MOSFET场效应管的分类及工作原理

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。

MOSFET场效应管的分类及工作原理的图1


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。

MOSFET场效应管的分类及工作原理的图2


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。

MOSFET场效应管的分类及工作原理的图3

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。

MOSFET场效应管的分类及工作原理的图4

需要注意的是,场效应管中,源极和漏极是对称的,可以互换。

MOSFET场效应管的分类及工作原理的图5

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。

MOSFET场效应管的分类及工作原理的图6

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iD。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iB控制iC

不论增强型或耗尽型场效应管,对于N沟道器件,iD为电子电流,因此UDS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,iD为空穴电流,因此UDS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UGS与输入电流iG的关系,因为JFET有极高的输入阻抗,iG近似为0。所以只能研究输入电压UGS与输出电流iD的关系,称为转移特性;输出电压UGDS与输出电流iD的关系,称为输出特性。

MOSFET场效应管的分类及工作原理的图7

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UDS=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UDS=6V)的曲线。又比如选择UDS=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UDS=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,UGS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。  

MOSFET场效应管的分类及工作原理的图8

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

UGS≤UGSOFF

UGS<UGSOFF≤0v

UGS>0V

截止区

UDS<UDS_DV,可变电阻区

异常状态

UDS>UDS_DV,恒流区

P沟道

JFET

UGS≥UGSOFF

UGSOFF>UGS≥0v

UGS<0V

截止区

UDS>UDS_DV,可变电阻区

异常状态

UDS<UDS_DV,恒流区

注:UDS_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。


MOSFET场效应管的分类及工作原理的图9


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场效应管的分类及工作原理的图10

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

UGS≤UGSTH

UGS>UGSTH

UGS>0V

截止区

UDS<UDS_DV,可变电阻区

异常状态

UDS>UDS_DV,恒流区

P沟道

MOSFET

UGS≥UGSTH

UGS <UGSTH

UGS<0V

截止区

UDS<UDS_DV,恒流区

异常状态

UDS>UDS_DV, 可变电阻区

注:UDS_DV为分界点电压

3 结语

本文主要介绍了场效应管的历史、分类、电路符号以及如何判断场效应管工作状态的基础知识。

场效应管的核心原理是,GS两端的电压,控制漏极电流iD。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iB控制iC。

当MOS管作为开关使用时,MOS管工作在线性区;

当MOS管作为放大器使用时,MOS管工作在饱和区。

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。

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本文转载自硬件花园

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