什麼是JFET(接面場效電晶體)

以 pn 接面形成閘極,利用逆向偏壓下擴大的空乏層寬度控制通道電流的場效電晶體。多數為閘極電壓 0 V 時即有電流流動的空乏型。

日文名稱: JFET(接合型FET)

「JFET(接面場效電晶體)」出現在2領域的2道練習題中(類比與電子電路, 功率半導體等)。

這個名詞所屬的領域: MOSFET

JFET 的結構與動作

JFET(Junction Field-Effect Transistor,接面場效電晶體)是以 pn 接面形成閘極的場效電晶體。在 n 通道 JFET 中,連接源極與汲極的 n 型通道兩側有 p 型閘極區;對閘極與通道間的 pn 接面施加逆向偏壓,空乏層就會擴大,使通道變窄、電流減少。閘極電壓為 0 V 時電流最大(IDSS),逆向偏壓加深到夾止電壓時,通道關閉,電流幾乎停止。在飽和區,汲極電流大致與閘極電壓和夾止電壓之差的平方成正比。

與 MOSFET 的差異

MOSFET 在閘極與半導體之間夾有絕緣膜,而 JFET 的閘極是 pn 接面,沒有絕緣膜。JFET 必須讓接面保持逆向偏壓,若施加順向電壓,閘極就會有電流流動。逆向偏壓下的閘極漏電流在室溫約為 pA 至 nA,雖然很小,但由於是接面漏電,會隨溫度大幅增加。此外,JFET 基本上是閘極電壓 0 V 即導通的常開型(空乏型),不適合像 CMOS 那樣組合常關型 n 型與 p 型電晶體的積體電路。因此積體電路中的電晶體以 MOSFET 為主流。

發揮低雜訊特性的用途

JFET 的電流在通道內部流動,不像 MOSFET 那樣容易受絕緣膜界面缺陷的影響,因此低頻雜訊(1/f 雜訊)往往較小。由於這項特點,JFET 被用於音響用前置放大器、感測器與量測儀器的高阻抗輸入級,以及輸入偏壓電流為 pA 等級的 JFET 輸入運算放大器等。駐極體電容式麥克風內部進行阻抗轉換的元件,以及將閘極與源極相連以流過固定電流的定電流二極體,也是利用 JFET。

功率用途與相關結構

使用 SiC 的 JFET 具有高耐壓與低導通電阻,也作為功率元件使用。由於常開型在電源啟動時等情況可能有危險,常見的做法是與低耐壓的 Si MOSFET 串聯成疊接(cascode)連接,作為常關型使用。在平面型功率 MOSFET 中,夾在相鄰 p 型本體區之間的部分會像 JFET 一樣使電流路徑變窄,其電阻稱為 JFET 電阻。此外,在 GaAs 等化合物半導體中,以蕭特基接面形成閘極的 MESFET 也依相同原理動作。

練習JFET(接面場效電晶體)的題目

在使用雙極性輸入運算放大器的反相放大電路中,於非反相輸入與接地之間加入一個等於輸入電阻與回授電阻並聯值的電阻,其目的為何?

  1. A為了使增益變為2倍
  2. B為了抵消輸入偏壓電流造成的輸出偏移誤差
  3. C為了引起振盪
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正確答案:B. 為了抵消輸入偏壓電流造成的輸出偏移誤差

運算放大器的輸入端子會流過輸入偏壓電流,在從反相輸入側看到的電阻(Ri∥Rf)上產生電壓降,使輸出出現誤差。在非反相輸入側也加入相同值的電阻,兩個輸入就會產生相同的電壓降而互相抵消,剩下的只有兩個偏壓電流之差(輸入偏移電流)所造成的誤差。對於偏壓電流為pA等級的CMOS輸入或JFET輸入運算放大器,通常不需要這個電阻。

在功率MOSFET中,將閘極埋入矽中挖出的溝槽內的溝槽閘極結構,其主要優點為下列何者?

  1. A閘極電容變為零
  2. B耐壓一定變為2倍
  3. C可高密度排列單元以增加通道寬度,降低導通電阻
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正確答案:C. 可高密度排列單元以增加通道寬度,降低導通電阻

在溝槽閘極結構中,通道垂直形成於溝槽側壁,因此比平面(planar)型能在單位面積內排列更多單元,通道的總寬度增加。此外,平面型在相鄰單元之間形成的電阻(JFET電阻)也消失了,可降低導通電阻。它是低耐壓Si MOSFET與IGBT的主流,在SiC MOSFET中的採用也逐漸擴大(SiC中平面型也仍被廣泛使用),但因為電場會集中在溝槽底部的角落,其保護結構相當重要。

常見問題

MOSFET 和 JFET 有什麼不同?

MOSFET 以絕緣膜將閘極與半導體隔開,JFET 則以 pn 接面形成閘極。JFET 基本上是閘極電壓 0 V 即導通的空乏型,使用時讓閘極保持逆向偏壓。MOSFET 容易做成常關型,用於 CMOS 積體電路。

為什麼 JFET 是常開型?

因為閘極電壓為 0 V 時,源極與汲極之間原本就有 n 型(或 p 型)通道相連,電流可以流動。必須對閘極施加逆向偏壓使空乏層擴大,才能減少電流。

對 JFET 的閘極施加順向電壓會怎樣?

閘極與通道間的 pn 接面變成順向偏壓,在矽中大約超過 0.5 V 時,閘極就開始有電流流動。這樣會失去 JFET 輸入阻抗高的優點,因此閘極通常在逆向偏壓或 0 V 附近使用。

解析中的「JFET(接面場效電晶體)」

出現「JFET(接面場效電晶體)」的題目(2題)

  1. 在使用雙極性輸入運算放大器的反相放大電路中,於非反相輸入與接地之間加入一個等於輸入電阻與回授電阻並聯值的電阻,其目的為何?
  2. 在功率MOSFET中,將閘極埋入矽中挖出的溝槽內的溝槽閘極結構,其主要優點為下列何者?

出現這個名詞的比較

相關名詞

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