淺談MOSFET場(chǎng)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(gè)分支，叫場(chǎng)效應(yīng)管（Field Effect Transistor，簡(jiǎn)稱FET）,由結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（Junction Field Effect Transistor，簡(jiǎn)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(chǎng)效應(yīng)管（Meta Oxide Semiconductor FET，簡(jiǎn)稱MOSFET,1960年誕生）組成。

2 場(chǎng)效應(yīng)管的分類及工作原理

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

而在場(chǎng)效應(yīng)管中，只有一種載流子運(yùn)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(yīng)管分類 場(chǎng)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(hào)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(chǎng)合有限，所以市場(chǎng)上該類產(chǎn)品數(shù)量較少。

實(shí)際使用時(shí)，我們比較常見的場(chǎng)效應(yīng)管是MOSFET。 MOSFET分為EMOS（Enhancement MOS， 增強(qiáng)型MOS）和DMOS(Depletion MOS ，耗盡型MOS)兩種。DMOS與EMOS的電路符號(hào)不同之處是，DMOS將EMOS中的虛線用實(shí)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(qiáng)型MOSFET。 MOSFET也分N溝道和P溝道。

需要注意的是，場(chǎng)效應(yīng)管中，源極和漏極是對(duì)稱的，可以互換。

上圖為一個(gè)增強(qiáng)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(kuò)散出兩個(gè)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(zhǎng)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(gè)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(shí)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(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(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(chǎng)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。

不論增強(qiáng)型或耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管，對(duì)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(jié)反偏，襯底必須接在電路中的最低電位上。對(duì)于P溝道器件，iD為空穴電流，因此UDS必須為負(fù)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(chǎng)效應(yīng)管

我們無法像BJT一樣，研究JFET的輸入電壓UGS與輸入電流iG的關(guān)系，因?yàn)镴FET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，稱為轉(zhuǎn)移特性；輸出電壓UGDS與輸出電流iD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(shí)，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(gè)圖繪制出另外一個(gè)圖。方法也很簡(jiǎn)單，比如我們?cè)谟覉D中，在UDS=6V位置，畫一根縱線，它和多根曲線相交，得到的點(diǎn)，繪制出來就是左圖（標(biāo)注UDS=6V）的曲線。又比如選擇UDS=1.2V的位置，畫一根縱線，在左圖中就會(huì)得到不同的轉(zhuǎn)移特性曲線（標(biāo)注UDS=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(shí)，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(duì)N溝道JFET而言，UGS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(biāo)注的，因此，我們需要學(xué)會(huì)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)。

注：UDS_DV為分界點(diǎn)電壓。 2.2 MOSFET金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管 N溝道增強(qiáng)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(duì)較簡(jiǎn)單。它的D和S是明確區(qū)分的，嚴(yán)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)。

注：UDS_DV為分界點(diǎn)電壓。

3 結(jié)語

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

場(chǎng)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(dāng)MOS管作為開關(guān)使用時(shí)，MOS管工作在線性區(qū)；

當(dāng)MOS管作為放大器使用時(shí)，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。