模电基础：场效应管
目录
一、场效应管概述
二、结型场效应管：基础场效应管
（1）基本结构：PN结+导电沟道
（2）工作原理：耗尽区挤压沟道从而控制电流
（3）特性曲线
1.转移特性
2.输出特性
（4）优点与缺点
三、绝缘栅型场效应管：MOS管---主流应用
（1）基本结构：绝缘层 + 导电沟道
（2）工作原理：电场 “感应” 沟道控电流
（3）特性曲线
（4）优缺点与应用
一、场效应管概述
场效应管（Field Effect Transistor，简称 FET）是一种利用电场效应控制电流的半导体器件，属于单极型晶体管（仅依靠一种载流子 —— 电子或空穴导电），核心特点是 “电压控制电流”，输入电阻极高（通常达 10⁷~10¹⁵Ω），功耗低、噪声小，广泛应用于放大、开关、稳压等电子电路中。
根据结构和工作原理的不同，场效应管主要分为两大类：结型场效应管（Junction Field Effect Transistor，JFET） 和绝缘栅型场效应管（Insulated Gate Field Effect Transistor，IGFET） ，其中绝缘栅型场效应管因栅极与沟道之间有绝缘层，又常被称为 MOS 管（Metal-Oxide-Semiconductor FET，金属 - 氧化物 - 半导体场效应管），是目前应用最广泛的场效应管类型。
二、结型场效应管：基础场效应管
结型场效应管是最早出现的场效应管，结构相对简单，核心在于利用PN结的耗尽区控制导电沟道的开断，适用于入门理解场效应管的原理。
（1）基本结构：PN结+导电沟道
JFET 的结构可概括为 “一块半导体 + 两个 PN 结 + 三个电极”，具体如下：
- 衬底半导体：通常用 N 型或 P 型半导体（主流是 N 型），形成 “导电沟道”（电流流通的路径）；
- 两个 PN 结：在衬底半导体两侧，通过扩散工艺制作与衬底导电类型相反的半导体区（如 N 沟道 JFET 的两侧是 P 型区），形成两个反向偏置的 PN 结（称为 “耗尽层”，无自由载流子，不导电）；
- 三个电极：
- 栅极（G，Gate）：从两侧的 P 型区（N 沟道 JFET）引出，控制沟道宽度；
- 源极（S，Source）：从沟道的一端引出，是载流子的 “源头”；
- 漏极（D，Drain）：从沟道的另一端引出，是载流子的 “出口”。
根据导电沟道的类型，JFET 分为N 沟道结型场效应管和P 沟道结型场效应管，两者工作原理对称（仅载流子类型和电压极性相反），新手重点掌握 N 沟道即可。
（2）工作原理：耗尽区挤压沟道从而控制电流
JFET 的核心是通过栅源电压（VGS）控制漏极电流（ID） ，关键在于 “反向偏置的 PN 结耗尽层宽度变化”，具体过程如下（以 N 沟道 JFET 为例）：
- 初始状态：当 VGS=0（栅极与源极短接）时，两个 PN 结的耗尽层较窄，导电沟道较宽，此时若在漏极和源极之间加正向电压（VDS>0），N 沟道中的自由电子会从源极向漏极移动，形成漏极电流 ID（方向与电子运动方向相反）；
- 控制过程：当加反向栅源电压（VGS<0，因为 N 沟道 JFET 的栅极是 P 型，源极是 N 型，反向偏置可避免 PN 结正向导通）时，反向电压会使 PN 结的耗尽层变宽，“挤压” 中间的导电沟道，导致沟道变窄、电阻增大，漏极电流 ID 减小；
- 夹断状态：当 VGS 的反向电压增大到某一值（称为 “夹断电压 VGS (off)”）时，两侧的耗尽层完全 “合拢”，导电沟道被彻底阻断，ID≈0，此时 JFET 处于 “截止” 状态。
简单理解：JFET 的导电沟道像一根 “水管”，耗尽层像水管壁，VGS 就像 “挤压水管的力”—— 力越大（VGS 反向电压越大），水管越细（沟道越窄），水流（ID）越小，直到水管被捏断（夹断），水流停止。
我们先只考虑栅极和源极之间的电压，让漏极、源极短接：
然后再来看看在Ugs固定的情况下，增大Uds会产生什么样的变化：
（3）特性曲线
1.转移特性
2.输出特性
（4）优点与缺点
- 优点：结构简单、成本低、输入电阻高（比普通三极管高 10³~10⁶倍）、噪声小；
- 缺点：栅源电压不能正向偏置（否则 PN 结导通，输入电阻骤降）、开关速度较慢、电流容量较小；
- 典型应用：小信号放大电路（如收音机前置放大）、恒流源电路、低噪声传感器信号处理电路。
三、绝缘栅型场效应管：MOS管---主流应用
绝缘栅型场效应管（MOS 管）是目前电子电路中最常用的场效应管，核心改进是 “栅极与沟道之间加绝缘层”，解决了 JFET 不能正向偏置的问题，且开关速度快、集成度高，是芯片、电源、电机控制的核心器件。
（1）基本结构：绝缘层 + 导电沟道
MOS 管的结构核心是 “绝缘层隔离栅极与沟道”，具体如下（以 N 沟道 MOS 管为例）：
- 衬底：通常是 P 型半导体（也有 N 型衬底）；
- 绝缘层：在衬底表面生长一层极薄的氧化硅（SiO₂），厚度仅几十到几百埃（1 埃 = 10⁻¹⁰米），起绝缘作用；
- 栅极：在绝缘层表面蒸镀一层金属（如铝），形成栅极（G），因绝缘层隔离，栅极无电流通过；
- 源极与漏极：在衬底上绝缘层两侧，通过扩散工艺制作两个高浓度 N 型半导体区，分别引出源极（S）和漏极（D）；
- 导电沟道：源极和漏极之间的区域，需通过栅源电压（VGS）控制是否形成及宽度（与 JFET 不同，MOS 管可 “无沟道” 初始状态）。
根据 “是否需要 VGS 形成沟道”，MOS 管分为增强型（Enhancement Mode） 和耗尽型（Depletion Mode） ，每种类型又分 N 沟道和 P 沟道，其中N 沟道增强型 MOS 管（NMOS） 是新手最需掌握的主流类型。
图中的N+表示这里N型半导体的浓度很高。
（2）工作原理：电场 “感应” 沟道控电流
MOS 管的核心是通过栅源电压产生的电场感应出导电沟道，进而控制漏极电流，以下分 “增强型” 和 “耗尽型” 讲解（均以 N 沟道为例）：
（1）N 沟道增强型 MOS 管（最常用）
- 初始状态：当 VGS=0 时，源极（N 型）和漏极（N 型）之间是 P 型衬底，相当于两个反向串联的 PN 结（N-P-N），无导电沟道，此时即使加 VDS>0，ID≈0（截止状态）；
- 沟道形成：当加正向栅源电压（VGS>0）时，栅极金属层带正电，会通过绝缘层感应衬底中的自由电子（N 型载流子）向衬底表面聚集，当 VGS 增大到某一值（“开启电压 VGS (th)”）时，衬底表面的电子浓度超过空穴浓度，形成一层 “N 型导电沟道”（连接源极和漏极）；
- 电流控制：沟道形成后，加 VDS>0，电子从源极经沟道流向漏极，形成 ID；VGS 越大，电场越强，感应的电子越多，沟道越宽、电阻越小，ID 越大（“电压控制电流” 的体现）。
简单理解：增强型 MOS 管像 “没有水管的水龙头”，VGS（正向电压）相当于 “打开水龙头的力”—— 力足够大（超过 VGS (th)），才会形成水管（沟道），水流（ID）随力的增大而增大。
先来看看源漏短接时候的分析：
然后看看漏极电压不断升高的情况：
（2）N 沟道耗尽型 MOS 管
- 初始状态：与增强型不同，耗尽型 MOS 管在制造时，会在源漏之间的衬底表面预先形成一层 N 型导电沟道（无需 VGS 即可存在），因此 VGS=0 时，加 VDS>0 就能产生 ID；
- 电流控制：当 VGS>0（正向电压）时，电场会吸引更多电子到沟道，沟道变宽，ID 增大；当 VGS<0（反向电压）时，电场会排斥沟道中的电子，沟道变窄，ID 减小；当 VGS 负到 “夹断电压 VGS (off)” 时，沟道被耗尽层阻断，ID≈0。
耗尽型 MOS 管像 “自带水管的水龙头”——VGS 正向时 “开大水管”（ID 增大），反向时 “关小水管”（ID 减小），直到完全关断（夹断）。
耗尽型MOS管和增强型工作原理是一样的，只不过此时栅极的外接电压通过反接来控制N沟道的通断。
（3）特性曲线
这个与结型场效应管类似，不过多赘述，了解一下即可。
（4）优缺点与应用
- 优点：
- 输入电阻极高（因栅极绝缘，几乎无电流）；
- 增强型 MOS 管可正向偏置，开关速度快（比 JFET 快 1~2 个数量级）；
- 体积小、集成度高（可制作成 MOS 集成电路，如 CPU、单片机）；
- 功率 MOS 管电流容量大，适合大电流场景；
- 缺点：
- 绝缘层极薄，易被静电击穿（需防静电处理）；
- 高频特性略逊于部分三极管；
- 典型应用：
- 增强型 NMOS：数字电路（如 CPU、逻辑门）、开关电源（如手机充电器）、电机驱动（如无人机电机控制）；
- 耗尽型 MOS 管：高频放大电路、恒流源电路（因可双向控制电流）；
- PMOS（P 沟道 MOS 管）：常与 NMOS 搭配组成 “互补 MOS 电路（CMOS）”，用于低功耗数字电路。