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

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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。
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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。

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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。

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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。

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需要注意的是，场效应管中，源极和漏极是对称的，可以互换。

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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。

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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。

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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。

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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! \|% B. y; _/ [" a3 I JFET: M* U7 n6 v, s3 L6 p- ^, u	UGS≤UGSOFF - b% y, J- z1 M9 P8 v+ U	UGS＜UGSOFF≤0v: A2 v& a2 A# D4 a, s9 z	UGS>0V 2 G4 T1 R8 Y+ {( W; P; S
截止区; p5 H& \|/ d: G	UDS＜UDS_DV，可变电阻区) S; x- G$ C! f _3 I7 \& W	异常状态 / H3 H8 [; Z3 I: @7 c3 S2 M" x
UDS＞UDS_DV，恒流区 " F. M4 p% _9 l6 {, x
P沟道% g' q C- ?( ]* \|2 p: i: N5 ?: j7 } JFET . n- b' Y8 m/ v9 H5 y, N$ u	UGS≥UGSOFF 6 l' t5 g6 w* D' R4 ?2 {8 \4 Y	UGSOFF＞UGS≥0v % c: ~0 l" \ t1 l. q4 R	UGS＜0V 6 r6 c0 n0 j( Q: G
截止区) l, K8 F1 d+ y9 [$ d6 V$ h3 I	UDS＞UDS_DV，可变电阻区+ @( q9 C$ P6 y* K	异常状态, M9 ~" g" [& p' ?) r
UDS＜UDS_DV，恒流区. \; ^' `0 O3 S. K) m$ G

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。

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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。

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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 ) r* o, e4 D; c; j FMOSFET + S# z* n- b) Q; \6 U- Y: m4 X	UGS≤UGSTH* Z6 z) g+ P4 ?. G! W	UGS＞UGSTH7 I7 A" A3 Y+ H2 M8 T	UGS>0V6 ]( i8 D' A/ ~0 Q+ g- l) s
截止区' U0 D+ x t9 S: p	UDS＜UDS_DV，可变电阻区 $ `5 T7 @' z6 @/ _! N4 Z4 `	异常状态7 o! i: F% H7 ~" ~
UDS＞UDS_DV，恒流区1 ~- j; H4 u( a2 f3 ?' K( \
P沟道2 s# f- j0 z7 E# q$ h, S MOSFET% C; _7 i9 o' P6 \|( H	UGS≥UGSTH 9 C4 {( w. G( @! B	UGS ＜UGSTH ) L" g7 y8 j9 v9 Z ~: \' @	UGS＜0V * K$ J6 f/ y% \|' n6 o
截止区 ! ]9 D# ^4 j' t0 Y. r	UDS＜UDS_DV，恒流区 " ^* o/ }9 r; }" `0 j	异常状态* o+ y" _& O+ X, y* z' u
UDS＞UDS_DV，可变电阻区* j& N O( n4 L3 {/ s$ J, z

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）。
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