📘 第 4 章：场效应晶体管（FET）

这一篇在干嘛？

前一章的双极结型晶体管（BJT）是”电流控制电流”的器件，而本章的主角——场效应晶体管（Field-Effect Transistor, FET）则是”电压控制电流”的器件：栅极上加一个电压，就能通过电场控制沟道里流过的电流。本章系统讲清 FET 家族（JFET、D-MOSFET、E-MOSFET）的结构、特性曲线、偏置方法、三种放大器组态，以及 MOSFET 在模拟开关、CMOS 数字电路和功率开关中的应用。学完本章你就能理解：为什么全世界的微处理器和存储器用的几乎都是 FET。

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• 4-1 场效应晶体管的结构
• 4-2 JFET 的特性
• 4-3 JFET 的偏置
• 4-4 MOSFET 的特性
• 4-5 MOSFET 的偏置
• 4-6 FET 线性放大器
• 4-7 MOSFET 开关电路
• 4-8 系统实例：太阳能跟踪系统
• 本章小结与公式速查

4-1 场效应晶体管的结构

回忆一下：双极结型晶体管（bipolar junction transistor, BJT）是电流控制器件——基极电流 $I_B$ 控制集电极电流 $I_C$。而场效应晶体管（field-effect transistor, FET）是电压控制器件——栅极（gate）上的电压控制流过器件的电流。BJT 和 FET 都能做放大器和开关，但两者的”手感”完全不同。

FET 家族

FET 是一类工作原理与双极晶体管完全不同的半导体器件。在 FET 中，一条窄窄的导电沟道（channel）连接着两个引脚：源极（source）和漏极（drain）。沟道由 n 型或 p 型材料构成。顾名思义，“场效应”就是指：由第三个引脚——栅极（gate）——上所加电压建立的电场来控制沟道中的导电。

FET 有两大分支：

• 结型场效应晶体管（junction FET, JFET）：栅极与沟道之间形成一个 pn 结，靠这个结的反向偏置来控流；
• 金属氧化物半导体场效应晶体管（metal-oxide semiconductor FET, MOSFET）：栅极被一层极薄（约 61 nm 量级的玻璃，通常为 SiO₂）的绝缘层与沟道隔开，所以也叫绝缘栅 FET（insulated-gate FET）——这两个词指的是同一类器件。

图：场效应晶体管的分类谱系——JFET 与 MOSFET（D 型/E 型）各自又分 n 沟道与 p 沟道（原书图 4–1）

一段历史趣闻：FET 的构想其实比 BJT 更早——Lilienfeld 在 1925 年就申请了 FET 专利（1930 年获批），但直到 20 世纪 60 年代 FET 才真正商用。如今 MOSFET 统治了数字集成电路（integrated circuit, IC），原因很实际：它占的芯片面积比 BJT 小得多、易于在 IC 上制造、而且不需要电阻和二极管就能搭出更简单的电路。所有微处理器和计算机存储器用的都是 FET 技术。

与 BJT 相比，FET 家族更加”多样化”——不同类型 FET 的直流行为差别很大（比如 JFET 和 E-MOSFET 的偏置方式就不同），所以本章会对每种类型分别讨论其偏置。

所有 FET 的共同优点：输入电阻极高、电噪声低。JFET 靠”输入 pn 结永远反偏”获得高输入电阻；MOSFET 靠”绝缘栅”获得高输入电阻。但 FET 也有短板：增益不如 BJT 高，线性度也不如 BJT 好。实际设计中常常两者混用、各取所长。

常见坑：FET 不是"更好的 BJT"

初学者常以为 FET 是 BJT 的全面升级版。不对！FET 的优势是高输入电阻、低噪声、适合做大规模数字 IC；BJT 的优势是高增益、高线性度。两者是互补关系，不是替代关系。

4-1 节自查：FET 的三个引脚叫什么？绝缘栅 FET 的另一个名字是什么？为什么 MOSFET 能统治数字 IC？（答案：源极、漏极、栅极；MOSFET；面积小、易制造、电路更简单。）

4-2 JFET 的特性

本节讲清 JFET 如何作为一个”电压控制的恒流器件”工作，包括漏极特性曲线、跨导曲线、夹断与截止等核心概念。

图：n 沟道 JFET 的基本结构——p 型栅区扩散进 n 沟道形成 pn 结（原书图 4–2a）

图：两种 JFET 的基本结构对比，(a) n 沟道、(b) p 沟道（原书图 4–2）

JFET 的工作原理

以 n 沟道 JFET 为例：沟道两端分别接出漏极（上端）和源极（下端）。n 沟道里导电的是电子，p 沟道里是空穴。不加任何外电压时，沟道双向都能导电。

制造时把 p 型材料扩散进 n 沟道形成 pn 结，并连到栅极（图中画了两个 p 区，实际厂家在内部把它们连成一个栅极；特殊器件”双栅 JFET”才分别引出）。

关键机制：**不加栅压时，沟道导通最大电流；给栅极加反向偏置后，耗尽区变宽、沟道变窄、导电能力下降。**也就是说，JFET 是”常开（normally-on）“器件——这和 BJT 截然不同。

图：n 沟道 JFET 的正常偏置接法——$V_{DD}$ 提供正向 $V_{DS}$，$V_{GG}$ 使栅源结反偏（原书图 4–3a）

图：$V_{GG}$ 加大（更负），白色耗尽区变宽、沟道变窄，沟道电阻增大、$I_D$ 减小（原书图 4–3b）

图：$V_{GG}$ 减小，沟道变宽，电阻减小、$I_D$ 增大（原书图 4–3c）

注意一个重要规则：JFET 中任何 pn 结都不允许正偏。耗尽区在漏极端更宽，因为栅—漏之间的反偏电压比栅—源之间更大。

JFET 的电路符号

图：JFET 原理图符号——n 沟道箭头”指向内”（原书图 4–4）

图：JFET 原理图符号——p 沟道箭头”指向外”（原书图 4–4）

记忆窍门：n 沟道箭头朝里指（指向沟道），p 沟道箭头朝外。n 沟道 JFET 参数普遍更好，所以更常用。

漏极特性曲线

漏极特性曲线（drain characteristic curve）是漏极电流 $I_D$ 对漏源电压 $V_{DS}$ 的关系图，地位相当于 BJT 的 $I_C$–$V_{CE}$ 特性。但注意：FET 的”第三个变量”是电压 $V_{GS}$，而不是 BJT 的电流 $I_B$——这正是”电压控制”的体现。

图：$V_{GS}=0$ 时 JFET 的漏极特性曲线——A→B 为欧姆区，B→C 为恒流区，C 之后击穿（原书图 4–5）

把 $V_{GS}=0$（栅源短路）固定，从 0 逐渐加大 $V_{DD}$（即 $V_{DS}$）：

• A→B 段（欧姆区，ohmic region）：$I_D$ 随 $V_{DS}$ 近似成正比增长，因为此时耗尽区还太窄、不足以影响沟道，沟道电阻基本恒定，$V_{DS}$ 与 $I_D$ 服从欧姆定律。改变栅压就能改变这个”电阻”，所以 JFET 可以当压控电阻用（例如文氏电桥里的自动增益控制）。
• B 点以后（恒流区，constant-current region）：曲线变平，$I_D$ 基本不变。因为继续增大 $V_{DS}$ 时，栅—漏反偏电压 $V_{GD}$ 产生的耗尽区扩展，正好抵消了 $V_{DS}$ 的增加。这个区域也叫有源区（active region）——放大器就工作在这里。
• C 点以后（击穿，breakdown）：$I_D$ 急剧上升，可能造成器件永久损坏，所以 JFET 必须工作在击穿之前。

夹断电压与 $I_{DSS}$

$V_{GS}=0$ 时，$I_D$ 开始进入恒流区所对应的 $V_{DS}$ 值叫夹断电压（pinch-off voltage）$V_P$（n 沟道为正值，对给定器件是固定值）。恒流区对应的漏极电流叫 $I_{DSS}$（Drain-to-Source current with gate Shorted，栅源短路时的漏源电流），这是 JFET 数据手册必标参数——它是 $V_{GS}=0$ 时该 JFET 能输出的最大漏极电流，与外电路无关。

常见坑："夹断"不是"关断"

名字很迷惑：$V_P$（夹断电压）是 $I_D$ 刚刚进入恒流区的 $V_{DS}$ 值，此时电流反而最大（$I_{DSS}$）；而让 $I_D$ 归零的是截止电压 $V_{GS(off)}$（栅压方向）。“夹断夹的是沟道几何形状进入平衡，不是把电流夹没”。

$V_{GS}$ 控制 $I_D$ 与截止电压

给栅源之间加偏置电压 $V_{GG}$，把 $V_{GS}$ 设成越来越负的值，就得到一族漏极特性曲线：$|V_{GS}|$ 越大，$I_D$ 越小，且夹断点出现在更低的 $V_{DS}$ 处。

图：JFET 偏置在 $V_{GS}=-1\text{V}$（原书图 4–6a）

图：一族漏极特性曲线——$V_{GS}$ 越负，$I_D$ 越小（原书图 4–6b）

当 $V_{GS}$ 负到某个值时，耗尽区完全闭合沟道，$I_D$ 变为零——这个值就是截止电压（cutoff voltage）$V_{GS(off)}$。JFET 必须工作在 $V_{GS}=0\text{V}$ 与 $V_{GS(off)}$ 之间，$I_D$ 就能在 $I_{DSS}$（最大）与几乎为零（最小）之间调节。

图：JFET 的截止状态——耗尽区完全夹断沟道（原书图 4–7）

夹断与截止对比：夹断电压 $V_P$ 在漏极特性上测量，是 $V_{GS}=0$ 时 $I_D$ 进入恒流区的正 $V_{DS}$ 值；截止电压 $V_{GS(off)}$ 是使 $I_D$ 降到零的负 $V_{GS}$ 值。两者的数值相等、符号相反：若 $V_{GS(off)}=-5\text{V}$，则 $V_P=+5\text{V}$。数据手册通常只给其中一个。

例 4–1：进入恒流区所需的最小 $V_{DD}$

已知：图 4–8 中 n 沟道 JFET 的 $V_{GS(off)}=-4\text{V}$，$I_{DSS}=12\text{mA}$，漏极电阻 $R_D=560\Omega$。求使器件进入恒流区的最小 $V_{DD}$。

图：例 4–1 的电路（原书图 4–8）

解：由 $V_{GS(off)}=-4\text{V}$ 得 $V_P=4\text{V}$。进入恒流区的最小漏源电压为：

$$V_{DS}=V_P=4\text{V}$$

恒流区中 $V_{GS}=0$，故：

$$I_D=I_{DSS}=12\text{mA}$$

漏极电阻上的压降：

$$V_{R_D}=(12\text{mA})(560\Omega )=6.7\text{V}$$

对漏极回路用基尔霍夫电压定律：

$$V_{DD}=V_{DS}+V_{R_D}=4\text{V}+6.7\text{V}=10.7\text{V}$$

这就是使 $V_{DS}=V_P$、让器件进入恒流区的最小电源电压。

练习：若 $V_{DD}$ 提高到 15 V，漏极电流是多少？——答案：仍约 12 mA（因为恒流区里 $I_D$ 与 $V_{DD}$ 无关，这正是”恒流”的含义）。

JFET 的跨导曲线

传输特性（transfer curve）描述”给定输入，输出是多少”。JFET 的输入是负的栅压、输出是漏极电流，所以传输曲线就是 $I_D$（纵轴）对 $V_{GS}$（横轴）的图。输出单位 mA 除以输入单位 V 得到电导单位 mS——输入电压”转移（trans-）“成了输出电流，故称跨导（transconductance）$g_m$（数据手册里也记作 $y_{fs}$）。

图：MPF102 n 沟道 JFET 的特性曲线——(a) 跨导曲线，(b) 与漏极特性曲线的关系（原书图 4–9）

跨导是交流参数，取曲线上任一点，用漏极电流的小变化除以栅源电压的小变化即得：

$$g_m=\frac{\Delta I_D}{\Delta V_{GS}}$$

用交流符号简写为：

$$g_m=\frac{I_d}{V_{gs}}\text{\hspace{1em}(4-1)}$$

跨导曲线不是直线——FET 的传输特性是非线性的，会给信号带来失真。失真不一定是坏事：射频混频器里 JFET 反而因此比 BJT 好用；音频应用中可选用低失真型号（如 2N4339）、保持小信号（100 mV 以下）或用特定偏置方式来减小失真。

例 4–2：从曲线上读跨导

已知：图 4–10 的跨导曲线，求 $I_D=1.0\text{mA}$ 处的跨导。

图：例 4–2 的跨导曲线与图解法（原书图 4–10）

解：在 1.0 mA 处取一小段变化量，用 $\Delta I_D$ 除以对应的 $\Delta V_{GS}$：

$$g_m=\frac{\Delta I_D}{\Delta V_{GS}}=\frac{1.25\text{mA}-0.75\text{mA}}{-1.1\text{V}-(-1.8\text{V})}=\frac{0.5\text{mA}}{0.7\text{V}}=0.714\text{mS}$$

练习：求 $I_D=1.5\text{mA}$ 处的跨导。——答案：约 1.0 mS（曲线越陡，$g_m$ 越大）。

JFET 的输入电阻与输入电容

JFET 的栅源结始终反偏，而反偏的 pn 结电阻极高——这就是 JFET 输入电阻极高、远胜 BJT（正偏的发射结）的原因。

数据手册通常给出栅极反向电流 $I_{GSS}$，再由下式求输入电阻（竖线表示取绝对值）：

$$R_{IN}=\left|\frac{V_{GS}}{I_{GSS}}\right|\text{\hspace{1em}(4-2)}$$

例如 2N5457 手册给出 $V_{GS}=-15\text{V}$、$25^{\circ }\text{C}$ 时 $I_{GSS}$ 最大 $-1\text{nA}$，则：

$$R_{IN}=\frac{15\text{V}}{1\text{nA}}=15\text{G}\Omega$$

高得惊人！但温度升高时 $R_{IN}$ 会明显下降（见例 4–3）。

代价：反偏 pn 结相当于一个电容（容量随反压变化），所以 JFET 的输入电容 $C_{iss}$ 比 BJT 大（2N5457 最大 7 pF）。

例 4–3：输入电阻随温度的变化

已知：某 n 沟道 JFET 手册给出 $V_{GS}=-30\text{V}$ 时，$25^{\circ }\text{C}$ 下 $I_{GSS}$ 最大 $-0.1\text{nA}$；$150^{\circ }\text{C}$ 下 $I_{GSS}$ 最大 $-100\text{nA}$。求 $25^{\circ }\text{C}$ 时的最小输入电阻。

解：

$$R_{IN}=\left|\frac{V_{GS}}{I_{GSS}}\right|=\frac{30\text{V}}{0.1\text{nA}}=300\text{G}\Omega$$

练习：求 $150^{\circ }\text{C}$ 时的最小输入电阻。——答案：$30\text{V}/100\text{nA}=300\text{M}\Omega$，降了整整一千倍！高温对输入电阻的影响不可忽视。

通关标准：

你能不看书说清以下几件事，就算过关：① JFET 是常开器件，$V_{GS}$ 越负 $I_D$ 越小；② $V_P$ 与 $V_{GS(off)}$ 数值相等符号相反；③ $I_{DSS}$ 是 $V_{GS}=0$ 时的最大漏流；④ 恒流区 = 有源区 = 放大器工作区；⑤ $g_m=\Delta I_D/\Delta V_{GS}$ 且曲线非线性。