場(chǎng)效應(yīng)管(Field-Effect Transistor，簡(jiǎn)稱FET)是一種重要的半導(dǎo)體器件，屬于電壓控制型的電子元件。它的工作原理基于電場(chǎng)對(duì)導(dǎo)電溝道中載流子(電子或空穴)的控制，以此來(lái)改變通道中的電流大小。根據(jù)導(dǎo)電溝道類型和工作機(jī)理的不同，場(chǎng)效應(yīng)管主要分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(Junction Field-Effect Transistor, JFET)和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)。下面將詳細(xì)介紹這兩種類型的場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理。

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)，結(jié)構(gòu)與工作原理

JFET通常由一個(gè)PN結(jié)或者NPN、PNP雙擴(kuò)散形成的通道以及兩端的柵極構(gòu)成。在結(jié)構(gòu)上，其源極(Source)、漏極(Drain)同為一種摻雜類型，且它們之間形成一個(gè)連續(xù)的導(dǎo)電通道，而柵極(Gate)則通過(guò)兩側(cè)的PN結(jié)緊密接觸這個(gè)通道。

當(dāng)沒(méi)有施加?xùn)艠O電壓時(shí)，由于PN結(jié)自身的反向偏置作用，通道處于導(dǎo)通狀態(tài)，電流可以從源極流向漏極。當(dāng)逐漸增加從柵極到源極的負(fù)向電壓時(shí)，會(huì)在PN結(jié)附近產(chǎn)生更強(qiáng)的反向電場(chǎng)，該電場(chǎng)會(huì)將溝道中的多數(shù)載流子推離導(dǎo)電區(qū)，導(dǎo)致溝道寬度變窄，從而增大電阻，降低從源極到漏極的電流。如果柵極電壓足夠大，溝道會(huì)被完全夾斷，阻止電流流動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)了電流的截止。因此，JFET是通過(guò)改變柵極電壓來(lái)調(diào)節(jié)溝道電阻進(jìn)而控制漏極電流的。

特點(diǎn)

- JFET是電壓控制器件，輸入阻抗極高。

- 具有雙向?qū)щ娦?，正向和反向都能工作?

- 由于PN結(jié)的存在，不存在二次擊穿現(xiàn)象。

金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)，結(jié)構(gòu)與工作原理

MOSFET的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，包括P型襯底、N型阱(在增強(qiáng)型MOSFET中)或N型襯底(在耗盡型MOSFET中)，以及位于絕緣層(通常是二氧化硅SiO?)上的金屬(或多晶硅)制成的柵極。MOSFET的核心部分是柵極與襯底之間的絕緣層，這使得MOSFET具有非常高的輸入阻抗。

在增強(qiáng)型MOSFET中，當(dāng)柵極相對(duì)于源極沒(méi)有施加電壓時(shí)，即使VDS存在，由于絕緣層的作用，不會(huì)形成導(dǎo)電溝道，因此幾乎沒(méi)有漏極電流。當(dāng)對(duì)柵極施加正電壓時(shí)，柵極附近的電荷吸引襯底中的少數(shù)載流子(對(duì)于NMOS是空穴，對(duì)于PMOS是電子)，這些載流子在表面形成一個(gè)導(dǎo)電通道，使源極和漏極之間能夠流通電流。隨著柵極電壓的增加，通道內(nèi)的載流子數(shù)量增多，導(dǎo)電性能增強(qiáng)，漏極電流ID隨之增大。反之，減小柵極電壓會(huì)使通道消失或減弱，導(dǎo)致電流下降。

特點(diǎn)

- MOSFET同樣為電壓控制器件，且輸入阻抗遠(yuǎn)高于JFET，接近無(wú)限大。

- 根據(jù)導(dǎo)電溝道的形成方式和工作模式，MOSFET可以細(xì)分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種類型。

- 由于柵氧層的存在，MOSFET能更好地抑制噪聲，更適合用于集成電路設(shè)計(jì)，并且可制造出高密度、高性能的微處理器和其他數(shù)字邏輯電路。

- 在功率轉(zhuǎn)換和開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，MOSFET的低導(dǎo)通電阻特性使其成為理想的開(kāi)關(guān)器件。

場(chǎng)效應(yīng)管的應(yīng)用

無(wú)論是JFET還是MOSFET，因其獨(dú)特的電壓控制特點(diǎn)和優(yōu)越的電氣性能，在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用：

1. 模擬電路：作為放大器、濾波器、穩(wěn)壓器等電路的關(guān)鍵組件;

2. 數(shù)字電路：廣泛應(yīng)用于集成電路設(shè)計(jì)，尤其是大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路;

3. 電源管理：在開(kāi)關(guān)電源、DC/DC轉(zhuǎn)換器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域中用作高效的開(kāi)關(guān)器件;

4. 射頻通信：在無(wú)線通信設(shè)備中，MOSFET被用作射頻功率放大器和混頻器等關(guān)鍵模塊;

5. 微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS) 和 生物傳感器等高科技領(lǐng)域也有著廣泛的用途。

場(chǎng)效應(yīng)管憑借其獨(dú)特的電壓控制機(jī)制，不僅革新了傳統(tǒng)電子技術(shù)，而且在現(xiàn)代電子科技發(fā)展中扮演著至關(guān)重要的角色，尤其在半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)中，MOSFET已經(jīng)成為不可或缺的基礎(chǔ)構(gòu)建單元。通過(guò)對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管深入理解并有效利用其工作原理，工程師們得以不斷推動(dòng)著電子技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。