FET场效应晶体管扫盲

一、 什么是FET

FET是Field Effect Transistor的缩写，称为场效应晶体管。它是晶体管的一种。通常所说的晶体管是指双极晶体管。

场效应晶体管的工作方式是沟道中的多数载流子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动，形成了漏极电流。只涉及到一种载流子的漂移作用，所以也叫单极性晶体管。

FET有三个电极分别是栅极（ Gate ）、源极（ Source ）和漏极（ Drain ）。

小贴士：

双极性晶体管，全称双极性结型晶体管（bipolar junction transistor, BJT），俗称三极管， 晶体管中的电荷流动主要是由于载流子在PN结处的扩散作用和漂移运动。双极性晶体管的工作，同时涉及电子和空穴两种载流子的流动，因此它被称为双极性的，所以也称双极性载流子晶体管。

二、FET的工作原理

三极管是由输入端（基极）流动的电流来控制输出端（集电极）的电流，属于流控流元件。而FET是由加在输入端（栅极）的电压来控制输出端（漏极）的电流，属于压控流元件。

下图是FET内部工作的原理图。FET对加在栅极与源极之间电压不断的监视，控制漏极与源极之间的电流源，使流动的电流与其电压成正比。

三、FET的分类

如下图所示，FET按照结构可以分为结型FET ( JFET: Junction FET ) 和绝缘栅FET ( MOSFET: Metal Oxide Semiconductor FET ) 。

按照电学特性，MOSFET又可以分为耗尽型 ( depletion ) 与增强型 ( enhancement ) 两类。它们又可以进一步分为N沟型和P沟型。

四、FET的结构

下图是FET的简单结构示意图。

JFET的栅极与沟道（D,S间叫沟道）间有PN结，所以认为存在着二极管（由于有PN结，所以称为结型FET）。

JFET的栅极-沟道间的二极管是工作在截止状态的。所以栅极-沟道间流过的电流很小，只相当于二极管的反向漏电流，所以JFET的输入阻抗很高（约10^8 ~ 10^12 Ω）。

MOSFET的栅极是由金属构成的，它与半导体沟道之间有一层绝缘膜，形成三层结构。所谓MOS，就是因为实际的结构由金属（M）、绝缘膜（如氧化膜，O）和半导体（S）组成。

MOSFET的特点是栅极与沟道间有绝缘膜，栅极与沟道是绝缘的，所以流过栅极的电流比JFET还要小很多。因此，输入阻抗也比JFET高得多（约10^12 ~ 10^14 Ω）。

五、场效应管符号的说明如下：（如果是P沟道，箭头则向外）

晶体管电路符号中的箭头表示电流流动的方向，而FET的箭头不代表电流的方向，仅仅表示PN结的极性。

小贴士：

JFET的漏极与源极间是可以相互调换来使用的。因为JFET的源极与漏极之间没有PN结，是由同一导电类型的半导体制作的。

高频JFET器件由于源极与漏极的形状有物理性的变化，当两个FET串联时，漏极与源极是有区别的，所以漏极与源极是不可以调换使用的。

MOSFET的漏极与源极的结构也有区别，所以漏极与源极也是不可以调换使用的。

小贴士：

什么是耗尽型FET和增强型FET？

耗尽型和增强型实际指的是FET传输特性中的耗尽特性和增强特性。

耗尽特性：对于N沟道JFET，当VGS在负电压范围时，有ID流动称为耗尽特性。

增强特性：对于N沟道MOSFET，当VGS不在正的电压范围时就没有ID流过（P沟时VGS的极性相反）。

JFET都是耗尽型的；MOSFET既有耗尽型也有增强型。

六、增强型MOSFET的特性曲线

耗尽型MOSFET主要用于高频放大的领域。对于开关电源及功率变换电源只用到增强型MOSFET而不会使用耗尽型MOSFET及JFET。所以后面的内容主要讨论增强型MOSFET。

小贴士：

跨导（Transconductance）是电子元件的一项属性。电导（G）是电阻（R）的倒数；而跨导则指输出端电流的变化值与输入端电压的变化值之间的比值。

在MOS管中，跨导的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。在转移特性曲线上，跨导为曲线的斜率。 单位是 S （西门子），一般用mS。

截止区就是夹断沟通完全夹断时 呈现高阻状态。

恒流区就是预夹断至完全夹断两者之间的这段区域，电流只和栅极电压有关而与漏源电压无关，呈现恒流特性。

可变电阻区就是预夹断之前的区域。

七、MOSFET做开关用时是工作在哪个区？

MOSFET 和 BJT 的工作区域的命名有所不同。BJT 中的截止，放大和饱和区相对于 MOSFET 为截止，饱和，变阻区。MOSFET有个参数Vt——开启电压。当 Vgs < Vt 时，MOSFET处于截止状态，即截止区。当 Vgs > Vt 且 Vds > Vgs - Vt 时，为饱和区。当 Vgs > Vt 且 Vds < Vgs - Vt 时，MOSFET处在变阻区。

如果忽略沟道的长度调制效应，MOSFET的饱和区就是相当于受控恒流源。通常用其作为放大区域使用（类比BJT的放大区）。MOSFET的变阻区相当于一个受Vgs控制的变阻器，当Vgs增大时沟道电阻变小。通常功率 MOSFET 的 Rds 可以降到非常之小，以便流过较大的电流。利用 MOSFET 截止区和变阻区的特性，就可以将 MOSFET 应用于 逻辑或功率开关。

八、MOS管的特性及与三极管的区别

三极管Ib控制Ic （ 流控流源 ）。MOS管Ugs控制Id（ 压控流源 ）。

MOS管的开启阀值电压Ugs(th)：一般是4.5V，有的管是2V。这个参数相当于三极管的Ib=1mA。即大于4.5V才进入饱和区。三极管的阀值电流是Ib = 0.5mA。Ib > 0.5mA工作在放大区，Ib < 0.5mA工作在截止区。Ib > 1mA工作在饱和区。

GS的正反偏电压一般是±20V。

电流大的MOS管Rds ( ON ) 一般都很小，几m欧左右，因为如果Rds(ON)太大的话，管子发热太历害，功耗大。驱动电压Vgs越小，则Rds ( ON )越大，因为此时MOS管工作在放大区。

九、MOSFET的米勒效应分析

下面是MOSFET理想工作时的波形：

下面是MOSFET实际工作时的波形：

分析：

一开始，Ugs对Cgs充电，当Ugs上升到t1时刻，即达到Uth ( 4V ) 电压时，MOS管开启，Id增加，当到达t2时，Id上升到最大值，注意此时MOS管还未完全导通，是因为Ugs还没到达最大值。Id保持不变，由于米勒效应，此时Ugs通过Cgd,D脚，S脚到地。对米勒电容Cgd进行充电，米勒效应引起了MOS管的转移特性，所谓转移特性就是Id使得Ugs也要保持不变。这个时间段也叫做平台电压。这个平台电压阶段，由于MOS管还未完全导通，所以MOS管功耗很大，发热历害，也就是说米勒电容引起MOS管损耗大。这是很危险的，容易炸管！！！当到达t3时刻时，Ugs继续往上升，此时米勒电容没有了，转移特性消失。可以理解为这个时段，米勒电容充电充满了。