接面場效電晶體

接面場效電晶體（JFET，英語：junction gate field-effect transistor）是單極場效電晶體中最簡單的一種。它可以分n通道（n-channel）或者p通道（p-channel）兩種。在下面的論述中主要以n通道接面場效電晶體為例，在p通道接面場效電晶體中n區和p區以及所有電壓正負和電流方向正好顛倒過來。

結構

通過柵電壓U_GS導致的阻礙層大小的變化

n通道接面場效電晶體由一個被一個p型摻雜（阻礙層）環繞的n型摻雜組成。在n型摻雜上連有汲極（也稱漏極，來自英語Drain，因此也稱D極）和源極（來自英語Source，因此也稱S極）。從源極到汲極的這段半導體被稱為n通道。p區連有閘極（也稱柵極，來自英語Gate，因此也成為G極）。這個極被用來控制接面場效電晶體，它與n通道組成一個pn二極體，因此接面場效電晶體與金屬-氧化物-半導體場效電晶體類似，只不過在金屬-氧化物-半導體場效電晶體中不是使用pn結，而是使用肖特基結（金屬與半導體之間的結），在原理上接面場效電晶體與金屬-氧化物-半導體場效電晶體是完全一樣的。

原理

n通道輸出特性曲線場

假如柵極沒有被連上的話n通道就像一個電阻一樣。也就是說在柵極沒有電壓的情況下接面場效電晶體是導電的。假如柵極與源極連在一起，而源極和汲極之間加上了U_DS的電壓的話那麼流過n通道的電流隨電壓不斷提高，直到通道被最大夾斷位置。這個電壓被稱為夾斷電壓U_p。即使U_DS繼續升高，漏電流I_D幾乎不變。夾斷不再提高，而只是橫向擴大，也就是說電壓的繼續提高被通道吸收了。一般來說這是接面場效電晶體的工作區域，這個時候的漏電流被標誌為I_DSS。整個三極管在這個狀態下可以被當作一個恆電流源使用，其電流為I_DSS。不過與真正的電流源相比接面場效電晶體的溫度靈敏度比較高。夾斷電壓由通道的寬度${\displaystyle a}$和摻雜密度N_D決定：

${\displaystyle U_{p}={\frac {eN_{D}a^{2}}{2\varepsilon _{r}\varepsilon _{0}}}}$

接面場效電晶體夾斷和控制的原理

要夾止通道需要逆向偏壓。甚至同一型號的元件的夾止電壓也可能差異很大，一般在0.3至10伏之間。

假如在柵極和源極之間施一負電壓的話則閘源二極體之間的耗盡區更加擴大。通道的寬度和長度均可以被改變^[1][2][3]。這樣一來可以達到控制效應，這個效應與雙極性電晶體的原理類似。在輸出特性曲線上可以看得出電流水平的部分的值變小。在這種情況下提高源漏電壓也只能很小地改變漏電流。

通過R_S控制工作點以及溫度補償

像真空管一樣工作點的選擇可以很容易地通過使用源電阻或者施加負閘源電壓達到。和真空管一樣接面場效電晶體的斜率${\displaystyle S={\frac {dI_{D}}{dU_{GS}}}}$很小，要達到大的電壓放大需要相當大的工作電阻。優點和真空管一樣是幾乎不需要任何功率的放大控制。原因是因為控制漏電流用的閘源電路始終是在逆向偏壓的情況下運行，因此通過柵極的電流始終不超過逆向電流的皮安培。在高頻的情況下會出現電容電流。

在夾斷電壓之下在線性區接面場效電晶體可以用來作為分壓器的自動增益控制。

控制特性曲線（I_D對U_GS）是一個很複雜的函數，二次函數可以近似地表達它^[4]。下面的公式描寫三極管在夾斷區域的簡單模型。I_DSS和U_p根據型號不同，需要從生產數據表中找出來：

${\displaystyle I_{DS}=I_{DSS}\left[1-{\frac {U_{GS}}{U_{p}}}\right]^{2}}$

符號

n-Channel JFET的電路符號

p-Channel JFET的電路符號

有時接面場效電晶體的柵極被畫在通道的中部，這個對稱表示汲極和源極是可以相互對換的，因此這個符號僅應該被用在兩極的確可以互相對換的接面場效電晶體上（不是所有接面場效電晶體都可以）。

傳統地元件的周圍還有一個圈。

箭頭示明通道和柵極之間pn結的極性。如同一般的二極體箭頭從p區指向n區，這也是正向偏壓下的電流方向。

與其它電晶體的比較

與金屬-氧化物-半導體場效電晶體相比接面場效電晶體的柵電流比較大，但是比雙極性電晶體小。接面場效電晶體的跨導比金屬-氧化物-半導體場效電晶體高，因此被用在一些低雜訊、高輸入阻抗的運算放大器中。

1925年朱利烏斯·艾德加·李利費爾德首次預言了接面場效電晶體。1930年代中其理論基礎足夠完整，因此有人把它申報專利。但是此後許多年一直未能生產足夠精確地摻雜的晶體來顯示其可行性。1947年約翰·巴丁、沃爾特·布喇頓和威廉·肖克利在試圖製造一個接面場效電晶體時發現了點接觸型電晶體。許多年後接面場效電晶體才被生產出來。

應用

與雙極性電晶體相比，接面場效電晶體在一千赫以下雜訊小得多。在高頻時，假如源電阻高於約十萬歐姆至一百萬歐姆的情況下，接面場效電晶體也比較有效。

接面場效電晶體可以被用來做恆流集成二極體或者定值電阻。

接面場效電晶體還在低頻和高頻中被用來調節信號電壓、在信號強度高的情況下被用作混頻器以及被用作逆向電流低的信號二極體。

參考資料

1. The Semiconductor Data Book, Motorola Inc. 1969 AN-47
2. Data & Design Manual, Teledyne Semiconductors 1981, Junction FETs in Theorie and Application
3. Low Power Discretes Data Book, Siliconix incorporated 1989, Application Note LPD-1
4. H. H. Meinke和F. W Gundlach：《Taschenbuch der Hochfrequenztechnik – Band 1: Grundlagen》（高頻技術手冊，第一卷，基礎）。Springer-Verlag，柏林，1992年。ISBN 3540547142. G20頁