赶工写的场效应管入门

场效应管，又称场效应晶体管（FET），是一种利用控制输入回路的电压（实际上是电场）来控制输出回路电流的一种半导体器件。场效应管一般分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管。我们首先介绍第二类。

常见的MOSFET

绝缘栅型场效应管的特点是各电极之间是绝缘的，其输入电阻由绝缘材料(SiO2)决定。它的直流电阻在 1010Ω以上。以 SiO2 为绝缘层的绝缘栅型场效应管是一种金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOS管或MOSFET。 (MOS 是 Metal金属、 Oxide氧化物、Semiconductor半导体三个英文字的缩写)。分N沟道与P沟道两类，每一类又有耗尽型与增强型两种，共四种 MOS 管。 N 沟道的 MOS 管简称与 NMOS 管， P 沟道的 MOS 管简称为 PMOS 管。

MOSFET在电子设备内部有着极为广泛的应用，比如CPU、GPU等。MOSFET是一种驱动型开关，它可以单独控制电流，而不需要改变电路的既有形式。其核心原理是利用电场的作用，使得一定区域或导电或断开。MOSFET和其他的晶体管一样由半导体材料构成，如果对半导体相关知识还不了解的可以回看之前有关二极管和三极管的内容，这里不再过多介绍。

1.N沟道增强型MOS管工作原理简单介绍与分析

(N沟道增强型MOS管结构图

在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极D和源极S。然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏—源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极G。衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。如果我们在MOSFET上连接一个电源单元，我们会发现在MOSFET右侧（靠近电源正极一侧）的PN结上，电子被吸引靠近电源的正极，而空穴则会相应地远离N区。即：右侧耗尽区宽度因电源而增加，在这种情况下就没有电子能够通过MOSFET，即MOSFET无法工作。这时候我们需要使用一种技术来解决这一问题。

在介绍这种技术前，首先需要复习一下高中物理的知识——电容。电容可以看成是两个平行的金属板中间夹着绝缘介质，当在金属板间接通DC电源时，电源正极会吸引金属板上的电子，且这些电子会吸附在另一端的金属板上，进而产生电场。如果我们把MOSFET的P区作为其中一端的金属板，再连接电源，那么电子将会离开金属板，然后经过电源分散到P区的衬底中。由于电子的流动，金属板上的正电荷将会产生如图所示的电场。

之前说过，在P区仍有少数自由电子存在，而电荷作用产生的电场则会将这些电子吸附到顶部，在这个过程中，部分电子会与空穴结合，顶部区域充满了电子。在该部分下方的空穴也都被填满了，但是下方并没有自由电子存在，所以这里将会成为一个新的耗尽层。

从图上可以看出，两个耗尽层被中间新生成的耗尽层连在了一起，并形成了一个由自由电子所形成的导电沟道。这时候我们再按照开始的那样连接电源，电子就能在MOSFET的两端流动了。这便是一个MOSFET的开启状态。这时候我们就能把FET三个级的命名和电子的流动状态联系起来了：电子从源极（SOURCE）流入，经过栅极（GATE），再从漏极（DRAIN）流出。

如果栅极施加的电压较低，那么电场就会减弱，也不会有导电沟道的生成。因此，只要通过控制栅极电压，我们就能打开和关闭MOSFET。

2.较为具体地分析N沟道增强型MOS管工作原理

首先介绍vGS（源-栅电压）对于iD（漏极电流）的控制作用。

vGS=0的情况下

由MOSFET基本结构图可以看出，增强型MOSFET的源极和漏极之间有两个背靠背的PN结。当vGS=0时，无论vDS（漏-栅电压）大小和极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，导电沟道无法形成，此时iD=0.

vGS>0的情况下

当vGS>0时，栅极和衬底之间的二氧化硅绝缘层中便会产生电场。电场方向垂直于半导体表面的由栅极指向衬底。此电场能够排斥空穴而吸引电子。

导电沟道的形成

当vGS数值较少，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现。vGS增大时，电场吸引到P衬底表面层的电子就增多，当vGS达到某一数值时，这些电子将会在栅极附近的P衬底表面形成一个N型薄层，且薄层将会与左右两个N+区相连通，即在漏-源极间形成N型导电沟道。vGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到Ｐ衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小（类比于导线粗细对电流的影响）。

开启电压

开始形成导电沟道时的栅－源极电压称为开启电压，用vT表示。N沟道MOS管在vGS<vT时无法形成导电沟道，MOS管处于截止状态。只有当vGS大于等于vT时，导电沟道才会形成。此类只有在vGS大于等于vT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。沟道形成后在漏-源极间加上正向电压vDS，就有漏极电流产生。

vDS对iD的影响

由于漏极电流沿沟道产生的压降会使沟道内部各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大，沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为vGD=vGS-vDS，因而沟道最薄。由等式可以看出，当vDS逐渐增大时，靠近漏极的沟道厚度将会越来越薄，当vDS增加到使vGD=vGS-vDS=vT时，沟道将在漏极一端出现预夹断（载流子浓度极低）。再继续增大vDS，夹断点将会向源极方向移动，vDS的增加部分几乎全部落在夹断区内，iD几乎不随vDS增大而增加，MOS管进入饱和区。

（a图vGS>vT时因压降沟道厚度不均匀分布，b图沟道在D端发生预夹断，c图夹断点移动）

3.N沟道增强型MOS管工作区和特性曲线

上面这张图即MOS管输出特性曲线图。

从图中可以看出MOS管的四个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区、击穿区。我们依次介绍。

截止区

当满足vGS<vT时，MOS管进入截止区。截止区位于输出特性曲线最下方靠近横坐标的部分，表示MOS管不能导电（原因上面说过），处在截止状态。截止区也被称为夹断区，在该区内导电沟道全部夹断，iD=0，MOS管不工作。

恒流区

当满足vGS大于等于vT时（导电沟道能够生成），且vDS大于等于vGS-vT（避开预夹断轨迹曲线），MOS管进入恒流区。恒流区处在输出特性曲线中间的位置，电流iD基本上不随vDS变化，其大小主要决定于vGS，所以叫做恒流区，又名饱和区。MOS管的恒流区相当于三极管的放大区。

可变电阻区

当满足vGS>vT时，且满足vDS<vGS-vT，MOS管进入可变电阻区。又图像可得在该区域二者基本上呈线性关系，所以该区域内的MOS管可以看作是一个可变电阻，其阻值随vGS的变化而变化。

击穿区

击穿区位于曲线最右侧。当vDS持续增大时，PN结因承受太大的反向电压而被击穿。实际应用中应避免此区域。

如上图，左侧为已经介绍过的MOS管输出特性曲线，右图为转移特性曲线（以 UDS为参变量，栅压 UGS对漏流 ID的控制关系曲线）。当 vGS≤vT时，ID=0， vGS＞vT后， ID随 vGS增加而增大。 ID与 vGS之间的关系还可用下式近似表示（UGS(th) 即vT）

式中 I0是 UGS=2UGS(th)时的 iD值，代入可知。

4.N 沟道耗尽型绝缘栅场效应管

耗尽型与增强型的主要区别在于耗尽型MOS管在G端（Gate）不加电压时有导电沟道存在，而增强型MOS管只有在开启后，才会出现导电沟道；两者的控制方式也不一样，耗尽型MOS管的vGS（栅极电压）可以用正、零、负电压控制导通。

由于耗尽型N沟道MOS管在SiO2绝缘层中掺有大量的Na+或K+正离子（制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子），当VGS=0时，这些正离子产生的电场能在P型衬底中感应出足够的电子，形成N型导电沟道；当VGS=0时，将产生较大的ID（漏极电流）；如果使VGS=0，则它将削弱正离子所形成的电场，使N沟道变窄，从而使ID减小。

这些特性使得耗尽型MOS管在实际应用中，当设备开机时可能会误触发MOS管，导致整机失效；不易被控制，使得其应用极少。

（N沟道耗尽型MOS管结构和符号）

（N沟道耗尽型MOS管的转移曲线（左）和输出曲线（右））

5.P 沟道绝缘栅场效应管(PMOS 管)

(增强型 PMOS 管的结构示意图 )

PMOS 管与 NMOS 管互为对偶关系，也分为耗尽型和增强型两种。工作时为了在两个 P+型区之间形成由空穴构成的 P 型导电沟道，栅源电压 UGS必须为负值，漏源电压UDS 和漏极电流的实际方向也与 NMOS相反。

6.结型场效应管(JFET)

N·JFET结构图及符号

NJFET工作原理：

UDS决定耗尽层的楔形程度：UDS使两个耗尽层处于反压，而且由上而下受压不均匀，上强下弱，从而使耗尽层形成楔形。 UDS越大，楔形程度越强。
UGS决定沟道的宽窄度：当 UGS一定，耗尽层的楔形固定。负栅压 UGS=0 时，N 沟道最宽，漏极电流最大；增加负栅压值时，两耗尽层加厚而靠近，N 沟道变窄，沟道电阻变大，漏电流 ID变小；继续加大负栅压时，两耗尽层上端相遇，出现预夹断。随着负栅压越来越大，接触的部分越来越多，漏电流ID越来越小。规定当 ID=1μA(或10μA)时，认为管子被夹断，即管子处于截止状态。此时的 UGS值称夹断电压 UGS(off)。
UDS、 UGS同时作用：两个电场同时作用时， N 沟道在耗尽层楔形基础上，随 UGS作宽窄度变化，从而控制 ID的大小。

NJFET转移特性与漏极（输出）特性：

1.转移特性曲线
- 当 UDS=0 时N沟道最宽，ID最大，记作IDSS，称最大饱和漏电流。当 UDS＜0 时，两个耗尽层加厚，ID成指数规律下降，其特征方程为

当 UGS=UGS(off)时，N沟道被夹断，ID≈0，管子截止。

2.输出特性曲线

若将N 型衬底换成 P 型，两个 P+区换成 N+区，并引出相应的电极，则可制成 P 沟道结型场效应管。其电路符号只需将NJFET的箭头指向外部即可。

P 沟道结型场效应管的工作原理与 N 沟道管相同。只是它们的导电沟道不同，参与导电的载流子不同。它们的转移特性曲线关于原点为对称。漏极特性曲线族类似，只是控制量 UGS 的极性有所不同: P沟道管的 UGS≥0，而 N 沟道管的UGS≤0。

7.各种FET特性比较

8.场效应管的主要参数

1）直流参数

1.夹断电压 UGS(off) 是指当 ID≈0 时对应的UGS值。适用于 J 型管及耗尽型的 MOS 管。约有几伏数量级。 UGS(off)的大小直接在转移特性上查到，也能在漏极特性上查到：对应基本与横坐标重合的漏极特性曲线所标示的 UGS值。

2.开启电压 UGS(th) 指当 UDS=C 时，使D—S极连接起来所需要的最小UGS值。适用于增强型MOS管。对耗尽型管，其夹断电压就是它的开启电压。

3.饱和漏电流 IDSS 指 UGS=0，UDS＞UGS(off)时的沟道电流。适用于耗尽型管。

4.直流输入电阻 RGS 指当 UDS=0 时，UGS与栅极电流的比值。对于J型管，在107 Ω至109 Ω；对 MOS 管一般可达 10^12Ω至 10^15Ω。

5.击穿电压

(1)U(BR)DS指在漏极特性中使 ID开始剧增的 UDS值；

(2)U(BR)GS对 J 型管，使反向饱和电流开始剧增时所对应的 UGS值。对 MOS 管，使 SiO2绝缘层击穿的 UGS值。

2）微变等效电路及其参数

9.场效应管和双极三极管的比较及选用依据

FET是压控元件，而双极型三极管则是流控元件，所以在向信号源基本不取电流的情况下，应该用场效应管；而在信号电压较弱但又允许取一定电流的情况下，应该选用双极三极管。（输入电阻高）
场效应管是利用多数载流子导电（如N型Si中的自由电子），而双极型三极管既利用多数载流子又利用少数载流子。少数载流子的数目容易受到外界温度或核辐射的因素的影响，因此在环境条件变化比较剧烈的情况下，采用场效应管比较合适。场效应管有一个零温度系数工作点，即当栅极电压在某一合适的数值时，iD不受温度变化的影响。（温度稳定性好）
场效应管的噪声系数较小，运行时较为安静，因此在低噪声放大器的前级常选用场效应管。（低噪声）
有些场效应管的源极和漏极可以互换，栅极电压可正可负可零，灵活性较强。
场效应管能在很小的电流或很低的电压下工作，故适用于作为小功率无触点电子开关和由电压控制的可变电阻，而且它的制造工艺便于集成化，因而在电子设备中得到极为广泛的应用。
场效应管的工作频率较低，不适合高频运用。绝缘栅型场效应管容易被感应电压击穿（称为栅穿）。其在使用和保存时应当注意防止栅穿，比如保存时将各电极短接在一起，焊接时电烙铁要有良好的接地线或断电后利用余热焊接。

10.FET与智能车之间的联系

FET实际上是用电压控制电流的电子元件，而之前的三极管则是由电流控制电流的电子元件。FET最重要的功能之一便是作为电子开关。电子开关在一秒内能实现几万甚至十几万次的开关，这是传统机械开关难以企及的。关于电子开关的实际应用，可以移步b站BV1hE411e7LP，这个小实验能形象的说明许多问题。MOSFET的另一个重要功能则是做放大电路，这个暂且不说。

电机驱动电路

MOSFET在智能车上的应用就在电机驱动上。电机是由PWM（脉冲宽度调制）信号控制的，而PWM信号可以通过控制MOSFET的开与关来改变PWM波的占空比，从而改变流经电机的有效电流，进而控制电机转速。其中PWM信号输出到栅极，高电平时MOS管导通，电机转动；低电平时MOS管截止，电机停转。用于MOS管开关频率极高，导通-截止速度快，极短时间内的电机开关通断累加起来就转化成了电机速度的变化。

（最后更新于2020.11.25）