超值干货|场效应管的分类及工作原理

硬件花园 · 发表于 2024-6-14 07:02:00

h1k5nuusala64014784102.gif

产品开发的五个境界：复制、模仿、总结、创新、卓越！

4wkjrej2ptz64014784203.png

1 历史1947年威廉.肖克利与他人共同发明了晶体管，属于双极型晶体管（Bipolarjunction Transistor）。此外，晶体管还有另外一个分支，叫场效应管（Field Effect Transistor，简称FET）,由结型场效应管（Junction Field Effect Transistor，简称JFET，1952年诞生）和应用更为广泛的金属氧化物半导体场效应管（Meta Oxide Semiconductor FET，简称MOSFET,1960年诞生）组成。
?

ltctect5dos64014784303.png

?

2 场效应管的分类及工作原理场效应管是一种单极型晶体管，与双极型晶体管BJT都属于晶体管。
在双极型晶体管中，载流子包含电子运动，也包含空穴运动，像两股力量一般流向两个极；
而在场效应管中，只有一种载流子运动，或者电子或者空穴，流向一个极，因此叫单极型晶体管。
2.1 场效应管分类场效应管在大类上分为JFET和MOSFET。

rt1piuxs5aq64014784403.png

JFET工作电流很小，适合于模拟信号放大，分为N沟道和P沟道两种。与双极型晶体管中的NPN和PNP类似，N沟道和P沟道仅是工作电流的方向相反。
而且JFET由于应用场合有限，所以市场上该类产品数量较少。

rqr4vu5kzoc64014784503.png

实际使用时，我们比较常见的场效应管是MOSFET。MOSFET分为EMOS（Enhancement MOS，增强型MOS）和DMOS(Depletion MOS ，耗尽型MOS)两种。DMOS与EMOS的电路符号不同之处是，DMOS将EMOS中的虚线用实线代替。在市面上EMOS比DMOS的产品数量要多很多。所以我们也主要学习EMOS。下文如无特别说明，MOSFET均指的是增强型MOSFET。MOSFET也分N沟道和P沟道。

galufjzsg4k64014784603.png

需要注意的是，场效应管中，源极和漏极是对称的，可以互换。

q00o10hpl4i64014784703.png

上图为一个增强型NMOS器件的物理结构（源极与衬底极相连，图中未体现）。
用P型硅片作为衬底（Substrate ，用U表示），期间扩散出两个高掺杂的N+区，分别称为源区和漏区，他们各自与P区衬底形成PN+结。
衬底表面生长着一层薄薄的二氧化硅的绝缘层（即阴影区域），并且在两个N+区之间的绝缘层上覆盖一层金属（目前，广泛用多晶硅poly取代金属）,其上引出的电极称为栅极（Gate，用G表示）。
而自源区和漏区引出的电极分别称为源极（Source，用S表示）和漏极（Drain，用D表示）。
其实在MOSFET中，由于衬底极和源极在内部已经连通，甚至很多MOSFET内部还在D、S之间并联了一个二极管，此时D和S不能互换。

yoww34ejz4x64014784803.png

正常工作时，所有场效应管的门极，都没有电流。因此，其漏极电流一定等于源极电流。
场效应管的核心原理是，GS两端的电压，控制漏极电流iD。因此其也被称为“压控型”器件。而双极型晶体管BJT属于流控型器件，即iB控制iC。
不论增强型或耗尽型场效应管，对于N沟道器件，iD为电子电流，因此UDS必须为正值。为了保证PN结反偏，衬底必须接在电路中的最低电位上。对于P沟道器件，iD为空穴电流，因此UDS必须为负值。为了保证PN结反偏，衬底必须接在电路中的最高电位上。
2.2 JFET结型场效应管我们无法像BJT一样，研究JFET的输入电压UGS与输入电流iG的关系，因为JFET有极高的输入阻抗，iG近似为0。所以只能研究输入电压UGS与输出电流iD的关系，称为转移特性；输出电压UGDS与输出电流iD的关系，称为输出特性。

rsezw5cwvzr64014784903.png

左图为转移特性；右图为输出特性，共用纵轴。
其实，转移特性曲线和输出特性曲线是冗余的。换言之，我们可以从一个图绘制出另外一个图。方法也很简单，比如我们在右图中，在UDS=6V位置，画一根纵线，它和多根曲线相交，得到的点，绘制出来就是左图（标注UDS=6V）的曲线。又比如选择UDS=1.2V的位置，画一根纵线，在左图中就会得到不同的转移特性曲线（标注UDS=1.2V绿线）。判断JFET的工作状态
JFET的工作状态比较复杂。在正常工作时，它可以工作在截止区、可变电阻区以及恒流区。除此之外，它还有异常工作状态，比如对N沟道JFET而言，UGS大于0V的状态。
S和D的区分
很多电路中JFET的S和D是没有标注的，因此，我们需要学会区分电路中的JFET的S源极和D漏极。
规则如下：
N沟道JFET，外部电源产生的电流方向，是由D流向S的。
P沟道JFET，外部电源产生的电流方向，是由S流向D的。

nytt4oeyxyd64014785004.png

明确了管脚，就可以根据下表轻松判断出JFET的工作状态。

N沟道 1 \|& W& B: n) W9 w1 b1 ]6 SJFET ! ~/ `4 x; J/ F! }1 S1 N	UGS≤UGSOFF / P: f# H0 T) B' H D	UGS＜UGSOFF≤0v6 F+ m' g. X6 E6 G* ]; f" O0 x	UGS>0V! z3 @* s; @( F V& u4 r
截止区8 d1 Q3 \|0 r, o. G, x& Z) v	UDS＜UDS_DV，可变电阻区- L* X3 g8 w- ]) c) F	异常状态7 k1 ?, B0 k( p
UDS＞UDS_DV，恒流区% u) T- ]$ ~: c
P沟道 ' y3 P8 u; I) k% I' D: DJFET) K' }8 J7 x) S	UGS≥UGSOFF, z. b6 F( Q( \|8 z$ b	UGSOFF＞UGS≥0v & C% m, H- e! o% f	UGS＜0V 3 b2 \|# x4 F4 z6 g" \
截止区 8 X. R! H: ?4 ?. t3 @	UDS＞UDS_DV，可变电阻区 5 f2 \|3 q* u0 s2 q* R+ M	异常状态 & Y3 o+ l1 I6 w/ D6 b9 f% Y
UDS＜UDS_DV，恒流区 ! V# G* \1 v2 O, \" C$ q$ u9 \

注：UDS_DV为分界点电压。
2.2 MOSFET金属氧化物半导体场效应管N沟道增强型MOSFET的伏安特性曲线，如下图。

bzloki1wijk64014785104.png

左图为转移特性，右图为输出特性、共用纵轴。判断MOSFET的工作状态
MOSFET的工作状态相对较简单。它的D和S是明确区分的，严禁接反。因此。
N沟道MOSFET的外部电源电流，只能由D流向S。
P沟道MOSFET的外部电源电流，只能由S流向D。

pcrr2ywuc2v64014785204.png

MOSFET也可以工作在截止区、可变电阻区、以及恒流区。
根据下表可以判断MOSFET的工作状态。

N沟道# y' k, {' Y* K: x L) J$ V7 ^ MOSFET. g2 V! L+ `& o) ^6 J+ ^	UGS≤UGSTH' t9 f- O0 Y% ~3 I6 \|( J* A	UGS＞UGSTH # Y* A; {, ^2 Q$ p	UGS>0V0 U4 B" S b* s
截止区! ]) A! U6 x+ a" r	UDS＜UDS_DV，可变电阻区- v- @' y; B+ g, f. A, m% h	异常状态 7 d; n5 y* `/ {, {
UDS＞UDS_DV，恒流区 7 G# ~$ W. N) F+ j0 e A
P沟道 - y# @& c/ M. p; R6 \|& h' \|; n! vMOSFET ! v. b' K; N2 c5 H	UGS≥UGSTH+ C. j% z% V6 k	UGS ＜UGSTH& P9 _! O3 g) O5 I& X2 q	UGS＜0V 3 v+ W# _6 ?1 p1 f
截止区 . i8 E/ K- z0 }	UDS＜UDS_DV，恒流区/ P# B l: \|% P$ e$ V	异常状态 : ` t; n; ]$ [9 ]
UDS＞UDS_DV，可变电阻区6 Y8 j7 x1 n! h0 ~

注：UDS_DV为分界点电压。3 结语本文主要介绍了场效应管的历史、分类、电路符号以及如何判断场效应管工作状态的基础知识。
当MOS管作为开关使用时，MOS管工作在线性区；
当MOS管作为放大器使用时，MOS管工作在饱和区。
下一篇我们将详细讨论场效应管三区——线性区/三极管区（Triode region）、截止区（Cut-off region ）、饱和区（Saturation region）的特点，以及场效应管的二阶效应：沟道调制效应(Channel length modulaton)、体效应（Body Effect）。
4 往期精彩

超值干货| MOSFET为什么有 “体二极管”

超值干货|STM32F103 GPIO详解