目标

• 描述场效应管(FET)的基本分类
• 描述结型场效应管(JFET)的结构和工作原理
• 描述JFET的三种偏置方法以及它们的工作原理
• 解释金属-氧化物半导体场效应管(MOSFET)的工作原理
• 讨论和分析MOSFET偏置电路
• 描述FET线性放大器的工作原理
• 讨论MOSFET模拟和数字开关电路

本章介绍场效应管(FET)，一种与双极结型晶体管(BJT)工作原理完全不一样的晶体管。虽然FET的发明要比 BJT 早数十年，但直到20世纪60年代，FET 才实现了商业生产。在某些应用中，FET 优于 BJT。在其他领域，一般混合采用两种晶体管，以获得性能最优的电路。FET主要分为两类，一类称为结型场效应管(JFET)，另一类称为金属-氧化物半导体FET(MOSFET)。尽管 MOSFET 是实际中更为常用的器件，但是 JFET 的结构更加简单，和 MOSFET 也有很多相同的基本特性，因此本书还是首先讨论 JFET 的相关内容。

在本章中，JFET 和 MOSFET 在不同的小系统中给出。每个小系统都说明了利用这些晶体管独有特性的例子。此外，每个系统例子说明了场效应管的不同应用，包括线性放大器和开关电路。本章最后介绍一个利用 MOSFET 开关电路的太阳能跟踪系统。

4.1FET的结构

已经知道双极结型晶体管(BJT)是一种电流控制器件，即基极电流控制集电极电流。场效应管(FET)是电压控制器件，其中栅极电压来控制流经器件的电流。BJT 和 FET 均可作为放大器使用，也都可用于开关电路。

学完本节后，你应该掌握以下内容:

• 描述场效应管(FET)的基本分类
  • 讨论 FET 和 BJT 的主要差别

4.1.1 FET系列

场效应管(FET)是以与 BJT 的原理工作完全不同的一类半导体。在 FET 中，在称为源极(Source)和漏极(Drain)的两个电极之间由一条窄导电沟道相连。该沟道要么由 n 型材料，要么由 p 型材料制成。正如名字中的“场效应”指出的那样，沟道的导通由一个电场控制，该电场由施加在第三个电极即栅极(Gate)上的电压形成。在结型场效应管(或JFET)中，栅极和沟道之间形成了一个 pn 结。另一种场效应管称为金属-氧化物半导体场效应管(MOSFET)，它利用绝缘的栅极来控制沟道的导通(绝缘栅和 MOSFET 指同一种器件)。绝缘层是一层很薄(<lμm)的玻璃(通常是 $SiO_2$)。图4-1是 FET 系列的一个概览，展示了目前各种种类的场效应管。本章将讨论这些所有种类的场效应管。 $$ 图4-1~~~~场效应管的分类 $$ 事实上，FET 的有关构想要远远早于 BJT。早在1925年，J.E. Lilienfeld就申请了 FET 的专利(在1930年生效)，但直到20世纪60年代，FET 才得到商业化应用。今天，MOSFET用在大部分的数字集成电路中，因为 MOSFET 与 BJT 相比有几个巨大优势，特别是在制造大规模集成电路的时候。MOSFET 之所以成为数字电路中采用的主要晶体管，主要有以下原因。它们可以制造在比 BJT 更小的面积上，并且，它们非常容易制造在集成电路上。此外，它们还可以得到不含电阻和二极管的更简单电路。所有微处理器和计算机内存都采用 FET 技术。4.7节会简要介绍FET如何在集成电路中进行使用。

与BJT相比，FET 会有更多的系列。不同种类的 FET 间的区别之一主要是它们的直流特性。例如，JFET 的偏置就和增强型MOSFET 不同。因此，本章分别讨论每种类型的直流偏置特性。幸好，偏置电路非常容易理解。在介绍偏置电路之前，将首先讨论FET系列中不同种类晶体管的特性。

所有 FET 的共同特征是具有非常高的输入电阻和低电噪。此外，JFET 和 MOSFET 对交流信号的响应方式也相同，并且有相似的交流等效电路。JFET 具有高输人电阻是因为输入 pn 结一直工作在反向偏置状态，而 MOSFET 的高输人电阻来源于绝缘栅。尽管所有 FET 都具有高输人电阻，但并不具有 BJT 一样的高增益。BJT 的线性也优于 FET。在某些应用场合，采用 FET 更好;在其他一些应用场合，采用 BJT 更好。许多设计使用两种类型的晶体管，往往同时采用 FET 和 BJT。因此，你需要同时理解这两种晶体管。