模電基礎：場效應管

一、場效應管概述

二、結型場效應管：基礎場效應管

（1）基本結構：PN結+導電溝道

（2）工作原理：耗盡區擠壓溝道從而控制電流

（3）特性曲線

1.轉移特性

2.輸出特性

（4）優點與缺點

三、絕緣柵型場效應管：MOS管---主流應用

（1）基本結構：絕緣層 + 導電溝道

（2）工作原理：電場 “感應” 溝道控電流

（3）特性曲線

（4）優缺點與應用?

一、場效應管概述

????????場效應管（Field Effect Transistor，簡稱 FET）是一種利用電場效應控制電流的半導體器件，屬于單極型晶體管（僅依靠一種載流子 —— 電子或空穴導電），核心特點是 “電壓控制電流”，輸入電阻極高（通常達 10?~101?Ω），功耗低、噪聲小，廣泛應用于放大、開關、穩壓等電子電路中。?

????????根據結構和工作原理的不同，場效應管主要分為兩大類：結型場效應管（Junction Field Effect Transistor，JFET）和絕緣柵型場效應管（Insulated Gate Field Effect Transistor，IGFET），其中絕緣柵型場效應管因柵極與溝道之間有絕緣層，又常被稱為 MOS 管（Metal-Oxide-Semiconductor FET，金屬 - 氧化物 - 半導體場效應管），是目前應用最廣泛的場效應管類型。

二、結型場效應管：基礎場效應管

? ? ? ? 結型場效應管是最早出現的場效應管，結構相對簡單，核心在于利用PN結的耗盡區控制導電溝道的開斷，適用于入門理解場效應管的原理。

（1）基本結構：PN結+導電溝道

JFET 的結構可概括為 “一塊半導體 + 兩個 PN 結 + 三個電極”，具體如下：?

襯底半導體：通常用 N 型或 P 型半導體（主流是 N 型），形成 “導電溝道”（電流流通的路徑）；?

兩個 PN 結：在襯底半導體兩側，通過擴散工藝制作與襯底導電類型相反的半導體區（如 N 溝道 JFET 的兩側是 P 型區），形成兩個反向偏置的 PN 結（稱為 “耗盡層”，無自由載流子，不導電）；?

三個電極：?

柵極（G，Gate）：從兩側的 P 型區（N 溝道 JFET）引出，控制溝道寬度；?

源極（S，Source）：從溝道的一端引出，是載流子的 “源頭”；?

漏極（D，Drain）：從溝道的另一端引出，是載流子的 “出口”。?

????????根據導電溝道的類型，JFET 分為N 溝道結型場效應管和P 溝道結型場效應管，兩者工作原理對稱（僅載流子類型和電壓極性相反），新手重點掌握 N 溝道即可。

（2）工作原理：耗盡區擠壓溝道從而控制電流

????????JFET 的核心是通過柵源電壓（VGS）控制漏極電流（ID），關鍵在于 “反向偏置的 PN 結耗盡層寬度變化”，具體過程如下（以 N 溝道 JFET 為例）：?

初始狀態：當 VGS=0（柵極與源極短接）時，兩個 PN 結的耗盡層較窄，導電溝道較寬，此時若在漏極和源極之間加正向電壓（VDS>0），N 溝道中的自由電子會從源極向漏極移動，形成漏極電流 ID（方向與電子運動方向相反）；?

控制過程：當加反向柵源電壓（VGS<0，因為 N 溝道 JFET 的柵極是 P 型，源極是 N 型，反向偏置可避免 PN 結正向導通）時，反向電壓會使 PN 結的耗盡層變寬，“擠壓” 中間的導電溝道，導致溝道變窄、電阻增大，漏極電流 ID 減小；?

夾斷狀態：當 VGS 的反向電壓增大到某一值（稱為 “夾斷電壓 VGS (off)”）時，兩側的耗盡層完全 “合攏”，導電溝道被徹底阻斷，ID≈0，此時 JFET 處于 “截止” 狀態。?

????????簡單理解：JFET 的導電溝道像一根 “水管”，耗盡層像水管壁，VGS 就像 “擠壓水管的力”—— 力越大（VGS 反向電壓越大），水管越細（溝道越窄），水流（ID）越小，直到水管被捏斷（夾斷），水流停止。

我們先只考慮柵極和源極之間的電壓，讓漏極、源極短接：

然后再來看看在Ugs固定的情況下，增大Uds會產生什么樣的變化：

（3）特性曲線

1.轉移特性

????????

2.輸出特性

（4）優點與缺點

優點：結構簡單、成本低、輸入電阻高（比普通三極管高 103~10?倍）、噪聲小；?

缺點：柵源電壓不能正向偏置（否則 PN 結導通，輸入電阻驟降）、開關速度較慢、電流容量較小；?

典型應用：小信號放大電路（如收音機前置放大）、恒流源電路、低噪聲傳感器信號處理電路。

三、絕緣柵型場效應管：MOS管---主流應用

????????絕緣柵型場效應管（MOS 管）是目前電子電路中最常用的場效應管，核心改進是 “柵極與溝道之間加絕緣層”，解決了 JFET 不能正向偏置的問題，且開關速度快、集成度高，是芯片、電源、電機控制的核心器件。

（1）基本結構：絕緣層 + 導電溝道

MOS 管的結構核心是 “絕緣層隔離柵極與溝道”，具體如下（以 N 溝道 MOS 管為例）：?

襯底：通常是 P 型半導體（也有 N 型襯底）；?

絕緣層：在襯底表面生長一層極薄的氧化硅（SiO?），厚度僅幾十到幾百埃（1 埃 = 10?1?米），起絕緣作用；?

柵極：在絕緣層表面蒸鍍一層金屬（如鋁），形成柵極（G），因絕緣層隔離，柵極無電流通過；?

源極與漏極：在襯底上絕緣層兩側，通過擴散工藝制作兩個高濃度 N 型半導體區，分別引出源極（S）和漏極（D）；?

導電溝道：源極和漏極之間的區域，需通過柵源電壓（VGS）控制是否形成及寬度（與 JFET 不同，MOS 管可 “無溝道” 初始狀態）。?

根據 “是否需要 VGS 形成溝道”，MOS 管分為增強型（Enhancement Mode）和耗盡型（Depletion Mode），每種類型又分 N 溝道和 P 溝道，其中N 溝道增強型 MOS 管（NMOS）是新手最需掌握的主流類型。

圖中的N+表示這里N型半導體的濃度很高。

（2）工作原理：電場 “感應” 溝道控電流

????????MOS 管的核心是通過柵源電壓產生的電場感應出導電溝道，進而控制漏極電流，以下分 “增強型” 和 “耗盡型” 講解（均以 N 溝道為例）：?

（1）N 溝道增強型 MOS 管（最常用）?

初始狀態：當 VGS=0 時，源極（N 型）和漏極（N 型）之間是 P 型襯底，相當于兩個反向串聯的 PN 結（N-P-N），無導電溝道，此時即使加 VDS>0，ID≈0（截止狀態）；?

溝道形成：當加正向柵源電壓（VGS>0）時，柵極金屬層帶正電，會通過絕緣層感應襯底中的自由電子（N 型載流子）向襯底表面聚集，當 VGS 增大到某一值（“開啟電壓 VGS (th)”）時，襯底表面的電子濃度超過空穴濃度，形成一層 “N 型導電溝道”（連接源極和漏極）；?

電流控制：溝道形成后，加 VDS>0，電子從源極經溝道流向漏極，形成 ID；VGS 越大，電場越強，感應的電子越多，溝道越寬、電阻越小，ID 越大（“電壓控制電流” 的體現）。?

簡單理解：增強型 MOS 管像 “沒有水管的水龍頭”，VGS（正向電壓）相當于 “打開水龍頭的力”—— 力足夠大（超過 VGS (th)），才會形成水管（溝道），水流（ID）隨力的增大而增大。?

先來看看源漏短接時候的分析：

然后看看漏極電壓不斷升高的情況：

（2）N 溝道耗盡型 MOS 管?

初始狀態：與增強型不同，耗盡型 MOS 管在制造時，會在源漏之間的襯底表面預先形成一層 N 型導電溝道（無需 VGS 即可存在），因此 VGS=0 時，加 VDS>0 就能產生 ID；?

電流控制：當 VGS>0（正向電壓）時，電場會吸引更多電子到溝道，溝道變寬，ID 增大；當 VGS<0（反向電壓）時，電場會排斥溝道中的電子，溝道變窄，ID 減小；當 VGS 負到 “夾斷電壓 VGS (off)” 時，溝道被耗盡層阻斷，ID≈0。?

????????耗盡型 MOS 管像 “自帶水管的水龍頭”——VGS 正向時 “開大水管”（ID 增大），反向時 “關小水管”（ID 減小），直到完全關斷（夾斷）。

? ? ? ? 耗盡型MOS管和增強型工作原理是一樣的，只不過此時柵極的外接電壓通過反接來控制N溝道的通斷。

（3）特性曲線

? ? ? ? 這個與結型場效應管類似，不過多贅述，了解一下即可。

（4）優缺點與應用?

優點：?

輸入電阻極高（因柵極絕緣，幾乎無電流）；?

增強型 MOS 管可正向偏置，開關速度快（比 JFET 快 1~2 個數量級）；?

體積小、集成度高（可制作成 MOS 集成電路，如 CPU、單片機）；?

功率 MOS 管電流容量大，適合大電流場景；?

缺點：?

絕緣層極薄，易被靜電擊穿（需防靜電處理）；?

高頻特性略遜于部分三極管；?

典型應用：?

增強型 NMOS：數字電路（如 CPU、邏輯門）、開關電源（如手機充電器）、電機驅動（如無人機電機控制）；?

耗盡型 MOS 管：高頻放大電路、恒流源電路（因可雙向控制電流）；?

PMOS（P 溝道 MOS 管）：常與 NMOS 搭配組成 “互補 MOS 電路（CMOS）”，用于低功耗數字電路。