２．２ＦＥＴ的工作原理

２．２．１ＪＦＥＴ与ＭＯＳＦＥＴ

双极晶体管只有ＮＰＮ和ＰＮＰ两种类型，ＦＥＴ的分类则稍微复杂。

如图２．６所示，ＦＥＴ按照结构可以分为结型ＦＥＴ（ＪＦＥＴ：ＪｕｎｃｔｉｏｎＦＥＴ）和绝缘栅ＦＥＴ（ＭＯＳＦＥＴ：ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦＥＴ）。

按照电学特性，ＭＯＳＦＥＴ又可以分为耗尽型（ｄｅｌｅｔｉｏｎ）与增强型（ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ）两类。它们又可以进一步分为Ｎ沟型（与双极晶体管的ＮＰＮ型相当）和Ｐ沟型（与双极晶体管的ＰＮＰ型相当）。

从实际ＦＥＴ的型号中完全看不出ＪＦＥＴ与ＭＯＳＦＥＴ、耗尽型与增强型的区别。仅仅是Ｎ沟器件为２ＳＫ×××（也有双栅的３ＳＫ×××），Ｐ沟器件为２ＳＪ×××，以区别Ｎ沟和Ｐ沟器件。 

图２．６ＦＥＴ的种类
（ＦＥＴ分为ＪＦＥＴ和ＭＯＳＦＥＴ。ＭＯＳＦＥＴ按照电学特性又分为耗尽型和增强型，它们各自又有Ｎ沟型和Ｐ沟型）

２．２．２ＦＥＴ的结构

图２．７是ＦＥＴ简单的的结构示意图（Ｐ沟ＦＥＴ是Ｐ型半导体部分与Ｎ型半导体部分互换）。

图２．７ＦＥＴ的结构
（ＪＦＥＴ工作时栅极与沟道间的二极管处于截止状态，所以几乎没有电流流过栅极。ＭＯＳＦＥＴ的栅极与沟道间有绝缘膜，电流的流动更困难） 

如图２．８所示，双极晶体管的基极发射极间以及基极集电极间分别是两个ＰＮ结，就是说存在着二极管。ＪＦＥＴ的栅极与沟道（把输出电路流过漏极源极间的部分称为沟道）间有ＰＮ结，所以认为存在着二极管（由于有ＰＮ结，所以称为结型ＦＥＴ）。

图２．８晶体管的ＰＮ结
（晶体管有两个ＰＮ结。可以把ＰＮ结看作是二极管，晶体管可以认为是基极发射极间以及基极集电极间各有一个二极管） 

双极晶体管的基极发射极间的二极管总是工作在导通状态，而ＪＦＥＴ的栅极沟道间的二极管工作在截止状态。

因此ＦＥＴ的栅极沟道间流过的电流很小，只相当于二极管的反向漏电流，所以器件本身的输入阻抗比双极晶体管高得多（约１０８～１０１２Ω）。

ＭＯＳＦＥＴ的栅极是由金属构成的，它与半导体沟道之间有一层绝缘膜，形成三层结构。所谓ＭＯＳ，就是因为实际的结构是由金属（Ｍ）、绝缘膜（如氧化膜，Ｏ）和半导体（Ｓ）组成。

ＭＯＳＦＥＴ的特点是栅极与沟道间有绝缘膜，栅极与沟道是绝缘的，所以流过栅极的电流比ＪＦＥＴ还要小很多。因此，输入阻抗也比ＪＦＥＴ高得多（约１０１２～１０１４Ω）。

２．２．３ＦＥＴ的电路符号

图２．９是各种ＦＥＴ的电路符号。晶体管电路符号中的箭头表示电流流动的方向，而ＦＥＴ的箭头不代表电流的方向，仅仅表示极性（从图２．７看出它表示ＰＮ结的极性）。

图２．９ＦＥＴ的电路符号
（晶体管的电路符号中的箭头表示电流流动的方向，而ＦＥＴ的箭头不表示电流的方向，仅仅表示极性）

ＪＦＥＴ在结构和电路符号上都没有标记出漏极与源极的区别，这就是说它们没有区别。

一般来说ＪＦＥＴ的漏极与源极间即使相互调换也能够正常工作。图２．９的电路中使用的ＦＥＴ实际上就是ＪＦＥＴ。这个电路中，即使将源极与漏极互换对于器件的工作以及性能没有任何影响。

之所以与晶体管不同，是因为ＪＦＥＴ的源极与漏极之间没有ＰＮ结，是由同一导电类型的半导体（Ｎ沟器件是Ｎ型，Ｐ沟器件是Ｐ型）制作的。

但是，制造高频应用的ＪＦＥＴ器件时源极与漏极的形状有物理性的变化， 两个ＦＥＴ串联连接（称为级联）时，漏极与源极有区别，如果调换就无法工作。 

ＭＯＳＦＥＴ的漏极与源极的结构和符号都有区别。因此，就不能将漏极与源极调换工作。

２．２．４ＪＦＥＴ的传输特性

ＦＥＴ是通过栅极上所加的电压控制漏极源极间电流的电压控制器件。

描述ＦＥＴ性质最常用的方法是叫做传输特性的曲线，它表示漏极电流Ｄ与栅极源极间电压ＧＳ的关系。

图２．１０是ＪＦＥＴ 的传输特性。

图２．１０ＦＥＴ的传输特性
（把Ｄ关于ＧＳ的曲线称为传输特性，是ＦＥＴ最重要的性质。ｍ相当于晶体管的ＦＥ）

当栅极源极间电压ＧＳ为０Ｖ时ＪＦＥＴ的漏极电流Ｄ最大。这时的漏极电流叫做漏极饱和电流ＤＳＳ。

ＪＦＥＴ的ＤＳＳ是漏极源极间所能够流过的最大电流。除非ＦＥＴ损坏，否则不会有超过ＤＳＳ的漏极电流。所以，ＪＦＥＴ具有限制电流的作用。

一般的ＦＥＴ中，ＤＳＳ为１ｍＡ至数十ｍＡ（实际上可以流过比ＤＳＳ稍大一些的电流）。

我们分析图２．１０（ａ）所示的Ｎ沟ＪＦＥＴ的曲线。ＧＳ从０Ｖ向负方向增大时Ｄ减小，最终变为零，这时的ＧＳ叫做夹断电压。当ＧＳ在负方向比更大时，Ｎ沟ＪＦＥＴ处于截止状态。

把ＧＳ在负电压范围时Ｄ的流动称为耗尽特性。

Ｐ沟ＪＦＥＴ的Ｄ、ＧＳ、ＤＳＳ、的极性与Ｎ沟情况相反。

２．２．５放大倍数是跨导ｍ

双极晶体管是以流过的基极电流Ｂ控制集电极电流Ｃ，所以Ｂ与Ｃ之比———

直流电流放大系数ＦＥ就成为器件的重要特性。

对于ＦＥＴ，如图２．１０所示，是通过改变栅极源极间电压ＧＳ控制漏极电流D的，所以ＧＳ与Ｄ之比就成为器件的重要特性。把这个比值称为跨导ｍ（也叫做正向传输导纳ｆｓ），用下式表示：

（２．１）

式中，Δ ＧＳ为ＧＳ的变化量，Δ Ｄ为Ｄ的变化量。

图２．１０的传输特性中曲线的斜率相当于ｍ，它的单位是电流与电压之比，即Ｓ（西［门子］）。

ｍ意味着当输入电压（ＧＳ）变化时输出电流（Ｄ）会有多大的变化，可以认为是器件本身电流对电压的增益。在使用ＦＥＴ的放大电路中，ｍ愈大则电路的增益愈大，具有能够减小输出阻抗的优点。

但是，ｍ大的ＦＥＴ存在着输入电容大因而高频特性差，流过栅极的漏电流大（输入阻抗低）等缺点。

２．２．６实际器件的跨导

图２．１１是图２．１电路中使用的Ｎ沟ＪＦＥＴ２ＳＫ１８４（东芝）的传输特性。图中的多根曲线说明器件特性存在分散性。

图２．１１２ＳＫ１８４的传输特性（即使同一型号的ＦＥＴ，ＤＳＳ的分散性也会很大。因此，Ｄ为１ｍＡ时的ＧＳ会在－０．７～－０．１Ｖ范围变动。但是不论什么样的双极晶体管，它们的ＢＥ都在０．６～０．７Ｖ之间）

实际的ＦＥＴ的漏极饱和电流ＤＳＳ具有较大的分散性。由于ＤＳＳ的原因，使得Ｄ为零时的电压———夹断电压也有变化。

双极晶体管的特性是按直流电流放大系数值ＦＥ分档次的。但是对于ＦＥＴ不是按跨导ｍ而是按ＤＳＳ区分档次。

ｍ与ＤＳＳ之间有关系，ＤＳＳ愈大，ｍ也愈大（如果是同型号的ＦＥＴ，ＤＳＳ愈大，传输特性曲线的斜率愈大，因而ｍ也大）。

表２．１是２ＳＫ１８４的ＤＳＳ各档次。东芝器件的ＤＳＳ、ＦＥ的档次是用Ｙ（黄）、Ｒ（红）等颜色标记的。有的公司是用罗马字母标记的。

表２．１　２ＳＫ１８４的ＤＳＳ分档（ＪＦＥＴ的ＤＳＳ的分散性大，因此按照ＤＳＳ的值进行分档）

　　
图２．１的电路中，Ｄ约为１ｍＡ，由图２．１１看出，由于电路中使用的ＦＥＴ的ＤＳＳ值存在分散性，ＧＳ在－０．７～－０．１Ｖ的范围内变动。

照片２．８是图２．１电路中使用的２ＳＫ１８４的栅极电位与源极电位Ｓ的波形（设定输入信号ｉ为１ｋＨｚ，０．５Ｖ）。

照片２．８２ＳＫ１８４的与ｓ的波形
（０．５Ｖ／ｄｉｖ，２００ｓ／ｄｉｖ）（使用２ＳＫ１８４的图２．１的电路中，ＧＳ———与ｓ的直流成分之差为－０．４Ｖ）

由于ＧＳ是与ｓ的直流成分之差，从照片看出这里使用的２ＳＫ１８４的ＧＳ为－０．４Ｖ（以源极电位为基准，所以是负值）。因此，从图２．１１中Ｄ为１ｍＡ的线与ＧＳ＝－０．４Ｖ的线的交叉点可以看出这里使用的２ＳＫ１８４的ＤＳＳ约为６．５ｍＡ。

实际上设计电路时的情况与此相反，从所使用ＦＥＴ的ＤＳＳ档次找到ＤＳＳ，从传输特特性曲线确定电路工作点的ＧＳ值 。

２．２．７ＭＯＳＦＥＴ的传输特性

图２．１２是ＭＯＳＦＥＴ的传输特性。ＭＯＳＦＥＴ器件中除有与ＪＦＥＴ相同的耗尽特性外，还有增强特性。

对于Ｎ沟ＭＯＳＦＥＴ，增强特性是指当ＧＳ不在正的电压范围时就没有Ｄ流过（Ｐ沟时ＧＳ的极性相反）。

ＭＯＳＦＥＴ的耗尽特性与ＪＦＥＴ的耗尽特性稍有不同，对于Ｎ沟器件即使ＧＳ为正，Ｄ仍持续流动（Ｐ沟情况下即使ＧＳ为负，Ｄ仍持续流动）。耗尽型ＭＯＳＦＥＴ的ＤＳＳ不是漏极源极间所流过的最大电流，只是ＧＳ＝０Ｖ时的漏极电流Ｄ值。

图２．１２ＭＯＳＦＥＴ的传输特性
（ＭＯＳＦＥＴ有耗尽型和增强型两种特性。耗尽型与ＪＦＥＴ不同，即使越过ＧＳ＝０Ｖ，Ｄ仍继续流动） 

耗尽型ＭＯＳＦＥＴ由于ＧＳ＝０Ｖ时仍有Ｄ流过（所谓ＮｏｒｍａｌｌＯＮ器件），所以很难应用在开关电路或者功率放大电路中。但是，它的优点是在高频放大电路中容易构成偏置电路 ，所以高频放大用的ＭＯＳＦＥＴ几乎都是耗尽型的。

对于ＧＳ＝０Ｖ时Ｄ为零的增强型ＭＯＳＦＥＴ（所谓ＮｏｒｍａｌｌＯＦＦ器件），如果把ＢＥ当成ＧＳ，就可以采用与晶体管相同的偏置方法，所以可以与晶体管相互置换使用。

目前，应用于开关、调节器的开关器件或电动机驱动电路等功率放大电路的ＭＯＳＦＥＴ（所谓的功率ＭＯＳ）几乎都是增强型器件。ＪＦＥＴ能限制ＤＳＳ以上的漏极电流，具有电流限制作用。但是ＭＯＳＦＥＴ，不论是耗尽型还是增强型，ＧＳ愈大漏极电流愈大，所以没有电流限制作用。

２．２．８ＭＯＳＦＥＴ的跨导

ＭＯＳＦＥＴ的跨导ｍ与ＪＦＥＴ相同，是传输函数曲线的斜率，即ΔＧＳ与Δ Ｄ之比。图２．１３是高频放大用Ｎ沟ＭＯＳＦＥＴ２ＳＫ２４１（东芝）的传输特性。这个ＦＥＴ是耗尽型器件，ＧＳ在负电压区时有电流流出，即使ＧＳ越过０Ｖ，Ｄ仍然相应地继续增加。多根曲线表明ＤＳＳ的分散性。 

图２．１３２ＳＫ２４１的传输特性
（２ＳＫ２４１是用于高频放大的Ｎ沟ＭＯＳＦＥＴ。传输特性是耗尽型，Ｄ从ＧＳ负的区域流出） 

图２．１４是开关用Ｎ沟ＭＯＳＦＥＴ２ＳＫ６１２（ＮＥＣ）的传输特性。这种ＦＥＴ是增强型器件，可以看出如果ＧＳ不是在正电压区，就没有Ｄ流出。

图 ２．１４２ＳＫ６１２的传输特性
（２ＳＫ６１２是用于开关的Ｎ沟ＭＯＳＦＥＴ。传输特性是增强型，当ＧＳ不在正的区域时没有Ｄ流出）

这里我们稍微分析一下用这两种ＭＯＳＦＥＴ器件２ＳＫ２４１和２ＳＫ６１２替代图２．１电路中的ＪＦＥＴ时电路的工作情况。

照片２．９和照片２．１０是这时的栅极电位和源极电位ｓ的波形（输入电压ｉ与照片２．８中相同，即１ｋＨｚ，０．５Ｖ）。

对于２ＳＫ２４１，如照片２．９所示ＧＳ为－０．５Ｖ。这与２ＳＫ１８４的ＧＳ值基本相同。如从图２．１３所看到的那样，当漏极电流Ｄ为１ｍＡ时，ＧＳ还处于负的区域，不是正值。

照片２．９使用２ＳＫ２４１时的与ｓ的波形（０．５Ｖ／ｄｉｖ，２００ｓ／ｄｉｖ）
（图２．１电路中使用２ＳＫ２４１时，ＧＳ＝－０．５Ｖ） 

照片２．１０使用２ＳＫ６１２时的与ｓ的波形（０．５Ｖ／ｄｉｖ，２００ｓ／ｄｉｖ）
（图２．１电路中使用２ＳＫ６１２时，ＧＳ＝＋１．３Ｖ） 

２ＳＫ６１２的情况如照片２．１０所示，ＧＳ为＋１．３Ｖ。因为２ＳＫ６１２是增强型器件，所以如从图２．１４所看到的那样，ＧＳ是正值。

这样，即使同一电路中使用结构和电学特性完全不同的ＦＥＴ，都能够很方便地使其正常工作。

但是，对于２ＳＫ２４１和２ＳＫ６１２来说，由于是替换２ＳＫ１８４，它们的工作点与２ＳＫ１８４的工作点（Ｄ＝１ｍＡ）稍有不同，这时因ＦＥＴ的型号而会导致的ＧＳ不同。实际设计时，根据所使用ＦＥＴ的传输特性求出ＧＳ确定工作点就可以了。

后面的电路设计一章将对此作详细说明。