场效应管

一、场效应管介绍

场效应管全称是金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效应晶体管，英文全称是Metal Oxide Semicondutor Field Effect Transistor，取其英文全称大写首字母，简称MOS或MOSFET。它是电压控制电流的元器件（即利用栅极电压来控制漏极电流），导电情况取决于栅极电压的高低。具有输入电阻高（10^8~10^9Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点。它的漏极源极静态伏安特性以栅极G-源极S之间的电压Ugs（或Vgs）为参考变量，漏极D-源极S之间的电流Ids与栅极G-源极S之间的电压Ugs（或Vgs）之间的关系由跨导Gm 决定。如下图所示。

二、场效应管内部结构（以N沟道增强型场效应管为例）

用一块P型硅半导体材料（有大量带正电空穴）作衬底，在其面上扩散了两个N型区（有大量带负电自由电子），再在上面覆盖一层二氧化硅(SiO2）绝缘层，最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔，用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极：栅极G、源极S及漏极D，三者之间互相绝缘。如下图所示。

三、场效应管种类

（1）、构造工艺

结型场效应管（全称英文是 Junction Field Effect Transistor，简称JFET。）、绝缘栅场效应管（MOS管或MOSFET管）

（2）、导电方式

分耗尽型（即栅极电压为零时，漏极有较大电流。）与增强型（即当栅极电压为零时，漏极D电流也为零，在加一定栅极电压之后，漏极才有漏极电流。），结型场效应管均为耗尽型（即栅极电压为零时，漏极有较大电流。），绝缘栅型场效应管既有耗尽型（即栅极电压为零时，漏极有较大电流。），也有增强型（即当栅极电压为零时，漏极电流也为零，在加一定栅极电压之后，漏极才有漏极电流。）。

（3）、沟道材料型

N沟道、P沟道，其中N是负极的意思（代表英文中Negative），N型半导体在高纯度硅中加入磷取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子（带负电）导电，而P是正极的意思（代表英文中Positive）是加入硼取代硅，产生大量空穴（带正电）。）。

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四、场效应管工作原理（以N沟道增强型场效应管为例）

1、场效应管工作原理（以N沟道增强型场效应管为例）概括

要使N沟道NPN增强型场效应管正常工作，需在栅极G-源极S之间加正电压Vgs（或Ugs）及在漏极D-源极S之间加正电压Vds（或Uds），则产生流向漏极的正向工作电流Id。改变栅极G-源极S之间正电压Vgs（或Ugs）的电压，可控制流向漏极的工作电流Id。如下图所示。

2、场效应管工作原理（以N沟道增强型场效应管为例）详细分析

（1）、当不给栅极G-源极S之间加电压（即Vgs=0），漏极D-源极S之间有一个PN结，带负电的电子从源极S流向漏极D，但漏极D-源极S之间有一个阻碍，就是P型硅半导体材料，带有大量带正电的空穴，大部分流过来的带负电的电子被带正电的空穴中和掉，且漏极D与衬底之间的PN结处于反方向，因此漏极D-源极S之间不能导电，如下图所示。

（2）、如果在栅极G-源极S之间加一电压Vgs（或Ugs）,此时栅极G与衬底可看做电容器的两个极板，绝缘层和栅极G的界面上感应出正电荷，绝缘层和P型衬底界面上感应出负电荷，有可能将漏极D与源极S连接，形成导电沟道，则产生流向漏极D的正向工作电流Id，如下图所示。

（3）、当在栅极G-源极S之间加上足以导通场效应管的电压Vgs（或Ugs）时，绝缘层和栅极G的界面上感应出大量正电荷，绝缘层和P型衬底界面上感应出大量负电荷，而绝缘层和栅极G的界面上感应出的正电荷会吸引绝缘层和P型衬底界面上感应的负电荷，若加大导通场效应管的栅极G-源极S之间电压Vgs（或Ugs），绝缘层和栅极G的界面上感应出的大量正电荷会不断吸引绝缘层和P型衬底界面上感应的大量负电荷，形成一个具有大量负电荷的导电沟道，让从源极S流向漏极D大量带负电荷的自由电子顺利通过，从而产生流向漏极D的正向工作电流Id，如下图所示。

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五、场效应管输出特性曲线（以N沟道增强型场效应管为例）

场效应管输出特性曲线是指栅极G-源极S之间电压Vgs（或Ugs）为定值时，流向漏极电流Id与漏极D-源极S之间电压Vds（或Uds）的关系曲线，如下图所示。

说明：由上图可知，场效应管输出特性可以分为三个区：截止区、恒流区、可变电阻区，分别对这三个区做如下说明。

（1）、截止区（或夹断区）

当栅极G-源极S之间电压Ugs（或Vgs）> 栅极G-源极S之间开启电压U_gs(th)（或Vgs(th)）时，场效应管开始导通。若栅极G-源极S之间电压Ugs（或Vgs）< 栅极G-源极S之间开启电压U_gs(th)（或Vgs(th)），场效应管处于截止区，也叫夹断区，靠近横坐标的粉色部分，表示流向漏极D的正向工作电流Id为0，场效应管不能工作。

（2）、恒流区（或饱和区）

当满足栅极G-源极S之间电压Ugs（或Vgs）≥ 栅极G-源极S之间开启电压U_gs(th)（或Vgs(th)）时，且漏极D-源极S之间电压Uds（或Vds）≥ 栅极G-源极S之间电压Ugs（或Vgs）- 栅极G-源极S之间开启电压U_gs(th)（或Vgs(th)）时，场效应管进入恒流区，也叫饱和区，横纵坐标中间的绿色部分。流向漏极D的正向工作电流Id不随漏极D-源极S之间电压Uds（或Vds）变化，主要决定于栅极G-源极S之间电压Ugs（或Vgs）。当场效应管用来做放大电路时，就是工作在恒流区（饱和区），相当于三极管的放大区。

（3）、可变电阻区

当满足栅极G-源极S之间电压Ugs（或Vgs）> 栅极G-源极S之间开启电压U_gs(th)（或Vgs(th)），且漏极D-源极S之间电压Uds（或Vds）< 栅极G-源极S之间电压Ugs（或Vgs）- 栅极G-源极S之间开启电压U_gs(th)（或Vgs(th)）时，场效应管进入可变电阻区，靠近纵坐标左边的粉色部分。流向漏极D的正向工作电流Id随着漏极D-源极S之间电压Uds（或Vds）的增加而上升，两者基本是线性关系，可以将其看作是一个线性电阻。当栅极G-源极S之间电压Ugs（或Vgs）不同时，场效应管的电阻阻值就会不同，相当于一个由栅极G-源极S之间电压Ugs（或Vgs）控制的可变电阻。

（4）、击穿区

靠近恒流区（或饱和区）右边的粉色部分，若漏极D-源极S之间电压Uds（或Vds）不断增大，PN结承受太大的反向电压会被击穿，工作时应该避免让场效应管工作在该区域。

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六、场效应管转移特性曲线（以N沟道增强型场效应管为例）

场效应管转移特性曲线是指漏极D-源极S之间电压Uds（或Vds）为定值时，流向漏极电流Id与栅极G-源极S之间电压Ugs（或Vgs）的关系曲线，如下图所示。