元器件基礎學習筆記——結型場效應晶體管（JFET）

????????場效應晶體管（Field Effect Transistor，FET）簡稱場效應管，是一種三端子半導體器件，它根據施加到其其中一個端子的電場來控制電流的流動。與雙極結型晶體管（BJT）不同，場效應晶體管（FET）使用電場而不是電流來控制電荷的流動。FET 由三個主要組件組成：源極、漏極和柵極。源極負責提供電流，而漏極充當輸出端子。另一方面，柵極通過改變電場來控制源極和漏極之間的電流流動。

????????FET 主要分為三種類型：
????????●?結型場效應晶體管（JFET）
????????● 金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）
????????● 絕緣柵雙極晶體管（IGBT）

一、JFET結構

? ? ? ? JFET是三端子半導體器件，用作壓控電流源和壓控開關。控制端子稱為柵極，而電流流經源極和漏極端子。根據所用半導體材料的類型，結構可分為N溝道和P溝道 JFET：

????????N溝道JFET
? ? ? ? 1）結構
????????在N溝道JFET中，該溝道使用摻雜有供體雜質（例如磷、砷、銻和鉍）的N型半導體材料制成。帶有N+摻雜的觸點放置在通道的兩端，用作源極和漏極連接。柵極端子由P型材料制成，與N溝道形成兩個PN結。
? ? ? ? 2）符號
????????該符號在門上有一個指向通道的箭頭。箭頭的意義在于，如果柵極-源極結是正向偏置的，電流將流向柵極，流向溝道。在N溝道JFET中，電子是源自源極的電荷載流子。因此，電流流向在N溝道JFET中是從漏極到源極。

????????P溝道JFET
? ? ? ? 1）結構
????????相比之下，在P溝道JFET中，溝道使用P型半導體材料制成，該材料摻雜了受體雜質（例如硼、鋁和鎵）。帶有P+摻雜的歐姆觸點放置在通道的兩端，用作源極和漏極連接。柵極端子由N型材料制成，與P溝道形成兩個PN結。
? ? ? ? 2）符號
????????該符號在柵極上有一個箭頭指向遠離通道的箭頭，表示如果柵極-源極PN結正向偏置，電流將從柵極流出。在P溝道JFET中，空穴是源自源極的電荷載流子。因此，電流流向在P溝道JFET中是從源極到漏極。

二、JFET工作原理

????????JFET僅有一種工作模式——耗盡模式，這是由其物理結構決定的。不同于 MOSFET 有增強型和耗盡型之分，JFET 的導電溝道在制造時已存在，無需額外電壓誘導。即JFET 的導電溝道在柵極電壓 $V_{GS}=0 V$ 時已存在，此時漏極電流 $I_{D}$ 最大（即飽和電流 $I_{DSS}$ ）。通過施加反向柵極電壓，可以使PN結耗盡層變寬，溝道截面積減小，則 $I_{D}$ 隨之減小。?

????????讓我們通過類比水管來了解JFET的工作原理。在沒有障礙物的情況下，水順暢地流過水管。但是，如果擠壓水管，水流量就會減少，JFET的工作原理相同（下圖以N溝道JFET為例）。在這個類比中，水管代表JFET，水流對應于電流。電流可以通過使用控制電壓根據需要調整載流通道來控制。

? ? ? ? 更加真實的JFET工作模型

? ? ? ? 下面的橫截面圖顯示了一個N型半導體通道，其中有一個稱為柵極的P型區域擴散到N型通道中，形成一個反向偏置的PN結，當沒有施加外部電壓時，正是這個結在柵極區域周圍形成耗盡區。這個耗盡區在PN結周圍產生一個厚度不同的電位梯度，并通過減小其有效寬度來限制電流流過通道，從而增加通道本身的整體電阻。
????????然后我們可以看到，耗盡區最耗盡的部分位于柵極和漏極之間，而耗盡最少的區域位于柵極和源極之間。然后JFET的通道在施加零偏置電壓的情況下導通（即耗盡區的寬度接近零）。
????????無外部柵極電壓時，電流將從漏極流向源頭，電流大小僅受結點周圍小耗盡區的限制。

????????如果用一個小的負電壓施加在柵極，此時耗盡區的大小開始增加，減小了通道的整體有效面積，從而減少了流經它的電流，發生了一種“擠壓”效應。因此，通過施加反向偏置電壓，可以增加耗盡區的寬度，進而降低通道的導通。
????????由于PN結是反向偏置的，因此很少有電流會流入柵極連接。由于柵極電壓變得更小，溝道的寬度減小，直到漏極和源極之間不再有電流流過，這被稱為“夾斷”（類似于BJT的截止區域），通道閉合的電壓稱為“夾斷電壓”。

三、JFET特性曲線

? ? ? ? JFET輸入特性曲線
????????●?隨著 $V_{GS}$ 減小，耗盡區會阻塞溝道，導致 $I_{D}$ 減小， $I_{D}$ 與 $V_{GS}$ 的曲線呈二次函數關系。

$I_{D}=I_{DSS}\left ( 1-\frac{V_{GS}}{V_{P}} \right )^{2}\left ( V_{P}\leqslant V_{GS}\leqslant 0 \right )$

? ? ? ? ●?JFET 的導電溝道在 $V_{GS}=0V$ 時已存在，此時漏極電流最大（ $I_{D}=I_{DSS}$ ）
????????●?當施加反向柵壓時，PN結耗盡層變寬，溝道截面積減小， $I_{D}$ 隨之減小。當 $V_{GS}$ 達到夾斷電壓 $V_{P}$ 時，耗盡層完全閉合， $I_{D}\approx 0A$ 。

????????JFET輸出特性曲線
????????●?在 $V_{DS}$ 電壓較低時，電流與 $V_{DS}$ 近似成正比。
????????●?當 $V_{DS}$ 超過一定值后， $I_{D}$ 趨于恒定。使漏極電流達到恒定值的電壓稱為 $V_{DS\left ( sat \right )}$ ，電流的這一平坦區域稱為夾斷區。在該區域中，漏極電壓不影響溝道電流 $I_{D}$ ，此時晶體管可作為壓控電流源使用。
????????●?當 $V_{DS}$ 超過擊穿電壓 $V_{\left ( BR \right )DS}$ 后， $I_{D}$ 急劇增大，器件可能因過熱損壞。

四、JFET工作區域

? ? ? ? 以N溝道JFET為例，其V-I特性曲線如下：

????????截止區
? ? ? ? ●?條件：?? $V_{GS}\leq V_{P}$ （N 溝道）????????
???????????????????????? $V_{GS}\geq V_{P}$ （P 溝道）
? ? ? ? ●?特性：??柵極反向偏壓足夠大，耗盡層完全夾斷溝道（接近開路）
???????????????????????? $I_{D}\approx 0A$ （幾乎為0）
? ? ? ? ● 應用：? 模擬開關斷開狀態、截止電路

????????可變電阻區
? ? ? ? ●?條件：?? $V_{GS}> V_{P}$ 且 $V_{DS}< V_{GS}-V_{P}$ （N 溝道）
???????????????????????? $V_{GS}< V_{P}$ 且 $V_{DS}> V_{GS}-V_{P}$ （P 溝道）
? ? ? ? ●?特性：??漏源極間等效電阻 $R_{DS}$ 受 $V_{GS}$ 控制，類似于壓控電阻器（ $V_{GS}$ 越接近 $V_{P}$ 電阻越大）
???????????????????????? $I_{D}$ 與 $V_{DS}$ 近似線性相關， $I_{D}$ 隨 $V_{DS}$ 的增加而增加（未預夾斷）

$I_{D}\approx \frac{2I_{DSS}}{V_{P}^{2}}\left ( V_{GS}-V_{P} \right )V_{DS}-\frac{I_{DSS}}{V_{P}^{3}}V_{DS}^{2}$

? ? ? ? ● 應用：? 壓控電阻、模擬開關導通狀態

? ? ? ? 飽和區（恒流區）
? ? ? ? ●?條件：?? $V_{GS}< V_{P}$ 且 $V_{DS}> V_{GS}-V_{P}$ （N 溝道）
???????????????????????? $V_{GS}> V_{P}$ 且 $V_{DS}< V_{GS}-V_{P}$ （P 溝道）
? ? ? ? ●?特性：??等效電阻高（恒流特性）
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? $I_{D}$ 僅由 $V_{GS}$ 決定， $V_{DS}$ 增大時， $I_{D}$ 保持恒定（預夾斷后）

$I_{D}=I_{DSS}\left ( 1-\frac{V_{GS}}{V_{P}} \right )^{2}$

????????● 應用：? 放大電路、恒流源

? ? ? ? 擊穿區
? ? ? ? ●?條件：?? $V_{DS}> V_{\left ( BR \right )DS}$ （擊穿電壓）
? ? ? ? ●?特性：?? $V_{DS}$ 超過器件安全電壓極限
???????????????????????? $I_{D}$ 突然急劇增大，失去柵極控制
????????????????????????電阻急劇減小（器件損壞前呈低阻狀態）

五、JFET主要參數

5.1 直流參數

5.1.1?夾斷電壓

????????當漏源電壓 $V_{DS}$ 保持恒定時，使漏極電流 $I_{D}$ 減小到幾乎為零（或特定微小值，如1μA）所需的柵源電壓值即為夾斷電壓 $V_{P}$ 。
? ? ? ? ●?N溝道JFET：柵極需加負電壓才能夾斷導電溝道，因此 $V_{P}< 0V$
????????●?P溝道JFET：柵極需加正電壓才能夾斷導電溝道，因此 $V_{P} > 0V$

????????影響因素
????????●?不同型號JFET的 $V_{P}$ 差異顯著：功率JFET的 $V_{P}$ 絕對值更大
????????●?溝道摻雜濃度越高，耗盡層越難展寬， $V_{P}$ 絕對值越小

5.1.2 飽和電流

????????當柵源電壓 $V_{GS}=0V$ 時（柵極與源極短接）的漏電流，此時 JFET 工作在飽和區（恒流區），溝道處于預夾斷狀態，電流達到最大值且幾乎不隨 $V_{DS}$ ?變化。

? ? ? ? 飽和電流 $I_{D}$ 與夾斷電壓 $V_{P}$ 共同決定JFET轉移特性曲線，飽和區電流計算公式如下：

$I_{D}=I_{DSS}\left ( 1-\frac{V_{GS}}{V_{P}} \right )^{2}$

? ? ? ? 影響因素
????????●?溝道寬度：溝道越寬，橫截面積越大， $I_{DSS}$ 越大
????????●?溝道寬度：摻雜濃度越高，載流子密度越大， $I_{DSS}$ 越大
????????●?溫度： $I_{DSS}$ 具有負溫度系數，即溫度升高時 $I_{DSS}$ 減小（因為溫度升高導致PN結內建電場增強，耗盡層展寬，溝道有效寬度減小）

5.1.3 直流輸入電阻

????????柵極與源極之間的直流電阻，計算公式如下：

$R_{GS}=\frac{V_{GS}}{I_{GS}}$

????????正常工作時，JFET柵極與溝道之間的PN結處于反向偏置狀態，反向電流極小（一般為納安級），因此 $R_{GS}$ 極高（通常為 $10^{7}\sim 10^{13}\Omega$ ）。

????????影響因素
????????●?溫度：溫度升高會導致PN結反向漏電流增大， $R_{GS}$ 降低
????????● 反向電壓：當柵源電壓接近PN結擊穿電壓時，漏電流急劇增加， $R_{GS}$ 顯著下降
????????●?摻雜濃度：柵極和溝道的摻雜濃度越低，PN結耗盡層越寬，反向漏電流越小， $R_{GS}$ 越大

5.1.4 極間電容

? ? ? ? JFET極間電容是影響其高頻性能的關鍵參數，直接決定器件的頻率響應和開關速度。極間電容包括：

????????1）柵源電容 $C_{GS}$
????????柵極與源極之間的電容，由柵源 PN 結的耗盡層電容和金屬 - 半導體界面電容組成。
? ? ? ? 典型值：0.5~10 pF（取決于器件尺寸和工藝）。

? ? ? ? 2）柵漏電容 $C_{GD}$ （又稱密勒電容）
????????柵極與漏極之間的電容，由柵漏 PN 結的耗盡層電容和跨接在柵漏間的寄生電容組成。
????????典型值：0.1~5 pF（通常小于 $C_{GS}$ ）

? ? ? ? 3）漏源電容 $C_{DS}$
????????漏極與源極之間的電容，主要由溝道與襯底之間的耗盡層電容構成。
????????典型值：0.1~3 pF（一般情況下，數值最小）

????????影響因素
????????●?耗盡層電容效應：柵極與溝道之間的PN結處于反向偏置狀態時， $\left | V_{GS}\right |$ 增大會導致耗盡層變寬，電容減小。（例：當 $V_{GS}$ ?從-1V變為-3V 時， $C_{GS}$ 可能從5pF降至2pF）
????????●?溝道面積：面積越大，極間電容越大
????????●?柵極厚度：柵極越薄， $C_{GD}$ 越小

5.2 交流參數

5.2.1 跨導

? ? ? ? 當 $V_{DS}$ 為常數時，漏極電流變化量與柵源電壓變化量之比為跨導，它反應的是柵源電壓變化量對漏極電流變化量的控制能力（也可以理解為輸出特性曲線上某點的斜率）。計算公式如下：

$g_{m}=\frac{\Delta I_{D}}{\Delta V_{GS}}$ （ $V_{DS}$ 為常數）

? ? ? ? 單位為西門子（S）。

? ? ? ? JFET 通過柵源電壓 $V_{GS}$ 控制溝道寬度，進而調節漏極電流 $I_{D}$ ，類似于BJT的電流放大系數β，但 $g_{m}$ ?描述的是電壓對電流的控制能力。

????????影響因素
????????●?器件參數： $I_{DSS}$ 越大， $g_{m}$ 越大； $\left | V_{P}\right |$ 越小， $g_{m}$ 越大
????????● 溫度：溫度升高時 $g_{m}$ 減小（溫度升高導致載流子遷移率降低，溝道電阻增大）

5.2.2 輸出電阻

? ? ? ? 在柵源電壓 $V_{GS}$ 恒定的情況下，漏極電壓 $V_{DS}$ 變化量與漏極電流 $I_{D}$ 變化量之比為輸出電阻，它反映了漏極電壓 $V_{DS}$ 對漏極電流 $I_{D}$ 的影響。計算公式如下：

$r_{ds}=\frac{\Delta V_{DS}}{\Delta I_{D}}$ （ $V_{GS}$ 為常數）

????????在理想情況下，JFET 進入飽和區后， $I_{D}$ 幾乎不隨 $V_{DS}$ ?變化，此時 $r_{ds}$ 理論上為無窮大。但實際中，由于溝道長度調制效應的存在， $r_{ds}$ 為有限值，且通常較大。

????????溝道長度調制效應
????????JFET在飽和區工作時，漏極電壓 $V_{DS}$ 變化會導致有效導電溝道長度發生改變，進而影響漏極電流 $I_{D}$ 的現象，具體表現為：
????????當 $V_{DS}$ 超過飽和電壓 $V_{DS\left ( sat \right )}$ 后，漏極附近的耗盡層會隨 $V_{DS}$ 增大而展寬，導致導電溝道的有效長度縮短；溝道縮短會使溝道電阻減小，從而導致 $I_{D}$ 隨 $V_{DS}$ 輕微增大。
????????●?溝道長度越短，耗盡層展寬影響越大，效應更明
????????●?溝道摻雜濃度越低，耗盡層越容易展寬，效應更明顯

????????影響因素
????????●?溝道長度調制效應
????????●?摻雜濃度：溝道摻雜濃度越高，耗盡層越難擴展，溝道長度調制效應越弱， $r_{ds}$ 越大

5.3 極限參數

5.3.1 柵源擊穿電壓

????????JFET柵源擊穿電壓 $V_{GS\left (BR \right )}$ 是柵源之間的PN結發生擊穿時的最小電壓值，一旦柵源電壓 $V_{GS}$ 達到或者超過 $V_{GS\left (BR \right )}$ 時，PN結就會因雪崩擊穿或齊納擊穿而失去反向阻斷能力，導致柵極電流急劇增加，進而可能永久性損壞器件。
????????●?N溝道JFET： $V_{GS\left (BR \right )}$ 為負值，柵極需要施加負電壓才能實現反向偏置
????????● P溝道JFET： $V_{GS\left (BR \right )}$ 為正值，柵極需要施加正電壓才能實現反向偏置

????????影響因素
????????● 溝道摻雜濃度：溝道摻雜濃度降低時，PN 結的耗盡層會變寬，從而使得擊穿電壓升高
????????● 柵極摻雜濃度：柵極摻雜濃度升高時，PN 結的耗盡層會變寬，從而使得擊穿電壓升高
????????● 溫度：對于雪崩擊穿（正溫度系數），溫度升高會使得擊穿電壓升高；對于雪崩擊穿（負溫度系數），溫度升高會使得擊穿電壓降低
????????● 溝道長度：溝道長度較短時電場分布更為集中，因此更容易發生擊穿，其擊穿電壓相對較低

雪崩擊穿（Avalanche Breakdown）

????????原理

????????反向電壓使載流子（電子/空穴）被電場加速，獲得足夠動能后碰撞晶格原子，激發新的電子-空穴對（碰撞電離）。新載流子繼續碰撞，形成連鎖反應（雪崩效應），電流激增。

????????? 依賴載流子碰撞電離的累積效應
????????? 發生在高摻雜、厚耗盡層的 PN 結

????????特點

????????? 擊穿電壓較高（通常 > 6V）
????????? 溫度系數為正（溫度↑，擊穿電壓↑）

齊納擊穿（Zener Breakdown）

????????原理

????????當 PN 結反向電壓足夠高時，耗盡層內強電場直接拉拽共價鍵中的價電子，使其脫離原子成為自由電子（場致激發），形成大量載流子，導致電流劇增。

????????? 無需載流子碰撞，僅靠電場直接電離
????????? 發生在低摻雜、薄耗盡層的 PN 結

????????特點

????????? 擊穿電壓較低（通常 <?6V）
????????? 溫度系數為負（溫度↑，擊穿電壓↓）

5.3.2 漏源擊穿電壓

????????JFET漏源擊穿電壓 $V_{DS\left (BR \right )}$ 是指漏極與源極之間發生擊穿時的最小電壓值，一旦漏源電壓 $V_{DS}$ 超過 $V_{DS\left (BR \right )}$ 時，漏極電流會急劇增大，器件可能因過熱或電場破壞而永久損壞。
????????影響因素
????????●?摻雜濃度：溝道摻雜濃度越低，耗盡層越寬，擊穿前能承受的電場強度越高， $V_{DS\left (BR \right )}$ 越大
????????●?溝道長度：溝道越長，耗盡層擴展至擊穿所需電壓越高（擊穿電壓與溝道長度近似成正比）

5.3.3 最大電流

????????JFET最大漏源電流 $I_{DM}$ 是JFET在不發生永久性損壞的前提下，允許通過漏源極的最大直流或脈沖電流。它由器件的內部結構、材料特性（如半導體摻雜濃度、溝道尺寸）以及封裝散熱能力共同決定。

????????影響因素
????????●?器件結構與材料
????????????????溝道越寬（截面積越大）， $I_{DSS}$ 越大
????????????????摻雜濃度越大， $I_{DSS}$ 越大
????????●?工作溫度：溫度升高會導致半導體材料的載流子遷移率下降，同時散熱難度增加，因此?IDM??通常隨溫度升高而降低
????????●?封裝與散熱：封裝影響器件的散熱能力，散熱不良時，即使電流未達到標稱? $I_{DM}$ ，也可能因過熱損壞

? ? ? ? 注： $I_{DM}$ 是器件的極限參數，通常大于或等于 $I_{DSS}$

5.3.4 耗散功率

? ? ? ? JFET耗散功率 $P_{D}$ 是指器件在工作過程中因電流流過電阻而產生的熱功率損耗，主要來源于溝道電阻產生的焦耳熱，計算公式為：

$P_{D}=I_{DS}\cdot V_{DS}=I_{DS}^{2}\cdot R_{DS(on)}$

? ? ? ? JFET最大耗散功率 $P_{DM}$ 是指在正常工作條件下允許的最大平均耗散功率，即器件在單位時間內能夠安全散發的最大熱量。它是衡量JFET熱穩定性的關鍵參數，直接由器件的熱設計（如芯片材料、封裝結構、散熱能力）和結溫限制決定。 $P_{DM}$ 理論值計算公式如下：

$P_{DM}=\frac{T_{J}-T_{A}}{R_{\theta JA}}$

???????? $T_{J}$ ：JFET最高允許結溫
???????? $T_{A}$ ：室溫（通常為25℃）
???????? $R_{\theta JA}$ ：結到環境的熱阻

????????實際應用時的降額計算

????????當實際環境溫度大于室溫時，需按比例降額，公式為：

$P_{DM\left ( Actual\right )}=P_{DM\left ( theoretical \right )}\cdot \left ( 1-\frac{T_{A\left ( Actual \right )}-T_{A}}{T_{J}-T_{A}} \right )$

某N溝道JFET參數如下：

???????? $T_{J}$ 為150℃， $R_{\theta JA}$ 為125℃/W，實際工作溫度85℃，計算 $P_{DM}$ 。

1）計算最大耗散功率理論值

PDM =（ 125℃ - 25℃ ）/ 125℃/W = 1W

2）計算溫差

?T = 85℃ - 25℃ = 60℃

3）計算結溫裕量

?TJ = 150℃ - 25℃ = 125℃

4）計算降額系數

降額系數 = 1 - （ 60℃ / 125℃ ）= 0.52

5）計算實際

PDM（理論值）= 1W × 0.52 = 0.52 W