MOSFET场效应管的分类及工作原理

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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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, n8 l, u* Y; _) Z2 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；
/ ?8 E, B+ N& [! l5 P  m& P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
8 \; n* |3 _, N* _场效应管在大类上分为JFET和MOSFET。
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& h6 q$ E- J$ u: ~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。
" [1 ^9 w- N9 V/ b3 p* i& FMOSFET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。
& M/ d$ B( }* p& K9 [; v: u, w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。
/ l' }" `' u, J5 ZMOSFET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）。
% Y  r0 w1 b2 c) {2 V# T1 `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
1 S2 C) Z2 j. V' ^7 T: X! a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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' F$ |& a; G9 G; y左图为转移特性；右图为输出特性，共用纵轴。
; _, J% s5 P+ h5 ^$ P8 B" L2 A1 p5 ^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。
* ]' [: a7 Q! U- L4 HS和D的区分
  Q) \# E( B% y1 `( z$ ?6 T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：
0 `7 c5 ^5 J" jN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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+ M. N$ h6 G% e* H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 6 u' h( G) @0 S8 aJFET	UGS≤UGSOFF	UGS＜UGSOFF≤0v . J4 a/ E+ i* C% n$ L% |	UGS>0V
截止区	UDS＜UDS_DV，可变电阻区 : [% w) N9 s8 }& f- T9 ^	异常状态 # E9 m  q4 u3 d3 ?
UDS＞UDS_DV，恒流区
P沟道 7 y  }' ]$ ^# e" u6 ]1 j; mJFET + z1 u% z. j- M- U$ r	UGS≥UGSOFF 0 z! p0 ~- b" X/ U0 j1 C1 _	UGSOFF＞UGS≥0v # T7 [. @1 s5 p, g0 h6 E	UGS＜0V 0 w! S9 {6 {) A9 R' n: u1 [
截止区	UDS＞UDS_DV，可变电阻区	异常状态 / l8 K  `7 {# G8 d. v9 m+ J; S+ Y
UDS＜UDS_DV，恒流区 + o, t0 x0 [  z

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。
9 v7 V8 [$ ^6 C; J3 Q" }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。
) \( u  ~: L8 s根据下表可以判断MOSFET的工作状态。
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N沟道 MOSFET	UGS≤UGSTH	UGS＞UGSTH	UGS>0V
截止区	UDS＜UDS_DV，可变电阻区 & p. o; L8 G/ D	异常状态 0 l0 x4 a" {; t9 f% U6 a$ |1 s
UDS＞UDS_DV，恒流区
P沟道 6 U/ P8 c  o" @* HMOSFET : o9 p) U0 J9 C" k" q	UGS≥UGSTH	UGS ＜UGSTH 2 Y6 B( {, Q8 F, X- O	UGS＜0V 2 P2 C5 r' o1 K, w/ D7 ~4 b8 ^
截止区	UDS＜UDS_DV，恒流区	异常状态
UDS＞UDS_DV， 可变电阻区

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。
! V1 D5 A+ e7 v7 r) ^! O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。
1 f: Q% f; m5 z0 w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。
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。