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的分類則稍微復雜。

如圖２．６所示，ＦＥＴ按照結構可以分為結型ＦＥＴ（ＪＦＥＴ：ＪｕｎｃｔｉｏｎＦＥＴ）和絕緣柵ＦＥＴ（ＭＯＳＦＥＴ：ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦＥＴ）。

按照電學特性，ＭＯＳＦＥＴ又可以分為耗盡型（ｄｅｌｅｔｉｏｎ）與增強型（ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ）兩類。它們又可以進一步分為Ｎ溝型（與雙極晶體管的ＮＰＮ型相當）和Ｐ溝型（與雙極晶體管的ＰＮＰ型相當）。

從實際ＦＥＴ的型號中完全看不出ＪＦＥＴ與ＭＯＳＦＥＴ、耗盡型與增強型的區別。僅僅是Ｎ溝器件為２ＳＫ×××（也有雙柵的３ＳＫ×××），Ｐ溝器件為２ＳＪ×××，以區別Ｎ溝和Ｐ溝器件。 

圖２．６ＦＥＴ的種類
（ＦＥＴ分為ＪＦＥＴ和ＭＯＳＦＥＴ。ＭＯＳＦＥＴ按照電學特性又分為耗盡型和增強型，它們各自又有Ｎ溝型和Ｐ溝型）

２．２．２ＦＥＴ的結構

圖２．７是ＦＥＴ簡單的的結構示意圖（Ｐ溝ＦＥＴ是Ｐ型半導體部分與Ｎ型半導體部分互換）。

圖２．７ＦＥＴ的結構
（ＪＦＥＴ工作時柵極與溝道間的二極管處于截止狀態，所以幾乎沒有電流流過柵極。ＭＯＳＦＥＴ的柵極與溝道間有絕緣膜，電流的流動更困難） 

如圖２．８所示，雙極晶體管的基極發射極間以及基極集電極間分別是兩個ＰＮ結，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，所以認為存在著二極管（由于有ＰＮ結，所以稱為結型ＦＥＴ）。

圖２．８晶體管的ＰＮ結
（晶體管有兩個ＰＮ結。可以把ＰＮ結看作是二極管，晶體管可以認為是基極發射極間以及基極集電極間各有一個二極管） 

雙極晶體管的基極發射極間的二極管總是工作在導通狀態，而ＪＦＥＴ的柵極溝道間的二極管工作在截止狀態。

因此ＦＥＴ的柵極溝道間流過的電流很小，只相當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的柵極是由金屬構成的，它與半導體溝道之間有一層絕緣膜，形成三層結構。所謂ＭＯＳ，就是因為實際的結構是由金屬（Ｍ）、絕緣膜（如氧化膜，Ｏ）和半導體（Ｓ）組成。

ＭＯＳＦＥＴ的特點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

圖２．９是各種ＦＥＴ的電路符號。晶體管電路符號中的箭頭表示電流流動的方向，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結的極性）。

圖２．９ＦＥＴ的電路符號
（晶體管的電路符號中的箭頭表示電流流動的方向，而ＦＥＴ的箭頭不表示電流的方向，僅僅表示極性）

ＪＦＥＴ在結構和電路符號上都沒有標記出漏極與源極的區別，這就是說它們沒有區別。

一般來說ＪＦＥＴ的漏極與源極間即使相互調換也能夠正常工作。圖２．９的電路中使用的ＦＥＴ實際上就是ＪＦＥＴ。這個電路中，即使將源極與漏極互換對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，是因為ＪＦＥＴ的源極與漏極之間沒有ＰＮ結，是由同一導電類型的半導體（Ｎ溝器件是Ｎ型，Ｐ溝器件是Ｐ型）制作的。

但是，制造高頻應用的ＪＦＥＴ器件時源極與漏極的形狀有物理性的變化， 兩個ＦＥＴ串聯連接（稱為級聯）時，漏極與源極有區別，如果調換就無法工作。 

ＭＯＳＦＥＴ的漏極與源極的結構和符號都有區別。因此，就不能將漏極與源極調換工作。

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性質最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的關系。

圖２．１０是ＪＦＥＴ 的傳輸特性。

圖２．１０ＦＥＴ的傳輸特性
（把Ｄ關于ＧＳ的曲線稱為傳輸特性，是ＦＥＴ最重要的性質。ｍ相當于晶體管的ＦＥ）

當柵極源極間電壓ＧＳ為０Ｖ時ＪＦＥＴ的漏極電流Ｄ最大。這時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最大電流。除非ＦＥＴ損壞，否則不會有超過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至數十ｍＡ（實際上可以流過比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向負方向增大時Ｄ減小，最終變為零，這時的ＧＳ叫做夾斷電壓。當ＧＳ在負方向比更大時，Ｎ溝ＪＦＥＴ處于截止狀態。

把ＧＳ在負電壓范圍時Ｄ的流動稱為耗盡特性。

Ｐ溝ＪＦＥＴ的Ｄ、ＧＳ、ＤＳＳ、的極性與Ｎ溝情況相反。

２．２．５放大倍數是跨導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ＦＥ就成為器件的重要特性。

對于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。把這個比值稱為跨導ｍ（也叫做正向傳輸導納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于ｍ，它的單位是電流與電壓之比，即Ｓ（西［門子］）。

ｍ意味著當輸入電壓（ＧＳ）變化時輸出電流（Ｄ）會有多大的變化，可以認為是器件本身電流對電壓的增益。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點。

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。

２．２．６實際器件的跨導

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（即使同一型號的ＦＥＴ，ＤＳＳ的分散性也會很大。因此，Ｄ為１ｍＡ時的ＧＳ會在－０．７～－０．１Ｖ范圍變動。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值ＦＥ分檔次的。但是對于ＦＥＴ不是按跨導ｍ而是按ＤＳＳ區分檔次。

ｍ與ＤＳＳ之間有關系，ＤＳＳ愈大，ｍ也愈大（如果是同型號的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）等顏色標記的。有的公司是用羅馬字母標記的。

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的范圍內變動。

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（設定輸入信號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，所以是負值）。因此，從圖２．１１中Ｄ為１ｍＡ的線與ＧＳ＝－０．４Ｖ的線的交叉點可以看出這里使用的２ＳＫ１８４的ＤＳＳ約為６．５ｍＡ。

實際上設計電路時的情況與此相反，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，還有增強特性。

對于Ｎ溝ＭＯＳＦＥＴ，增強特性是指當ＧＳ不在正的電壓范圍時就沒有Ｄ流過（Ｐ溝時ＧＳ的極性相反）。

ＭＯＳＦＥＴ的耗盡特性與ＪＦＥＴ的耗盡特性稍有不同，對于Ｎ溝器件即使ＧＳ為正，Ｄ仍持續流動（Ｐ溝情況下即使ＧＳ為負，Ｄ仍持續流動）。耗盡型ＭＯＳＦＥＴ的ＤＳＳ不是漏極源極間所流過的最大電流，只是ＧＳ＝０Ｖ時的漏極電流Ｄ值。

圖２．１２ＭＯＳＦＥＴ的傳輸特性
（ＭＯＳＦＥＴ有耗盡型和增強型兩種特性。耗盡型與ＪＦＥＴ不同，即使越過ＧＳ＝０Ｖ，Ｄ仍繼續流動） 

耗盡型ＭＯＳＦＥＴ由于ＧＳ＝０Ｖ時仍有Ｄ流過（所謂ＮｏｒｍａｌｌＯＮ器件），所以很難應用在開關電路或者功率放大電路中。但是，它的優點是在高頻放大電路中容易構成偏置電路 ，所以高頻放大用的ＭＯＳＦＥＴ幾乎都是耗盡型的。

對于ＧＳ＝０Ｖ時Ｄ為零的增強型ＭＯＳＦＥＴ（所謂ＮｏｒｍａｌｌＯＦＦ器件），如果把ＢＥ當成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，應用于開關、調節器的開關器件或電動機驅動電路等功率放大電路的ＭＯＳＦＥＴ（所謂的功率ＭＯＳ）幾乎都是增強型器件。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

ＭＯＳＦＥＴ的跨導ｍ與ＪＦＥＴ相同，是傳輸函數曲線的斜率，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ＦＥＴ是耗盡型器件，ＧＳ在負電壓區時有電流流出，即使ＧＳ越過０Ｖ，Ｄ仍然相應地繼續增加。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負的區域流出） 

圖２．１４是開關用Ｎ溝ＭＯＳＦＥＴ２ＳＫ６１２（ＮＥＣ）的傳輸特性。這種ＦＥＴ是增強型器件，可以看出如果ＧＳ不是在正電壓區，就沒有Ｄ流出。

圖 ２．１４２ＳＫ６１２的傳輸特性
（２ＳＫ６１２是用于開關的Ｎ溝ＭＯＳＦＥＴ。傳輸特性是增強型，當ＧＳ不在正的區域時沒有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時電路的工作情況。

照片２．９和照片２．１０是這時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，當漏極電流Ｄ為１ｍＡ時，ＧＳ還處于負的區域，不是正值。

照片２．９使用２ＳＫ２４１時的與ｓ的波形（０．５Ｖ／ｄｉｖ，２００ｓ／ｄｉｖ）
（圖２．１電路中使用２ＳＫ２４１時，ＧＳ＝－０．５Ｖ） 

照片２．１０使用２ＳＫ６１２時的與ｓ的波形（０．５Ｖ／ｄｉｖ，２００ｓ／ｄｉｖ）
（圖２．１電路中使用２ＳＫ６１２時，ＧＳ＝＋１．３Ｖ） 

２ＳＫ６１２的情況如照片２．１０所示，ＧＳ為＋１．３Ｖ。因為２ＳＫ６１２是增強型器件，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構和電學特性完全不同的ＦＥＴ，都能夠很方便地使其正常工作。

但是，對于２ＳＫ２４１和２ＳＫ６１２來說，由于是替換２ＳＫ１８４，它們的工作點與２ＳＫ１８４的工作點（Ｄ＝１ｍＡ）稍有不同，這時因ＦＥＴ的型號而會導致的ＧＳ不同。實際設計時，根據所使用ＦＥＴ的傳輸特性求出ＧＳ確定工作點就可以了。

后面的電路設計一章將對此作詳細說明。