场效应管（FET，Field-Effect Transistor）是一种利用电场效应控制导电沟道电流的电压控制型半导体器件。它是现代集成电路（尤其是数字电路）的核心器件。其基本原理可以用结构、工作机制和特性来描述：

一、核心结构与基本概念

1. 电极： FET 有三个电极：
   • 源极（S, Source）： 载流子（电子或空穴）进入沟道的端口。
   • 漏极（D, Drain）： 载流子离开沟道的端口。电流从漏极流向源极。
   • 栅极（G, Gate）： 控制电极，通过施加电压在沟道区域产生电场，控制沟道的导电能力。
2. 沟道（Channel）： 连接源极和漏极之间的一层半导体区域（N型或P型），是电流流过的路径。没有栅极控制信号时，沟道可能是存在（耗尽型）或不存在（增强型）。
3. 衬底/体区（Body/Bulk）： FET 制作在硅片（衬底）上，通常将衬底与源极在内部或外部连接。在一些特殊应用中，衬底可以单独引出（背栅）。
4. 导电类型：
   • N沟道 FET： 主要载流子是电子，沟道为N型半导体。
   • P沟道 FET： 主要载流子是空穴，沟道为P型半导体。

二、关键原理：电场控制沟道（以N沟道为例）

FET 工作的核心是：通过施加在栅极和源极之间的电压（V_GS）产生的电场，来改变源极和漏极之间导电沟道的电阻（宽度或导电能力），从而控制漏极电流（I_D）。

1. 主要类型及其工作原理（以N沟道为例）

• 增强型FET： 零栅压时沟道不存在（截止）；正栅压形成沟道并增强其导电性。
  • 结构： 没有自然沟道连接源漏。
  • 工作：
    • 截止区（V_GS < V_th）： 当栅源电压 V_GS 小于阈值电压 V_th（一个特定临界值）时，栅极下方不会吸引足够电子形成导电沟道。源漏之间被反向PN结或耗尽区隔开，I_D ≈ 0。
    • 形成沟道（V_GS > V_th）： 当 V_GS > V_th 时，栅极正电压产生的电场排斥栅极下方的空穴，并将衬底中的少数载流子（电子）吸引到栅极下方的表面区域。
    • 反型层： 被吸引的电子在P型衬底表面形成一层薄薄的、以电子为主的N型层。这就是连接源极（N+）和漏极（N+）的导电沟道（反型层）。
    • 控制电流： 此时在源漏之间加电压 V_DS（D正S负），电子就从源极出发，通过沟道到达漏极，形成漏极电流 I_D。V_GS 越大，电场越强，吸引到表面的电子越多，沟道“越宽”（导电能力越强，电阻越小），在相同 V_DS 下流过的 I_D 就越大。这就是电压（V_GS）控制电流（I_D）。
• 耗尽型FET： 零栅压时已有沟道；负栅压耗尽沟道（减弱导电性）；正栅压也可增强导电性（有时）。
  • 结构： 源极和漏极之间预置了一个N型半导体沟道（可以是物理层或由扩散形成）。
  • 工作：
    • 导通状态（V_GS = 0V）： 沟道自然存在，施加 V_DS 即可产生较大的 I_D。
    • 耗尽沟道（V_GS < 0V）： 当栅极加上负电压（对于N沟道），电场会排斥沟道中的电子（载流子），同时吸引空穴。这使得沟道区域产生耗尽区，减少了自由电子的浓度，变窄了有效的导电通道，从而减小了沟道的导电能力和 I_D。V_GS 越负，耗尽越厉害，I_D 越小。
    • 夹断（Pinch-off）： 当 V_GS 负到某个阈值电压 V_p（夹断电压）时，耗尽区足够宽以至于在靠近漏极处几乎完全夹断了沟道，I_D 降至最小值（饱和电流），FET处于截止状态。
    • 增强沟道（V_GS > 0V）： 给栅极加上正电压，会吸引更多电子进入已有的N沟道，从而增强了沟道的导电能力，增大 I_D（但要注意栅电流风险）。

2. 导电沟道的形成与变化

沟道的“宽窄”不是物理尺寸的直接变化（虽然在结型FET中比较形象），而是指导电载流子浓度和有效截面的变化（在MOSFET中更准确说是反型层厚度的变化或导电能力的变化）。栅极电压通过垂直电场改变了沟道区域的电荷分布状态，从而改变了源漏之间的电阻。

3. 输出特性曲线（I_D vs V_DS for fixed V_GS）

• 可变电阻区/线性区： 当 V_DS 较小时（小于 V_GS - V_th），沟道全程存在且均匀，I_D 随 V_DS 近似线性增大。FET像一个由 V_GS 控制的可变电阻。
• 饱和区/恒流区： 当 V_DS 增大到一定程度（≥ V_GS - V_th），在漏极附近，沟道被夹断（耗尽层宽度超过沟道厚度，形成一个狭窄的耗尽区瓶颈）。夹断点向源极方向移动，但沟道电流（I_D）基本保持不变，仅由 V_GS 决定。后续增大的 V_DS 主要落在夹断区上（产生强电场），维持恒定电流。这是用作放大器的核心区域。
• 截止区： V_GS < V_th，沟道未形成或完全夹断，I_D ≈ 0。
• 击穿区： V_DS 过高导致反向PN结雪崩击穿或栅源击穿，电流急剧增大，器件可能损坏。

三、场效应管的主要类型（按结构）

1. 金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）：
   • 这是应用最广泛的一类FET，特别是在集成电路中。
   • 核心结构： 栅极通过一层绝缘氧化物（SiO₂等） 与下方的半导体沟道/衬底隔离。这就是“MOS”的名称来源（Metal-Oxide-Semiconductor）。
   • 优势： 极高的输入阻抗（>10¹² Ω，几乎无栅极电流 I_G ≈ 0），功耗低（静态功耗极小），易于集成，开关速度快。
   • 类型： NMOS (N沟道), PMOS (P沟道), CMOS (NMOS和PMOS组合，主流数字技术)，以及增强型和耗尽型。
2. 结型场效应管（JFET）：
   • 核心结构： 栅极由与沟道相反掺杂类型的半导体区域构成，直接与沟道形成PN结。栅极电压通过改变PN结反偏时的耗尽区宽度来控制导电沟道的宽窄。
   • 特点： 不需要绝缘层（工艺相对简单），输入阻抗也很高（但不如MOSFET高），不易受静电击穿（栅结有保护），通常只有耗尽型（N沟道或P沟道），没有增强型。在高频模拟应用中仍有优势（噪声低）。

四、重要特性参数

1. 阈值电压/夹断电压（V_th/V_p): 决定FET开启或关断的临界栅压。
2. 跨导（g_m, Transconductance）： 定义为 g_m = ∂I_D/∂V_GS |_VDS。表示栅极电压对漏极电流的控制能力（单位电压变化引起多少电流变化）。它是衡量FET放大能力的关键参数。g_m 越高，控制能力越强，放大倍数越大。
3. 输出电阻（r_ds）： 定义为 r_ds = ∂V_DS/∂I_D |_VGS（在饱和区）。表示在固定V_GS下，漏极电压变化对漏极电流的影响程度。理想饱和时，输出电阻无穷大。
4. 开启电阻（R_ON）： 在导通状态（通常是V_GS>>V_th且V_DS较小时），源漏之间的等效电阻。决定开关导通损耗。
5. 栅极电容： MOSFET的栅极会与其他电极形成电容（C_gs, C_gd, C_gb）。这些电容限制了FET的开关速度和工作频率。

五、总结：场效应管的核心要点

• 电压控制型器件： 输出电流（I_D）由输入电压（V_GS）控制。
• 电场效应： 利用栅极（G）和源极（S）之间电压产生的垂直电场来调制沟道（Channel）的导电能力。
• 高输入阻抗： 栅极电流极小（尤其是MOSFET），驱动几乎不消耗功率。
• 工作原理： 通过 V_GS 改变沟道载流子浓度（形成、增强或耗尽沟道），实现源（S）漏（D）之间电阻的可控，从而控制 I_D。
• 放大与开关： 在饱和区（恒流区） 可用作放大器（小V_GS变化控制大I_D变化）；在截止区（关断）和可变电阻区/线性区（导通）之间切换可用作开关（数字逻辑、功率控制）。MOSFET是现代大规模集成电路的绝对主力。

场效应管凭借其高输入阻抗、低功耗、易于集成和良好的开关特性，已成为当代电子技术的基石，无处不在。