07-场效应管（FET）：结构、原理与特性曲线

场效应管（FET）：结构、原理与特性曲线

- 一、场效应管概述
- - [1.1 与三极管的本质区别](#1.1 与三极管的本质区别)
  - [1.2 三个电极](#1.2 三个电极)
  - [1.3 分类总览](#1.3 分类总览)
- [二、N 沟道增强型 MOS 管](#二、N 沟道增强型 MOS 管)
- - [2.1 结构](#2.1 结构)
  - [2.2 沟道形成原理](#2.2 沟道形成原理)
  - [2.3 u D S u_{DS} uDS 对沟道和 i D i_D iD 的影响](#2.3 u D S u_{DS} uDS 对沟道和 i D i_D iD 的影响)
  - [2.4 N 沟道增强型 MOS 管特性曲线](#2.4 N 沟道增强型 MOS 管特性曲线)
  - - 转移特性
    - 输出特性
- [三、N 沟道耗尽型 MOS 管](#三、N 沟道耗尽型 MOS 管)
- - [3.1 结构特点](#3.1 结构特点)
  - [3.2 工作特点](#3.2 工作特点)
- 四、结型场效应管（JFET）
- - [4.1 结构](#4.1 结构)
  - [4.2 工作原理](#4.2 工作原理)
  - [4.3 JFET 特性曲线](#4.3 JFET 特性曲线)
  - - 转移特性
    - 输出特性
- [五、MOS 管与结型管的核心对比](#五、MOS 管与结型管的核心对比)
- 六、场效应管符号及特性全谱
- 七、场效应管主要参数
- - [7.1 直流参数](#7.1 直流参数)
  - [7.2 交流参数（最重要）](#7.2 交流参数（最重要）)
  - [7.3 极限参数（选型时必须关注）](#7.3 极限参数（选型时必须关注）)
- 八、场效应管放大电路的工作思路
- 九、总结：选型判断流程

📚 上海交通大学《模拟电子技术基础》--- 郑益慧主讲

一、场效应管概述

1.1 与三极管的本质区别

对比项	双极型三极管（BJT）	场效应管（FET）
导电载流子	空穴 + 自由电子（双极）	单极性（仅一种载流子）
控制方式	电流控制（ i B i_B iB 控制 i C i_C iC）	电压控制（ u G S u_{GS} uGS 控制 i D i_D iD）
输入电阻	中等（kΩ级）	极高（MOS管 > 10 9 10^9 109 Ω，结型 > 10 7 10^7 107 Ω）
噪声	较高	极低（无少子扩散噪声）
集成度	一般	极高（MOS是现代芯片主流）
控制功耗	有 i B i_B iB 电流	几乎为零（栅极无电流）

1.2 三个电极

电极	符号	类比三极管
栅极（Gate）	g	基极 b
漏极（Drain）	d	集电极 c
源极（Source）	s	发射极 e

1.3 分类总览

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场效应管（FET）
├── 绝缘栅型（MOSFET，金属-氧化物-半导体）
│   ├── N沟道增强型 ← 最常用，现代数字芯片主流
│   ├── N沟道耗尽型
│   ├── P沟道增强型
│   └── P沟道耗尽型
└── 结型（JFET，Junction FET）
    ├── N沟道结型
    └── P沟道结型

二、N 沟道增强型 MOS 管

2.1 结构

各层构成（M-O-S）：

层	材料	作用
金属层（M）	铝等金属	栅极电极
氧化层（O）	SiO 2 \text{SiO}_2 SiO2 绝缘层（极薄，几纳米）	将栅极与沟道完全绝缘
半导体（S）	P型硅衬底 + 两个 N⁺ 注入区	沟道区域

⚠️ 氧化层极薄 → 等效电容极小 → 少量静电就能产生极高电压击穿氧化层，因此 MOS 管极为娇贵，必须防止静电损坏。

电路符号 ：（箭头方向 = 衬底二极管正向，即由P→N）

2.2 沟道形成原理

前提： u D S = 0 u_{DS} = 0 uDS=0，仅改变 u G S u_{GS} uGS

情况 (a)： u G S u_{GS} uGS 较小（未达阈值）

栅极正电压 → 氧化层下方 P 衬底中的空穴被排斥
形成耗尽层（带负电的受主离子）
耗尽层宽度随 u G S u_{GS} uGS 增大而加厚
此时 S 和 D 之间没有通路

情况 (b)： u G S ≥ U G S ( t h ) u_{GS} \geq U_{GS(th)} uGS≥UGS(th)（开启电压）

电场足够强 → 吸引衬底中的少子（自由电子）到达氧化层界面
形成N型反型层（电子浓度超过空穴，原本P型区域变成N型行为）
反型层连接两个 N⁺ 区 → 导电沟道形成 → S 和 D 可以导通

关键阈值：开启电压 U G S ( t h ) ( N沟道 > 0 ) \boxed{\text{关键阈值：开启电压 } U_{GS(th)} \quad (\text{N沟道} > 0)} 关键阈值：开启电压 UGS(th)(N沟道>0)

💡 物理比喻：栅极正电压好比"磁铁"，把沟道区域里的自由电子吸引过来聚集，形成一条电子"走廊"，源漏极之间才能通电。

2.3 u D S u_{DS} uDS 对沟道和 i D i_D iD 的影响

固定 u G S > U G S ( t h ) u_{GS} > U_{GS(th)} uGS>UGS(th)，增大 u D S u_{DS} uDS：

状态	条件	沟道形状	i D i_D iD 特性	区域名称
( a )	u D S u_{DS} uDS 很小	均匀，矩形	近似线性 i D ∝ u D S i_D \propto u_{DS} iD∝uDS	可变电阻区
( b )	u D S = u G S − U G S ( t h ) u_{DS} = u_{GS} - U_{GS(th)} uDS=uGS−UGS(th)	D端变窄，预夹断	i D i_D iD 增长趋缓	预夹断点
( c )	u D S > u G S − U G S ( t h ) u_{DS} > u_{GS} - U_{GS(th)} uDS>uGS−UGS(th)	D端夹断，P形沟道	i D i_D iD 几乎不变	恒流区（饱和区）

预夹断的物理解释：

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u_GD = u_GS - u_DS

当 u_DS 增大 → u_GD 减小
当 u_GD < U_GS(th) → D端附近的反型层消失 → 预夹断
→ 再增大 u_DS，夹断点向 S 端移动，但 i_D 不再增大

💡 预夹断后，多出的 u D S u_{DS} uDS 几乎全部降落在夹断区（作为加速电场）， i D i_D iD 保持基本恒定------这就是"恒流区"的由来。

2.4 N 沟道增强型 MOS 管特性曲线

转移特性

i D = f ( u G S ) ∣ u D S = 常数（恒流区） i_D = f(u_{GS})\big|{u{DS}=\text{常数（恒流区）}} iD=f(uGS) uDS=常数（恒流区）

恒流区电流方程：

i D = I D O ( u G S U G S ( t h ) − 1 ) 2 \boxed{i_D = I_{DO}\left(\frac{u_{GS}}{U_{GS(th)}} - 1\right)^2} iD=IDO(UGS(th)uGS−1)2

其中 I D O I_{DO} IDO 为 u G S = 2 U G S ( t h ) u_{GS} = 2U_{GS(th)} uGS=2UGS(th) 时对应的 i D i_D iD 值（工厂给出的标定点）。

输出特性

i D = f ( u D S ) ∣ u G S = 常数 i_D = f(u_{DS})\big|{u{GS}=\text{常数}} iD=f(uDS) uGS=常数

区域	条件	特点	工程用途
夹断区	u G S ≤ U G S ( t h ) u_{GS} \leq U_{GS(th)} uGS≤UGS(th)	i D ≈ 0 i_D \approx 0 iD≈0	开关"断开"
可变电阻区	u D S < u G S − U G S ( t h ) u_{DS} < u_{GS} - U_{GS(th)} uDS<uGS−UGS(th)	i D ∝ u D S i_D \propto u_{DS} iD∝uDS， R D S R_{DS} RDS 受 u G S u_{GS} uGS 控制	压控电阻
恒流区	u D S ≥ u G S − U G S ( t h ) u_{DS} \geq u_{GS} - U_{GS(th)} uDS≥uGS−UGS(th)	i D i_D iD 只与 u G S u_{GS} uGS 有关	放大功能

三、N 沟道耗尽型 MOS 管

3.1 结构特点

制造时即通过离子注入 在沟道区域预先注入了 N 型杂质，形成天生的 N 沟道。

3.2 工作特点

参数	增强型	耗尽型
天生沟道	无（需要 u G S u_{GS} uGS "开启"）	有（天生导通）
开启/夹断电压	U G S ( t h ) > 0 U_{GS(th)} > 0 UGS(th)>0（开启）	U G S ( o f f ) < 0 U_{GS(off)} < 0 UGS(off)<0（夹断）
u G S u_{GS} uGS 工作范围	只能正向（ u G S > 0 u_{GS} > 0 uGS>0）	正负均可
u G S = 0 u_{GS} = 0 uGS=0 时	截止（无沟道）	有 i D = I D S S i_D = I_{DSS} iD=IDSS（漏极饱和电流）

恒流区电流方程（耗尽型）：

i D = I D S S ( 1 − u G S U G S ( o f f ) ) 2 \boxed{i_D = I_{DSS}\left(1 - \frac{u_{GS}}{U_{GS(off)}}\right)^2} iD=IDSS(1−UGS(off)uGS)2

u G S = 0 u_{GS} = 0 uGS=0： i D = I D S S i_D = I_{DSS} iD=IDSS（最大饱和漏极电流）

u G S = U G S ( o f f ) u_{GS} = U_{GS(off)} uGS=UGS(off)： i D = 0 i_D = 0 iD=0（夹断）

u G S > 0 u_{GS} > 0 uGS>0： i D > I D S S i_D > I_{DSS} iD>IDSS（进一步增大，但受限）

电路符号 ( b ) ：与增强型相似，但中间的竖线改为实线（表示天生有沟道）。

四、结型场效应管（JFET）

4.1 结构

关键结构特点：

中间：N型材料作为导电沟道
两侧：高浓度 P⁺ 型区域夹住沟道，与 N 沟道形成两个 PN 结
G 极连接两侧 P⁺ 区，通过 PN 结的耗尽层物理夹窄沟道

💡 与 MOS 管的根本区别 ：MOS 管靠电场（静电感应）在氧化层下方诱导反型层；结型管靠物理上的 PN 结耗尽层宽度变化来调节沟道宽窄。

4.2 工作原理

前提： U G S ( o f f ) < u G S < 0 U_{GS(off)} < u_{GS} < 0 UGS(off)<uGS<0（对 N 沟道）， u D S > 0 u_{DS} > 0 uDS>0

N 沟道 JFET 必须对栅极加负压（反偏 PN 结）：

u G S u_{GS} uGS	PN结状态	耗尽层	沟道宽度	i D i_D iD
u G S = 0 u_{GS} = 0 uGS=0	零偏	较窄	最宽	最大 I D S S I_{DSS} IDSS
u G S u_{GS} uGS 负值增大	反偏	变宽	变窄	减小
u G S = U G S ( o f f ) u_{GS} = U_{GS(off)} uGS=UGS(off)	强反偏	完全夹断沟道	= 0	= 0

u D S u_{DS} uDS 增大对沟道的影响：

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(a)：u_DS 较小 → 沟道均匀 → 可变电阻区
(b)：u_DS 增大 → D端PN结更反偏 → D端沟道变窄 → 预夹断
(c)：u_DS > |u_GS - U_GS(off)| → 预夹断后进入恒流区

⚠️ JFET 最重要的限制 ：N 沟道 JFET 的 u G S u_{GS} uGS 绝对不能为正值 ！

一旦 u G S > 0 u_{GS} > 0 uGS>0 → PN 结正向导通 → G 极有大电流 → 管子损坏（失去场效应管特性）。

4.3 JFET 特性曲线

转移特性

i D = I D S S ( 1 − u G S U G S ( o f f ) ) 2 i_D = I_{DSS}\left(1 - \frac{u_{GS}}{U_{GS(off)}}\right)^2 iD=IDSS(1−UGS(off)uGS)2

从 u G S = U G S ( o f f ) u_{GS} = U_{GS(off)} uGS=UGS(off)（夹断点）到 u G S = 0 u_{GS} = 0 uGS=0， i D i_D iD 从 0 增大到 I D S S I_{DSS} IDSS
全部在负值区域（N 沟道）
方程与耗尽型 MOS 管完全相同，只需把 IDO 换成 IDSS

输出特性

击穿区 ： u D S u_{DS} uDS 过大 → D端 PN 结反向击穿 → i D i_D iD 急剧上升 → 管子损坏。

五、MOS 管与结型管的核心对比

特性	增强型 MOS	耗尽型 MOS	结型 JFET
天生沟道	无	有	有
u G S = 0 u_{GS} = 0 uGS=0 时	截止	导通（ I D S S I_{DSS} IDSS）	导通（ I D S S I_{DSS} IDSS）
u G S u_{GS} uGS 范围	只正	正负均可	只负（N沟）
控制参数	U G S ( t h ) U_{GS(th)} UGS(th)（开启电压）	U G S ( o f f ) U_{GS(off)} UGS(off)（夹断电压）	U G S ( o f f ) U_{GS(off)} UGS(off)（夹断电压）
输入电阻	> 10 9 Ω > 10^9\,\Omega >109Ω（几乎无限）	> 10 9 Ω > 10^9\,\Omega >109Ω	10 7 ∼ 10 8 Ω 10^7 \sim 10^8\,\Omega 107∼108Ω
静电敏感	极易损坏（SiO₂ 极薄）	极易损坏	相对耐用
使用场合	现代芯片主流	低噪声放大	低噪声、测量仪器

六、场效应管符号及特性全谱

六种类型的符号识别规律：

特征	判断方式
沟道类型（N/P）	N沟道： i D i_D iD 方向向下（正向）；P沟道： i D i_D iD 方向向上（负向）
增强/耗尽	增强型：转移特性从 u G S ( t h ) u_{GS(th)} uGS(th) 开始；耗尽型：从负值一直延伸到正值
MOS/结型	结型： u G S u_{GS} uGS 不能跨越零点；MOS耗尽型： u G S u_{GS} uGS 可正可负

快速辨别口诀：

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转移特性跨越零？
├── 否（全正或全负）→ 结型管（JFET）
│    ├── u_GS 全负 → N沟道结型
│    └── u_GS 全正 → P沟道结型
└── 是（可正可负）→ 耗尽型 MOS 管
    ├── i_D 正 → N沟道耗尽型
    └── i_D 负 → P沟道耗尽型

转移特性从某个阈值才开始？→ 增强型 MOS 管
    ├── u_GS > 0 开始，i_D 正 → N沟道增强型
    └── u_GS < 0 开始，i_D 负 → P沟道增强型

七、场效应管主要参数

7.1 直流参数

参数	符号	适用管型	说明
开启电压	U G S ( t h ) U_{GS(th)} UGS(th)	增强型 MOS	u G S u_{GS} uGS 必须超过此值才能导通
夹断电压	U G S ( o f f ) U_{GS(off)} UGS(off)	耗尽型、结型	u G S u_{GS} uGS 达到此值沟道完全夹断
饱和漏极电流	I D S S I_{DSS} IDSS	耗尽型、结型	u G S = 0 u_{GS}=0 uGS=0 时的漏极饱和电流
直流输入电阻	R G S R_{GS} RGS	全部	MOS管 > 10 9 Ω > 10^9\,\Omega >109Ω，结型 > 10 7 Ω > 10^7\,\Omega >107Ω

7.2 交流参数（最重要）

跨导 g m g_m gm（低频跨导）：

g m = Δ i D Δ u G S ∣ u D S = 常数 \boxed{g_m = \frac{\Delta i_D}{\Delta u_{GS}}\bigg|{u{DS}=\text{常数}}} gm=ΔuGSΔiD uDS=常数

即转移特性曲线在工作点处的切线斜率
单位：mA/V 或 mS（毫西门子）
类比三极管的 β \beta β： g m g_m gm 越大，电压控制电流的能力越强
思路一致：直流找工作点 → 用切线斜率分析交流响应

极间电容：各极之间存在皮法（pF）级的分布电容，高频时不可忽略（等效为短路，影响高频性能）。

7.3 极限参数（选型时必须关注）

最大漏极电流 I D M I_{DM} IDM
栅-源击穿电压 U ( B R ) G S U_{(BR)GS} U(BR)GS（MOS管栅氧化层极易击穿！）
最大耗散功率 P D M P_{DM} PDM

八、场效应管放大电路的工作思路

与三极管放大相比，思路完全相同，只是控制量变了：

	三极管（BJT）	场效应管（FET）
工作区	放大区（发射结正偏，集电结反偏）	恒流区（ u D S u_{DS} uDS 足够大）
控制量	i B i_B iB 控制 i C i_C iC	u G S u_{GS} uGS 控制 i D i_D iD
直流作用	V B B V_{BB} VBB 建立工作点 I B I_B IB、 I C I_C IC	V G G V_{GG} VGG 建立工作点 U G S U_{GS} UGS、 I D I_D ID
交流信号	叠加在 i B i_B iB 上 → 引起 Δ i C \Delta i_C ΔiC	叠加在 u G S u_{GS} uGS 上 → 引起 Δ i D \Delta i_D ΔiD
能量来源	V C C V_{CC} VCC 提供 i C i_C iC 的功率	V D D V_{DD} VDD 提供 i D i_D iD 的功率

💡 放大的根本原则不变：小信号控制大能量，大能量来自直流电源，三极管和场效应管只是"开关机构"。

实现放大的必要步骤：

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1. 加直流偏置 → 让 FET 工作在恒流区（建立静态工作点）
2. 叠加小交流信号 → 让 u_GS 在工作点附近摆动
3. u_GS 摆动 → i_D 跟随变化（由转移特性决定）
4. i_D 变化 → 在漏极负载电阻 R_D 上产生放大的电压输出
5. 信号同形但幅度放大 → 完成放大

九、总结：选型判断流程

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需要放大 or 开关功能
    │
    ├── 需要极高输入阻抗？→ 选 FET（场效应管）
    │   │
    │   ├── 需要可正可负的 u_GS？→ 耗尽型 MOS
    │   ├── 需要天生截止、正电压开启？→ 增强型 MOS
    │   └── 对器件耐用性要求高？→ JFET（但注意不能正偏）
    │
    └── 对放大倍数要求高、成本敏感？→ 选 BJT 三极管