干货|MOSFET场效应管的分类及工作原理

电子工程世界 2023-06-30 07:31

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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。

2 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；

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

场效应管在大类上分为JFET和MOSFET。

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。

实际使用时，我们比较常见的场效应管是MOSFET。

MOSFET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。

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。

MOSFET也分N沟道和P沟道。

需要注意的是，场效应管中，源极和漏极是对称的，可以互换。

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）。

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。

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i_D。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i_B控制i_C。

不论增强型或耗尽型场效应管，对于N沟道器件，i_D为电子电流，因此U_DS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，i_D为空穴电流，因此U_DS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

我们无法像BJT一样，研究JFET的输入电压U_GS与输入电流i_G的关系，因为JFET有极高的输入阻抗，i_G近似为0。所以只能研究输入电压U_GS与输出电流i_D的关系，称为转移特性；输出电压U_GDS与输出电流i_D的关系，称为输出特性。

左图为转移特性；右图为输出特性，共用纵轴。

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U_DS=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U_DS=6V）的曲线。又比如选择U_DS=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U_DS=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，U_GS大于0V的状态。

S和D的区分

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：

N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。

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 JFET	U_GS≤U_GSOFF	U_GS＜U_GSOFF≤0v	U_GS>0V
	截止区	U_DS＜U_{DS_DV}，可变电阻区	异常状态
		U_DS＞U_{DS_DV}，恒流区
P沟道 JFET	U_GS≥U_GSOFF	U_GSOFF＞U_GS≥0v	U_GS＜0V
	截止区	U_DS＞U_{DS_DV}，可变电阻区	异常状态
		U_DS＜U_{DS_DV}，恒流区

注：U_{DS_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。

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。

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。

MOSFET也可以工作在截止区、可变电阻区、以及恒流区。

根据下表可以判断MOSFET的工作状态。

N沟道 MOSFET	U_GS≤U_GSTH	U_GS＞U_GSTH	U_GS>0V
	截止区	U_DS＜U_{DS_DV}，可变电阻区	异常状态
		U_DS＞U_{DS_DV}，恒流区
P沟道 MOSFET	U_GS≥U_GSTH	U_GS ＜U_GSTH	U_GS＜0V
	截止区	U_DS＜U_{DS_DV}，恒流区	异常状态
		U_DS＞U_{DS_DV}，可变电阻区