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 h/ \|5 n) J3 o9 L) hJFET. A H. V1 j) @; X1 @3 n3 ^	UGS≤UGSOFF / O$ \! _# h3 K' K0 h- O	UGS＜UGSOFF≤0v0 f: {5 d, @, y0 S" ~8 S w1 }	UGS>0V5 {& M" k- j# x7 Z5 N
截止区 , T( }' B, f* k% V9 T# B0 Z5 ~	UDS＜UDS_DV，可变电阻区2 G i1 c9 d( V0 ?	异常状态 . H! l, [+ l& E+ y1 a R3 h. V
UDS＞UDS_DV，恒流区 5 j3 p- X. G, f1 V9 H% f
P沟道* R& [ t/ l( ?) r JFET / {/ g4 h( v8 t# E0 }, x4 L. `' s	UGS≥UGSOFF I* L6 C/ b! R3 c7 s	UGSOFF＞UGS≥0v0 y. \7 Z/ K3 `, x! ?7 Y9 L	UGS＜0V , ^% l" K# @6 s/ J: U! A5 S3 k& r
截止区5 v1 V3 X0 e/ D8 F	UDS＞UDS_DV，可变电阻区6 \|0 z' D. z+ h5 x	异常状态1 l6 g) P" Z2 p. y. m4 a( ^0 U/ B+ e
UDS＜UDS_DV，恒流区 8 Q- Z+ {4 F3 ?: V: x* }& U* J A

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 9 o8 x% m) M! sMOSFET / u" `% e4 k0 ^1 y	UGS≤UGSTH" m* @' ?. P7 [$ h/ ^$ H8 Y: _	UGS＞UGSTH5 }8 e \|6 D& V* V1 h; m. ?	UGS>0V, L& ^. n: \: `* H R! L
截止区. W- O- n+ I7 e1 a% d1 s: f- P- O	UDS＜UDS_DV，可变电阻区 $ @$ r2 V4 f% G: c	异常状态 ) ^6 E( t, Q3 `0 _4 X$ m' N
UDS＞UDS_DV，恒流区 , W- \, U/ ~, q/ I$ V
P沟道 # ]2 g( u9 [1 W" f: u8 ?7 l9 IMOSFET 3 u6 } o R+ T	UGS≥UGSTH . n/ R* b5 a1 C! [" `2 X) m; _	UGS ＜UGSTH % Z6 a/ Q: `6 B	UGS＜0V + \0 G! \% i7 B" n( d [
截止区3 b3 u- A2 X- C3 Z7 ^	UDS＜UDS_DV，恒流区. {. n( i. v) v! z4 p	异常状态 9 Q% Q4 a4 b6 \|' ^$ z( _ U' f
UDS＞UDS_DV，可变电阻区; k0 e- J7 p5 D( e8 s2 J

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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