1.7.6　场效应管

场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）简称场效应管，是以控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体元件，属于电压控制型半导体元件。场效应管主要有两种类型：结型场效应管（Junction FET，简称JFET）和金属-氧化物-半导体场效应管（Metal-Oxide Semiconductor FET，简称MOS-FET或MOS管），MOS管在电子设计中最为常见，分为N沟道和P沟道两类，每一类又分为增强型和耗尽型两种，对应的图形符号如图1-41所示。

因为在实际应用中对于增强型MOS管应用更为普遍，而N沟道与P沟道原理相似，因此本节只针对N沟道增强型MOS管进行详细介绍，其他可参考进行分析。如图1-42所示为MOS管的结构示意图。

在一块P型硅片（半导体）衬底（B）上，形成两个高掺杂的N+区，分别命名为源区与漏区，从中引出的电极分别称为源极（s）与漏极（d），于是在管中天然形成两个PN结（二极管）。在P型衬底表面覆盖薄薄的一层SiO₂作为绝缘层，叫栅氧化层或栅绝缘层，再在上面覆盖一层金属，引出的电极称为栅极（g），这也是金属-氧化物-半导体名称的由来。可以看出，图1-41（a）的图形符号也是根据其结构确定的。

实际的MOS管通常把衬底B与源极s连接在一起，这样两个电极的电位是一致的，也可以避免体效应引起的阈值电压的漂移，因此一般在实物中通常仅有3个引脚，看不到衬底电极，如图1-43所示。

正因为将B、s极短接，导致MOS管中左侧的二极管被短接，在管中就只剩下右侧的PN结，通常称此为寄生二极管。因此实际使用过程中也经常使用图1-44表示增强型MOS管。

可以看到，增强型MOS管的结构和图形符号与晶体三极管十分相似，都可以应用在放大和开关电路中，场效应管的源极s、栅极g、漏极d分别对应三极管的发射极e、基极b、集电极c。场效应管与三极管中图形符号中的箭头均代表PN结的方向，在三极管中需要将箭头的PN接入正向电压，而在场效应管中则相反，需要将箭头代表的PN结上接入反向电压，即对于N沟道增强型MOS管U_GS应大于0、P沟道增强型场效应管U_GS应小于0。

输出特性曲线描述的是当栅-源电压u_GS为常数时，漏极电流i_D与漏-源电压u_DS之间的函数关系。每个u_GS对应产生一条曲线，因此不同u_DS可以得到一簇曲线，如图1-45所示为N沟道增强型MOS管的输出特性曲线。

该MOS管有3个工作区域。

（1）夹断区：当u_GS＜U_GS（th）时，I_D≈0，即图中靠近横轴的部分，称为夹断区。使I_D＞0所需要的最小u_GS值定义为开启电压U_GS（th）。

（2）可变电阻区（也称非饱和区）：图中的虚线为预夹断轨迹，它是各条曲线上使u_DS=u_GS-U_GS（th）（即u_GD=U_GS（th））的点连接而成的。u_GS越大，预夹断时的u_DS值也越大。预夹断轨道的左边区域称为可变电阻区，即u_GD＞U_GS（th），该区域中曲线近似为不同斜率的直线。当u_GS确定时，直线的斜率也唯一地被确定，直线斜率的倒数为d-s间的等效电阻。因而在此区域中，可以通过改变u_GS的大小（即压控的方式）来改变漏-源等效电阻的阻值，故称之为可变电阻区。如需将MOS管应用于开关电路中，MOS管应处于该区域。

（3）恒流区（也称饱和区）：图中预夹断轨迹的右边区域为恒流区。当u_DS＞u_GS-U_GS（th）（即u_GD＜U_GS（th））时，各曲线近似为一族横轴的平行线。当u_DS增大时，i_D仅略有增大。因而可将i_D近似为电压u_GS控制的电流源，故称该区域为恒流区。利用场效应管作放大管时，应使其工作在该区域。

因此，可以看出三极管是电流控制元件，即通过基极电流i_B控制集电极电流i_C；而场效应管是电压控制元件，通过u_GS（栅-源电压）来控制i_D（漏极电流），又因为场效应管输入电阻很大（107~1012Ω），因此所需要的驱动电流很小。当场效应管完全导通后，其导通电阻很小，可小于几毫欧，即使通过很大电流发热也不严重，因此场效应管比三极管更适合用于开关电路。