强型的。

JFET Drain端的耗尽区随着drain电压的增加而加宽。Channel被对立的耗尽区侵入而越来越窄。最终两个耗尽区互相接触且pinch off channel（图1.27B）。即使channel被pinch off了，还是有drain电流流过晶体管。这个电流起源于source端，由多数载流子（电子）组成。这些载流子顺着channel运动直到遇到pinched-off区。穿过这个区的大的横向电场帮助这些载流子进入neutral drain。

一旦channel pinched off 后，即使drain电压继续上升也没多少作用了。Pinched-off区会稍微加宽，但channel的尺寸仍旧保持原样。Channel的电阻决定了drain电流的大小，所以它也几乎保持常数。在这些条件下，JFET被认为是处于饱和。

Gate和backgate端也会影响流过channel的电流。随着gate-body和backgate-body电压的上升，gate-body和backgate-body结上的反向偏置电压也慢慢上升。包围这些结的耗尽区也加宽，channel被压缩。越来越小的电流能流过压缩后的channel，用来pinch off channel 的drain对source电压也降低了。随着gate和backgate电压继续上升，最终在V_DS＝0时channel就pinch off了。一旦这个情况发生，不管drain对source电压多高都没有电流能流过晶体管，晶体管被认为处于截止区。

图1.28是gate和backgate连接起来的N-channel JFET的I-V特性曲线。每条曲线都有一个不同的gate对source电压V_GS。当V_GS＝0时，drain电流有最大值，随着gate电压的上升，它会下降。当gate电压等于turnoff 电压V_T时，导通就完全终止了。Turnoff电压相当于MOS管的阈值电压。但是由于两种器件的导通原理非常不同，所以他们不能做完全相等的比较。

图1.28 典型的N-JFET晶体管在V<?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" />=-8V时的I-V曲线

N-JFET的drain 电流曲线由于channel length modulation效应而在饱和区有点稍微向上翘起。这个效应类似于MOS管里的发生的那个效应。JFET的Pinched-off区随着drain对source电压的上升而变长。Pinched-off区的伸长会相应的使channel缩短。Channel length modulation效应通常十分微小，因为channel长度远远超过pinched-off区的长度。

JFET的source和drain端可以互相交换而不影响器件的性能。图1.27A中JFET的结构就是对称器件的例子。有时候有些更复杂的JFET结构在source和drain的几何形状上有点区别，他们就是非对称的了。

几乎所有的JFET结构都在缩短gate和backgate端。考虑一下图1.27A中的器件。Channel的左边有source，右边有drain，顶上有gate，底部有backgate。图上没有画出channel的前面和后面是什么。多数情况下，channel的这两面被gate-body和backgate-body结延伸出的反向偏置结包围着。这种安排不可避免的缩短了gate和backgate。

图1.29是N-channel和P-channel JFET管的传统电路图符号。Gate上的箭头表示了gate和body之间的PN结的方向。符号中没有明确的标出source和drain端，但大多数电路设计师把N-JFET的drain和P-JFET的soure放在顶部。

图1.29 N-channel JFET（A）和P-channel JFET（B）的符号。