淺談MOSFET場(chǎng)效應管的分類(lèi)及工作原理

1 歷史

1947年威廉.肖克利與他人共同發(fā)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(gè)分支，叫場(chǎng)效應管（Field Effect Transistor，簡(jiǎn)稱(chēng)FET）,由結型場(chǎng)效應管（Junction Field Effect Transistor，簡(jiǎn)稱(chēng)JFET，1952年誕生）和應用更為廣泛的金屬氧化物半導體場(chǎng)效應管（Meta Oxide Semiconductor FET，簡(jiǎn)稱(chēng)MOSFET,1960年誕生）組成。

2 場(chǎng)效應管的分類(lèi)及工作原理

場(chǎng)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(dòng)，也包含空穴運動(dòng)，像兩股力量一般流向兩個(gè)極；

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

2.1 場(chǎng)效應管分類(lèi) 場(chǎng)效應管在大類(lèi)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(lèi)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(chǎng)合有限，所以市場(chǎng)上該類(lèi)產(chǎn)品數量較少。

實(shí)際使用時(shí)，我們比較常見(jiàn)的場(chǎng)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(xiàn)用實(shí)線(xiàn)代替。 在市面上EMOS比DMOS的產(chǎn)品數量要多很多。所以我們也主要學(xué)習EMOS。下文如無(wú)特別說(shuō)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(chǎng)效應管中，源極和漏極是對稱(chēng)的，可以互換。

上圖為一個(gè)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(gè)高摻雜的N+區，分別稱(chēng)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(cháng)著(zhù)一層薄薄的二氧化硅的絕緣層（即陰影區域），并且在兩個(gè)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(chēng)為柵極（Gate，用G表示）。

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

其實(shí)在MOSFET中，由于襯底極和源極在內部已經(jīng)連通，甚至很多MOSFET內部還在D、S之間并聯(lián)了一個(gè)二極管，此時(shí)D和S不能互換。

正常工作時(shí)，所有場(chǎng)效應管的門(mén)極，都沒(méi)有電流。因此，其漏極電流一定等于源極電流。

場(chǎng)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(chēng)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。

不論增強型或耗盡型場(chǎng)效應管，對于N溝道器件，iD為電子電流，因此UDS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，iD為空穴電流，因此UDS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(chǎng)效應管

我們無(wú)法像BJT一樣，研究JFET的輸入電壓UGS與輸入電流iG的關(guān)系，因為JFET有極高的輸入阻抗，iG近似為0。所以只能研究輸入電壓UGS與輸出電流iD的關(guān)系，稱(chēng)為轉移特性；輸出電壓UGDS與輸出電流iD的關(guān)系，稱(chēng)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(shí)，轉移特性曲線(xiàn)和輸出特性曲線(xiàn)是冗余的。換言之，我們可以從一個(gè)圖繪制出另外一個(gè)圖。方法也很簡(jiǎn)單，比如我們在右圖中，在UDS=6V位置，畫(huà)一根縱線(xiàn)，它和多根曲線(xiàn)相交，得到的點(diǎn)，繪制出來(lái)就是左圖（標注UDS=6V）的曲線(xiàn)。又比如選擇UDS=1.2V的位置，畫(huà)一根縱線(xiàn)，在左圖中就會(huì )得到不同的轉移特性曲線(xiàn)（標注UDS=1.2V綠線(xiàn)）。

判斷JFET的工作狀態(tài)

JFET的工作狀態(tài)比較復雜。在正常工作時(shí)，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(tài)，比如對N溝道JFET而言，UGS大于0V的狀態(tài)。

S和D的區分

很多電路中JFET的S和D是沒(méi)有標注的，因此，我們需要學(xué)會(huì )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(chǎn)生的電流方向，是由D流向S的。

P溝道JFET，外部電源產(chǎn)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(tài)。

注：UDS_DV為分界點(diǎn)電壓。 2.2 MOSFET金屬氧化物半導體場(chǎng)效應管 N溝道增強型MOSFET的伏安特性曲線(xiàn)，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(tài)

MOSFET的工作狀態(tài)相對較簡(jiǎn)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(tài)。

注：UDS_DV為分界點(diǎn)電壓。

3 結語(yǔ)

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

場(chǎng)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(chēng)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(kāi)關(guān)使用時(shí)，MOS管工作在線(xiàn)性區；

當MOS管作為放大器使用時(shí)，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。