35、场效应晶体管（FET）全面解析

rain6

于 2025-09-27 10:18:15 发布

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分类专栏：电子元件的智慧指南文章标签：场效应晶体管 JFET MOSFET

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场效应晶体管（FET）全面解析

1. 场效应晶体管的功能

场效应晶体管（FET）通过产生电场来控制电流在半导体通道中的流动。微型的MOSFET（金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管）是CMOS（互补金属 - 氧化物 - 半导体）集成电路的基本组成部分。大型分立的MOSFET能够切换大电流，例如在调光器、音频放大器或电机控制系统中。场效应晶体管在计算机电子领域已变得不可或缺。

与被视为电流放大器的双极晶体管不同，场效应晶体管被看作是电压放大器。因为控制电流流动的电场强度取决于输入电压，并且实际上几乎不需要从信号源获取电流。这种栅极电流极小的特性，使场效应晶体管非常适合在处理低功率信号的电路中工作。

2. JFET（结型场效应晶体管）

类型与特点 ：JFET是FET中最简单的一种。和双极晶体管有PNP和NPN类型一样，JFET根据导电通道是受主（正）掺杂还是施主（负）掺杂，可分为P型和N型通道。由于负电荷载流子的移动性更强，N型通道切换电流的速度比P型通道快，因此更常用。
符号对比 ：N型JFET和NPN双极晶体管的符号有相似之处，但功能上有明显差异。前者是电压放大器，后者是电流放大器。
工作原理
- N型通道 ：当栅极电位等于源极电位时，JFET像一个闭合的开关，电阻较小，常规电流可自由从漏极流向源极。当栅极电位低于源极电位时，会产生场效应，增加耗尽区，从而切断电流。
- P型通道 ：情况相反，源极电位为正，当栅极电位高于源极电位时，电流被切断。
- 与双极晶体管对比 ：双极晶体管在未正确驱动时会阻断电流，驱动导通时电阻减小，属于增强型器件；而JFET正常情况下允许电流通过，当基极反向偏置时电阻增大，属于耗尽型器件。

以下是双极NPN晶体管和N型JFET的基本特性对比表格：
| 特性 | 双极NPN晶体管 | N型JFET |
| ---- | ---- | ---- |
| 放大类型 | 电流放大 | 电压放大 |
| 工作偏置 | 正偏置 | 负偏置 |
| 无偏置状态 | 不导电 | 导电 |
| 工作偏置状态 | 更好的导电性 | 较差的导电性 |

3. JFET的工作特性

电压与电流关系 ：通常用Ugs表示栅极与源极之间的电压，Uds表示漏极与源极之间的电压。当Ugs = 0时，Uds的增加会使通过晶体管通道的电流近似成比例增加，此时晶体管表现得像一个小阻值的电阻，这个电压范围称为欧姆区，电阻值通常在10Ω到1kΩ之间。
饱和状态 ：当Uds超过一定值时，电流不再增加，通道进入饱和状态，此时的电流用Idss表示（漏极饱和电流），对于特定类型的晶体管，该值近似恒定，但可能会因生产方法略有变化。
击穿状态 ：继续增加Uds最终会导致击穿（漏极 - 源极击穿），此时的电流仅取决于外部电源的输出和与晶体管串联的其他电路元件。击穿状态可能会像二极管一样产生破坏性后果。
栅极电位变化的影响 ：当Ugs为负时，在欧姆区内晶体管会表现得像一个阻值更大的电阻，并在较小的电流值下达到饱和，但Uds值几乎不变。进一步降低栅极电位会增加通道电阻，此时晶体管就像一个由电压控制的电阻。

以下是JFET工作特性的简单流程图：

graph LR
    A[Ugs = 0] --> B[Uds增加，电流近似成比例增加（欧姆区）]
    B --> C[Uds超过一定值，进入饱和状态（Idss）]
    C --> D[继续增加Uds，进入击穿状态]
    A --> E[Ugs为负]
    E --> F[欧姆区内电阻增大，小电流下饱和]
    F --> G[继续降低Ugs，通道电阻增加]

4. MOSFET（金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管）

应用与结构 ：MOSFET是最常用的电子元件之一，广泛应用于计算机内存和高安培脉冲电源中。它由半导体、氧化物和金属层组成，结构简单示意中，金属的源极和漏极引出线与通道的两端形成电接触，栅极通过一层薄的二氧化硅层与通道隔开，这增加了输入阻抗至至少100 000 GΩ，使栅极电流几乎为零。
与JFET对比优势 ：与JFET不同，MOSFET的栅极电位可以高于或低于源极电位，没有反向电流的问题。这使得它不仅可以作为增强型器件工作，还可以作为耗尽型器件工作，具体取决于N型通道中自由载流子的掺杂程度和通道在无栅极偏置下的导电能力。
耗尽型和增强型工作模式
- 耗尽型 ：通道本身导电，施加负电压到栅极会降低其导电能力。
- 增强型 ：通道初始不导电，施加正电压到栅极会使通道导电。

以下是MOSFET耗尽型和增强型N通道的工作特性示意图：
| 类型 | 零偏置状态 | 负偏置影响 | 正偏置影响 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 耗尽型 | 导电 | 导电能力降低 | 导电能力增强 |
| 增强型 | 不导电 | 不导电 | 导电 |

5. MOSFET的符号

耗尽型符号 ：MOSFET耗尽型的符号与JFET功能相似，符号中箭头指向栅极表示N型通道，箭头背离栅极表示P型通道。两条垂直线之间的间距表示二氧化硅绝缘层的存在，第二条垂直线代表晶体管通道。
增强型符号 ：与耗尽型不同，增强型符号中代表通道的线是断开的，意味着该晶体管在栅极零偏置时“正常关闭”（不导电）。箭头方向同样指示通道类型。

以下是MOSFET符号的总结：
| 类型 | N型通道符号特点 | P型通道符号特点 |
| ---- | ---- | ---- |
| 耗尽型 | 箭头指向栅极，通道线连续 | 箭头背离栅极，通道线连续 |
| 增强型 | 箭头指向栅极，通道线断开 | 箭头背离栅极，通道线断开 |

6. MOSFET的工作特性曲线

MOSFET的工作特性曲线与JFET类似，都有初始的欧姆区和随后的饱和区，电流大小由栅极和源极之间的电压决定。通过这些曲线可以找到阻断电流的栅极偏置电压，因此MOSFET可以用来替代传统的机械开关。其中，增强型N通道MOSFET在关闭状态（栅极零偏置）时电阻非常大，打开源极和漏极之间的导电通道需要相对较大的电压。

以下是MOSFET不同类型的工作特性曲线示例：
- N型耗尽型MOSFET ：展示了不同栅极 - 源极电压下，漏极 - 源极电压与电流的关系曲线。
- P型耗尽型MOSFET ：同样展示了相应的关系曲线，与N型的区别主要在于电流方向和电压符号。

通过这些曲线和特性，我们可以更好地理解和应用MOSFET在各种电路中。

场效应晶体管（FET）全面解析

7. 四种MOSFET类型特性对比

为了更清晰地了解MOSFET的不同类型，我们对四种常见的MOSFET类型（N型耗尽型、N型增强型、P型耗尽型、P型增强型）进行特性对比。

类型	初始导电状态	栅极电压变化对导电能力影响	适用场景
N型耗尽型	导电	负电压降低导电能力，正电压增强导电能力	适用于需要在无偏置时有一定导电能力的电路
N型增强型	不导电	正电压使通道导电，电压越大导电能力越强	常用于数字电路开关，如计算机内存控制
P型耗尽型	导电	正电压降低导电能力，负电压增强导电能力	与N型耗尽型配合用于特殊电路设计
P型增强型	不导电	负电压使通道导电，电压绝对值越大导电能力越强	可用于特定的模拟电路和功率控制

通过这个表格，我们可以直观地看到不同类型MOSFET的特点，在实际电路设计中可以根据需求选择合适的类型。

8. MOSFET在电路中的应用示例

MOSFET在各种电路中有着广泛的应用，下面以一个简单的开关电路为例，说明其工作原理和应用方式。

电路组成 ：
- 电源：提供电路所需的电能。
- MOSFET：作为开关元件，控制电路的通断。
- 负载：如LED灯，代表需要控制的设备。

工作流程 ：

graph LR
    A[电源开启] --> B[向MOSFET栅极施加控制电压]
    B --> C{判断电压类型}
    C -->|正电压（N型增强型）| D[MOSFET导通，负载通电]
    C -->|负电压（P型增强型）| E[MOSFET导通，负载通电]
    C -->|无电压或反向电压| F[MOSFET截止，负载断电]
    D --> G[负载工作，如LED发光]
    E --> G
    F --> H[负载停止工作]

在这个电路中，通过控制MOSFET栅极的电压，可以方便地实现对负载的开关控制。与传统的机械开关相比，MOSFET具有响应速度快、寿命长等优点。

9. 场效应晶体管的选择要点

在实际应用中，选择合适的场效应晶体管至关重要。以下是一些选择要点：
- 类型选择 ：
- 如果需要在无偏置时导电，可选择耗尽型场效应晶体管（如JFET或MOSFET耗尽型）。
- 如果需要在有特定偏置时才导电，增强型MOSFET是更好的选择。
- N型通道适用于大多数常见电路，因为电子迁移率高，开关速度快；P型通道可用于与N型配合实现特殊功能。
- 参数考虑 ：
- 耐压值 ：确保所选晶体管的耐压值大于电路中可能出现的最大电压，避免击穿损坏。
- 电流承载能力 ：根据电路中需要通过的最大电流选择合适的晶体管，保证其能够稳定工作。
- 输入阻抗 ：高输入阻抗的晶体管（如MOSFET）可以减少对信号源的影响，适用于处理微弱信号的电路。

10. 场效应晶体管的使用注意事项

在使用场效应晶体管时，还需要注意以下几点：
- 静电防护 ：MOSFET的输入阻抗很高，容易受到静电的影响。在操作和储存时，应采取防静电措施，如佩戴防静电手环、使用防静电包装等。
- 偏置电压设置 ：根据晶体管的类型和应用需求，正确设置栅极偏置电压，确保其工作在合适的状态。
- 散热处理 ：当晶体管通过较大电流时，会产生热量。为了保证其性能和寿命，需要进行适当的散热处理，如安装散热片、使用风扇等。