这一章在干嘛?

认识 FET 家族:JFET、耗尽型 MOSFET、增强型 MOSFET。它们靠电场(电压)控制沟道导电,栅极几乎不取电流——输入阻抗高达百 MΩ 级。最后讲讲数字电路的基石 CMOS。

6.1 JFET 结构与水阀类比

6.2 特性曲线:I_DSS、V_P 与夹断

6.3 JFET 符号与 BJT 对比

6.4 耗尽型 MOSFET:正负通吃

6.5 增强型 MOSFET:数字世界的打工皇帝

6.6 CMOS:低功耗的魔法

6.1 JFET 结构与水阀类比

JFET(结型场效应管)是一条 N 型(或 P 型)「沟道」,两端叫漏极 D源极 S,侧面的 P 区叫栅极 G。改变栅源反偏电压,就能捏扁沟道、控制电流:

原书图 6.3 原书图 6.3:JFET 结构:沟道 + 两个栅结

原书图 6.4 原书图 6.4:水阀类比:栅压就像拧水龙头,控制「水流」I_D

6.2 特性曲线:I_DSS、V_P 与夹断

VGS=0 时的饱和漏电流叫 IDSS;把沟道完全捏死所需的 VGS 叫夹断电压 VP(负值)。输出特性分可变电阻区和饱和(放大)区:

原书图 6.8 原书图 6.8:夹断时刻:V_DS 增大到 V_P,沟道在漏端被掐断,I_D 饱和

原书图 6.11 原书图 6.11:n 沟道 JFET 输出特性(I_DSS=8 mA,V_P=−4 V):左下是可变电阻区,右侧平坦区是放大区

Shockley 方程:I

D

= I

DSS

·(1 − V

GS

/V

P

)² (平方律,和 BJT 的指数律对应)

从输出特性图解出转移特性曲线(ID~VGS):

原书图 6.17 原书图 6.17:从漏极特性逐点搬出转移曲线:两图共享纵轴 I_D

6.3 JFET 符号与 BJT 对比

原书图 6.14 原书图 6.14:JFET 符号:n 沟道与 p 沟道,箭头永远指 N

原书图 6.23 原书图 6.23:JFET vs BJT:栅极几乎零电流 vs 基极要吃电流;压控 vs 流控

重要差异:

JFET 的 V GS 只能反偏(n 沟道只能负压),跨导 g m 通常比 BJT 的 1/r_e 小——单级增益低一些,但输入阻抗高得多的优势常常更重要。

6.4 耗尽型 MOSFET:正负通吃

MOSFET 栅极是隔着一层绝缘氧化物(SiO₂)的「金属板」,输入阻抗飙到 10¹⁰ Ω 以上。耗尽型自带沟道:VGS 可以负(夹断)也可以正(增流):

原书图 6.24 原书图 6.24:n 沟道耗尽型 MOSFET 结构

原书图 6.26 原书图 6.26:耗尽型 MOSFET 的漏极与转移特性:V_GS 正负都行

6.5 增强型 MOSFET:数字世界的打工皇帝

增强型没有原始沟道:VGS 超过门槛电压 VT(VGS(Th)) 后,感应出沟道才开始导电——「不推不动」:

原书图 6.32 原书图 6.32:n 沟道增强型 MOSFET 结构

原书图 6.33 原书图 6.33:沟道形成:栅压把电子「吸」到表面,连成导电沟道

I

D

= k·(V

GS

− V

T

)² (V

GS

V

T

后才导通)

6.6 CMOS:低功耗的魔法

把 n 沟道和 p 沟道增强型 MOSFET 互补搭配,就是 CMOS 反相器:任何稳态下总有一管截止,静态电流几乎为零——手机 SoC 里几十亿个这样的门:

原书图 6.45 原书图 6.45:CMOS 反相器:输入高 → NMOS 导通拉低输出;输入低 → PMOS 导通拉高输出

MOSFET 怕静电:

栅极绝缘层极薄,几十伏静电就能击穿。拿管子前摸摸接地金属,焊接用防静电烙铁。