硬件开发者之路之—半导体元器件之FET场效应管
来源：EETOP 行者无疆（论坛usrname:ICNO.1） 的博客
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作为和双极型晶体管三极管对应的一种单极型晶体管就是FET场效应管，所谓的场效应就是利用电场的效应来控制器件导通。这里场效应管也有几种分类：
结型场效应管JFET相对于MOSFET管而言的主要特征是导电沟道在半导体内部，称为体内场效应管，这样最大的好处是噪声更低，常用于低噪声的前端信号处理。
以N沟道的JFET为例，在N型半导体的两侧制造两个高浓度掺杂的P型区，形成PN结。可以看出工作时GS必须是反偏电压，以保证输入端G极为高阻抗。这时候在DS之间加电压值就会让电子通过N沟道形成电流。这样VGS和VDS对电流都有控制作用。
JFET伏安特性曲线
过程分析：
1、 VDS不变，随着GS电压反向增大时，PN之间的耗尽层增大，意思是由于电场作用导致P区边缘聚集更多空穴，这样中间的沟道越来越小，最后沟道被夹断。这个过程中DS之间的电阻越来越大，实际上是一个受控于VGS的可变电阻。
2、 VGS不变，随着VDS电压增大，电流通过沟道，这样也导致沿着沟道有电位梯度差，就是每个点的VGS不一样了。这样形成的沟道宽度每个点都不一样。因此，VDS增大同时又会导致沟道变窄，阻碍电流，但是一定范围内，VDS还是以增大电流为主。
VDS继续增大，当沟道开始夹断时，夹断区域随着VDS增大沿着沟道不断扩大，这个时候，VDS对电流的推动作用和随之变大的DS之间电阻对电流的阻碍作用基本抵消，漏电流处于饱和状态，直到沟道完全夹断。沟道完全夹断后，电压继续增大，漏电流也会增大，最终击穿损坏。如上面图中的特性曲线所示
3、 如上分析：在夹断之前为可变电阻区（放大区），夹断中为恒流区（饱和区），VGS小于开启电压时关断（截止区）。
可以知道VGS越大，VDS的开始夹断电压就越小，因为反向的VGS本来就是形成耗尽层的电压动力。和不断增大的VDS同向。
JFET的特性：
1、 沟道在半导体内部，噪声极小。知道这一点就够了，看一些精密运放设计就明白了所谓的前级输入为JFET的优势。
为了进一步提高输入阻抗，输入级栅极采用了Sio2和铝。这样完全绝缘可以使得输入阻抗高达10的15次方欧姆，这样功耗也会更低。
NMOS的结构就是在P型衬底上扩散形成两个N型区，这样在表面形成导电沟道。MOS管里所有的PN结必须 保证反偏，因此，在以P型为衬底的NMOS管结构中，衬底接地GND，而PMOS的衬底必须接电源VCC。
过程分析：
1、类似于上面的JFET，VGS正向增大时，VGS>VTH, 在Sio2表面开始聚集电子，逐渐形成N型的沟道。这时MOS管类似一个受控于VGS的可变电阻.VDS=0时形成的是电位均匀的导电沟道。
2、 当VGS>VTH，且VDS<VGS-VTH时。这时沟道因为电位差是不均匀的。VGS-VTH为沟道夹断点电压，此时处在线性区。
3、 当VGS>VTH，且VDS>VGS-VTH时,这时由于VDS过大，造成靠近D端的沟道开始被夹断了，因为VGS和VDS在沟道上的电场作用是相反的。夹断点慢慢右移，参考JFET沟道，此时电流基本恒定，处于饱和区。
4、 VDS继续增大的话就会造成MOS管击穿，MOS的击穿有几种可能：
4.1、VDS足够大，漏极D和衬底之间的反偏二极管雪崩击穿。
4.2、DS之间击穿，穿通击穿。
4.3、最容易击穿的是栅极，很薄的Sio2层，因此必须加以保护，不使用时接电位处理。
耗尽型MOS：
耗尽型MOS的特点就是VGS为负压时导通，实际应用中太少，就不说了。
MOS管放大电路：
MOS管的放大电路参考与三极管，同样也分为共源极、共栅极、共漏极放大器。然后提供偏压让MOS管工作在线性区。
三、功率MOSFET：
这里介绍一下用作大功率器件的MOS管，因为目前在功率应用领域相关器件种类很多。
作为功率和非功率型MOSFET在结构上是有很大区别的：
功率MOS的基本结构DMOS：双扩散型MOS。
D和S极面对面，耐压值高。
MOS管特性参数：
以NMOS管IRF530N为例
在不同应用条件下我们关注的参数还是差别蛮大的。
1、 IDS：工作电流，大功率应用时要保证余量。
2、 PD：功率。
3、 VGS：栅极电压，不能过大击穿。
4、 VTH:栅极开启电压，一般在几V。
5、 RDS(on):导通电阻，决定了DS之间的压降，越小越好，一般在几十毫欧。
6、 IGSS:栅极漏电流。
7、 IDSS：源漏之间漏电流，在一些小电流应用中要特别注意漏电流参数的影响。
8、 Cgs:栅极电容，决定了开启速度。
9、 Gm:低频跨导，反应VGS对电流的控制能力，在放大应用中注意。
小结
和三极管类似，FET场效应管尤其是MOSFET在电路设计中应用广泛，半导体工艺中三极管和MOS管兼容的工艺被称为CMOS工艺，这样可以分别发挥各自的优势。我们在实际应用中要根据自己的需求来选型和设计。