场效应管工作原理详解

[导读]场效应管(Field-Effect Transistor，简称FET)是一种重要的半导体器件，属于电压控制型的电子元件。它的工作原理基于电场对导电沟道中载流子(电子或空穴)的控制，以此来改变通道中的电流大小。根据导电沟道类型和工作机理的不同，场效应管主要分为结型场效应管(Junction Field-Effect Transistor, JFET)和金属氧化物半导体场效应管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)。

场效应管(Field-Effect Transistor，简称FET)是一种重要的半导体器件，属于电压控制型的电子元件。它的工作原理基于电场对导电沟道中载流子(电子或空穴)的控制，以此来改变通道中的电流大小。根据导电沟道类型和工作机理的不同，场效应管主要分为结型场效应管(Junction Field-Effect Transistor, JFET)和金属氧化物半导体场效应管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)。下面将详细介绍这两种类型的场效应管的工作原理。

结型场效应管(JFET)，结构与工作原理

JFET通常由一个PN结或者NPN、PNP双扩散形成的通道以及两端的栅极构成。在结构上，其源极(Source)、漏极(Drain)同为一种掺杂类型，且它们之间形成一个连续的导电通道，而栅极(Gate)则通过两侧的PN结紧密接触这个通道。

当没有施加栅极电压时，由于PN结自身的反向偏置作用，通道处于导通状态，电流可以从源极流向漏极。当逐渐增加从栅极到源极的负向电压时，会在PN结附近产生更强的反向电场，该电场会将沟道中的多数载流子推离导电区，导致沟道宽度变窄，从而增大电阻，降低从源极到漏极的电流。如果栅极电压足够大，沟道会被完全夹断，阻止电流流动，即实现了电流的截止。因此，JFET是通过改变栅极电压来调节沟道电阻进而控制漏极电流的。

特点

- JFET是电压控制器件，输入阻抗极高。

- 具有双向导电性，正向和反向都能工作。

- 由于PN结的存在，不存在二次击穿现象。

金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)，结构与工作原理

MOSFET的结构更为复杂，包括P型衬底、N型阱(在增强型MOSFET中)或N型衬底(在耗尽型MOSFET中)，以及位于绝缘层(通常是二氧化硅SiO₂)上的金属(或多晶硅)制成的栅极。MOSFET的核心部分是栅极与衬底之间的绝缘层，这使得MOSFET具有非常高的输入阻抗。

在增强型MOSFET中，当栅极相对于源极没有施加电压时，即使VDS存在，由于绝缘层的作用，不会形成导电沟道，因此几乎没有漏极电流。当对栅极施加正电压时，栅极附近的电荷吸引衬底中的少数载流子(对于NMOS是空穴，对于PMOS是电子)，这些载流子在表面形成一个导电通道，使源极和漏极之间能够流通电流。随着栅极电压的增加，通道内的载流子数量增多，导电性能增强，漏极电流ID随之增大。反之，减小栅极电压会使通道消失或减弱，导致电流下降。

特点

- MOSFET同样为电压控制器件，且输入阻抗远高于JFET，接近无限大。

- 根据导电沟道的形成方式和工作模式，MOSFET可以细分为增强型和耗尽型两种类型。

- 由于栅氧层的存在，MOSFET能更好地抑制噪声，更适合用于集成电路设计，并且可制造出高密度、高性能的微处理器和其他数字逻辑电路。

- 在功率转换和开关应用中，MOSFET的低导通电阻特性使其成为理想的开关器件。

场效应管的应用

无论是JFET还是MOSFET，因其独特的电压控制特点和优越的电气性能，在众多领域得到广泛应用：

1. 模拟电路：作为放大器、滤波器、稳压器等电路的关键组件;

2. 数字电路：广泛应用于集成电路设计，尤其是大规模和超大规模集成电路;

3. 电源管理：在开关电源、DC/DC转换器、电机驱动等领域中用作高效的开关器件;

4. 射频通信：在无线通信设备中，MOSFET被用作射频功率放大器和混频器等关键模块;

5. 微电子机械系统(MEMS) 和生物传感器等高科技领域也有着广泛的用途。