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
JFET(结型场效应管)是一条 N 型(或 P 型)「沟道」,两端叫漏极 D 和源极 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:JFET 结构:沟道 + 两个栅结
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: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: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: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:JFET 符号:n 沟道与 p 沟道,箭头永远指 N
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:n 沟道耗尽型 MOSFET 结构
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:n 沟道增强型 MOSFET 结构
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: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。
1. JFET 的 I_DSS 和 V_P 分别是什么?
I_DSS 是 V_GS=0 时的饱和漏极电流;V_P 是让沟道完全夹断(I_D→0)所需的栅源电压,n 沟道为负值。
2. 耗尽型和增强型 MOSFET 的本质区别?
耗尽型自带导电沟道,V_GS=0 就有 I_DSS 电流,正负栅压都能控;增强型没有原始沟道,必须 V_GS 超过门槛电压 V_T 才形成沟道导通。
3. CMOS 静态功耗为什么极低?
互补的 NMOS/PMOS 在任一稳态下必有一管截止,电源到地几乎无通路,静态电流只有纳安级;功耗主要来自翻转时的开关损耗。