MOSFET場效應管的分類及工作原理

1 歷史

1947年威廉.肖克利與他人共同發明了晶體管，屬于雙極型晶體管（Bipolarjunction Transistor）。此外，晶體管還有另外一個分支，叫場效應管（Field Effect Transistor，簡稱FET）,由結型場效應管（Junction Field Effect Transistor，簡稱JFET，1952年誕生）和應用更為廣泛的金屬氧化物半導體場效應管（Meta Oxide Semiconductor FET，簡稱MOSFET,1960年誕生）組成。

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2 場效應管的分類及工作原理

場效應管是一種單極型晶體管，與雙極型晶體管BJT都屬于晶體管。

在雙極型晶體管中，載流子包含電子運動，也包含空穴運動，像兩股力量一般流向兩個極；

而在場效應管中，只有一種載流子運動，或者電子或者空穴，流向一個極，因此叫單極型晶體管。

2.1 場效應管分類場效應管在大類上分為JFET和MOSFET。

JFET工作電流很小，適合于模擬信號放大，分為N溝道和P溝道兩種。與雙極型晶體管中的NPN和PNP類似，N溝道和P溝道僅是工作電流的方向相反。

而且JFET由于應用場合有限，所以市場上該類產品數量較少。

實際使用時，我們比較常見的場效應管是MOSFET。 MOSFET分為EMOS（Enhancement MOS， 增強型MOS）和DMOS(Depletion MOS ，耗盡型MOS)兩種。DMOS與EMOS的電路符號不同之處是，DMOS將EMOS中的虛線用實線代替。 在市面上EMOS比DMOS的產品數量要多很多。所以我們也主要學習EMOS。下文如無特別說明，MOSFET均指的是增強型MOSFET。 MOSFET也分N溝道和P溝道。

需要注意的是，場效應管中，源極和漏極是對稱的，可以互換。

上圖為一個增強型NMOS器件的物理結構（源極與襯底極相連，圖中未體現）。

用P型硅片作為襯底（Substrate ，用U表示），期間擴散出兩個高摻雜的N⁺區，分別稱為源區和漏區，他們各自與P區襯底形成PN⁺結。

襯底表面生長著一層薄薄的二氧化硅的絕緣層（即陰影區域），并且在兩個N+區之間的絕緣層上覆蓋一層金屬（目前，廣泛用多晶硅poly取代金屬）,其上引出的電極稱為柵極（Gate，用G表示）。

而自源區和漏區引出的電極分別稱為源極（Source，用S表示）和漏極（Drain，用D表示）。

其實在MOSFET中，由于襯底極和源極在內部已經連通，甚至很多MOSFET內部還在D、S之間并聯了一個二極管，此時D和S不能互換。

正常工作時，所有場效應管的門極，都沒有電流。因此，其漏極電流一定等于源極電流。

場效應管的核心原理是，GS兩端的電壓，控制漏極電流i_D。因此其也被稱為“壓控型”器件。而雙極型晶體管BJT屬于流控型器件，即i_B控制i_C。

不論增強型或耗盡型場效應管，對于N溝道器件，i_D為電子電流，因此U_DS必須為正值。為了保證PN結反偏，襯底必須接在電路中的最低電位上。對于P溝道器件，i_D為空穴電流，因此U_DS必須為負值。為了保證PN結反偏，襯底必須接在電路中的最高電位上。

2.2 JFET結型場效應管

我們無法像BJT一樣，研究JFET的輸入電壓U_GS與輸入電流i_G的關系，因為JFET有極高的輸入阻抗，i_G近似為0。所以只能研究輸入電壓U_GS與輸出電流i_D的關系，稱為轉移特性；輸出電壓U_GDS與輸出電流i_D的關系，稱為輸出特性。

左圖為轉移特性；右圖為輸出特性，共用縱軸。

其實，轉移特性曲線和輸出特性曲線是冗余的。換言之，我們可以從一個圖繪制出另外一個圖。方法也很簡單，比如我們在右圖中，在U_DS=6V位置，畫一根縱線，它和多根曲線相交，得到的點，繪制出來就是左圖（標注U_DS=6V）的曲線。又比如選擇U_DS=1.2V的位置，畫一根縱線，在左圖中就會得到不同的轉移特性曲線（標注U_DS=1.2V綠線）。

判斷JFET的工作狀態

JFET的工作狀態比較復雜。在正常工作時，它可以工作在截止區、可變電阻區以及恒流區。除此之外，它還有異常工作狀態，比如對N溝道JFET而言，U_GS大于0V的狀態。

S和D的區分

很多電路中JFET的S和D是沒有標注的，因此，我們需要學會區分電路中的JFET的S源極和D漏極。

規則如下：

N溝道JFET，外部電源產生的電流方向，是由D流向S的。

P溝道JFET，外部電源產生的電流方向，是由S流向D的。

明確了管腳，就可以根據下表輕松判斷出JFET的工作狀態。

N溝道 JFET	UGS≤UGSOFF	UGS＜UGSOFF≤0v	UGS>0V
	截止區	UDS＜UDS_DV，可變電阻區	異常狀態
		UDS＞UDS_DV，恒流區
P溝道 JFET	UGS≥UGSOFF	UGSOFF＞UGS≥0v	UGS＜0V
	截止區	UDS＞UDS_DV，可變電阻區	異常狀態
		UDS＜UDS_DV，恒流區

注：U_{DS_DV}為分界點電壓_。 2.2 MOSFET金屬氧化物半導體場效應管N溝道增強型MOSFET的伏安特性曲線，如下圖。

左圖為轉移特性，右圖為輸出特性、共用縱軸。

判斷MOSFET的工作狀態

MOSFET的工作狀態相對較簡單。它的D和S是明確區分的，嚴禁接反。因此。

N溝道MOSFET的外部電源電流，只能由D流向S。

P溝道MOSFET的外部電源電流，只能由S流向D。

MOSFET也可以工作在截止區、可變電阻區、以及恒流區。

根據下表可以判斷MOSFET的工作狀態。

N溝道 MOSFET	UGS≤UGSTH	UGS＞UGSTH	UGS>0V
	截止區	UDS＜UDS_DV，可變電阻區	異常狀態
		UDS＞UDS_DV，恒流區
P溝道 MOSFET	UGS≥UGSTH	UGS ＜UGSTH	UGS＜0V
	截止區	UDS＜UDS_DV，恒流區	異常狀態
		UDS＞UDS_DV， 可變電阻區

注：U_{DS_DV}為分界點電壓_。

3 結語

本文主要介紹了場效應管的歷史、分類、電路符號以及如何判斷場效應管工作狀態的基礎知識。

場效應管的核心原理是，GS兩端的電壓，控制漏極電流iD。因此其也被稱為“壓控型”器件。而雙極型晶體管BJT屬于流控型器件，即iB控制iC。

當MOS管作為開關使用時，MOS管工作在線性區；

當MOS管作為放大器使用時，MOS管工作在飽和區。

N溝道MOSFET的外部電源電流，只能由D流向S。

P溝道MOSFET的外部電源電流，只能由S流向D。

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