MOSFET場效應(yīng)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(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分支，叫場效應(yīng)管（Field Effect Transistor，簡稱FET）,由結(jié)型場效應(yīng)管（Junction Field Effect Transistor，簡稱JFET，1952年誕生）和應(yīng)用更為廣泛的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（Meta Oxide Semiconductor FET，簡稱MOSFET,1960年誕生）組成。

??

2 場效應(yīng)管的分類及工作原理

場效應(yīng)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(yīng)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(yīng)管分類場效應(yīng)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(yīng)用場合有限，所以市場上該類產(chǎn)品數(shù)量較少。

實際使用時，我們比較常見的場效應(yīng)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(chǎn)品數(shù)量要多很多。所以我們也主要學(xué)習(xí)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(yīng)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(jié)構(gòu)（源極與襯底極相連，圖中未體現(xiàn)）。

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(qū)，分別稱為源區(qū)和漏區(qū)，他們各自與P區(qū)襯底形成PN⁺結(jié)。

襯底表面生長著一層薄薄的二氧化硅的絕緣層（即陰影區(qū)域），并且在兩個N+區(qū)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(qū)和漏區(qū)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(nèi)部已經(jīng)連通，甚至很多MOSFET內(nèi)部還在D、S之間并聯(lián)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jié)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(jié)反偏，襯底必須接在電路中的最高電位上。

2.2 JFET結(jié)型場效應(yīng)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(guān)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(guān)系，稱為轉(zhuǎn)移特性；輸出電壓U_GDS與輸出電流i_D的關(guān)系，稱為輸出特性。

左圖為轉(zhuǎn)移特性；右圖為輸出特性，共用縱軸。

其實，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移特性曲線（標注U_DS=1.2V綠線）。

判斷JFET的工作狀態(tài)

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

S和D的區(qū)分

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

規(guī)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(jù)下表輕松判斷出JFET的工作狀態(tài)。

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

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

左圖為轉(zhuǎn)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)相對較簡單。它的D和S是明確區(qū)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(qū)、可變電阻區(qū)、以及恒流區(qū)。

根據(jù)下表可以判斷MOSFET的工作狀態(tài)。

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

注：U_{DS_DV}為分界點電壓_。

3 結(jié)語

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

場效應(yīng)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(guān)使用時，MOS管工作在線性區(qū)；

當MOS管作為放大器使用時，MOS管工作在飽和區(qū)。

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。

4 往期精彩

《一文搞懂》系列文章

一文搞懂HDMI/DP/DVI/VGA顯示器接口歷史演進一文搞懂USB各個版本的歷史演進一文搞懂高速TIA跨阻放大器設(shè)計一文搞懂電阻，這篇講得很全面，建議收藏一文搞懂共模電感原理一文搞懂MLCC電容的特性及生產(chǎn)工藝流程一文搞懂電感Isat、Irms以及測量方法