场效应管工作原理图

这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS场效应管工作原理图。

MOS场效应管也被称为MOSFET， 既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金属氧化物半导体场效应管）的缩写。它一般有耗尽型和增强型两种。本文使用的为增强型MOS 场效应管，其内部结构见图5。它可分为NPN型PNP型。NPN型通常称为N沟道型，PNP型也叫P沟道型。由图可看出，对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。但对于MOS场效应管工作原理图场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。

为解释MOS

场效应管的工作原理，我们先了解一下仅含有一个P—N结的二极管的工作过程。如图所示，我们知道在二极管加上正向电压（P端接正极，N端接负极）时，二极管导通，其PN结有电流通过。这是因为在P型半导体端为正电压时，N型半导体内的负电子被吸引而涌向加有正电压的P型半导体端，而P型半导体端内的正电子则朝N型半导体端运动，从而形成导通电流。同理，当二极管加上反向电压（P端接负极，N端接正极）时，这时在P型半导体端为负电压，正电子被聚集在P型半导体端，负电子则聚集在N型半导体端，电子不移动，其PN结没有电流通过，二极管截止。

对于MOS场效应管工作原理图（见图7），在栅极没有电压时，由前面分析可知，在源极与漏极之间不会有电流流过，此时场效应管处与截止状态（图7a）。当有一个正电压加在N沟道的MOS场效应管栅极上时，由于电场的作用，此时N型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而涌向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电子聚集在两个N沟道之间的P型半导体中（见图7b），从而形成电流，使源极和漏极之间导通。我们也可以想像为两个N型半导体之间为一条沟，栅极电压的建立相当于为它们之间搭了一座桥梁，该桥的大小由栅压的大小决定。图8给出了P沟道的MOS场效应管的工作过程，其工作原理类似这里不再重复。

下面简述一下用C-MOS场效应管（增强型MOS 场效应管）组成的应用电路的工作过程（见图9）。电路将一个增强型P沟道MOS场效应管和一个增强型N沟道MOS场效应管组合在一起使用。当输入端为低电平时，P沟道MOS场效应管导通，输出端与电源正极接通。当输入端为高电平时，N沟道MOS场效应管导通，输出端与电源地接通。在该电路中，P沟道MOS场效应管和N沟道MOS场效应管工作原理图MOS场效应管总是在相反的状态下工作，其相位输入端和输出端相反。通过这种工作方式我们可以获得较大的电流输出。同时由于漏电流的影响，使得栅压在还没有到0V，通常在栅极电压小于1到2V时，MOS场效应管既被关断。不同场效应管其关断电压略有不同。也正因为如此，使得该电路不会因为两管同时导通而造成电源短路。

场效应管三个极

效应管是只有一种载流子参与导电，用输入电压控制输出电流的半导体器件。有N沟道器件和P沟道器件。有结型场效应三极管JFET(Junction Field Effect Transister)和绝缘栅型场效应三极管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。IGFET也称金属-氧化物-半导体三极管MOSFET（Metal Oxide SemIConductor FET）。MOS场效应管有增强型（Enhancement MOS 或EMOS）和耗尽型(Depletion)MOS或DMOS）两大类，每一类有N沟道和P沟道两种导电类型。

场效应管有三个电极：

D(Drain) 称为漏极，相当双极型三极管的集电极；

G(Gate) 称为栅极，相当于双极型三极管的基极；

S(Source) 称为源极，相当于双极型三极管的发射极。

增强型MOS场效应管

道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极 G。P型半导体称为衬底(substrat)，用符号B表示。

工作原理

1．沟道形成原理

当Vgs=0 V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压，不会在D、S间形成电流。

当栅极加有电压时，若0＜Vgs＜Vgs(th)时（VGS(th) 称为开启电压），通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，所以仍然不足以形成漏极电流ID。

进一步增加Vgs，当Vgs＞Vgs(th)时，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层（inversion layer）。随着Vgs的继续增加，ID将不断增加。

在Vgs=0V时ID=0，只有当Vgs＞Vgs(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。

VGS对漏极电流的控制关系可用iD=f(vGS)|VDS=const这一曲线描述，称为转移特性曲线，见图。

转移特性曲线斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 gm 的量纲为mA/V，所以gm也称为跨导。

跨导的定义式如下：

gm=△ID/△VGS|(单位mS)

2． Vds对沟道导电能力的控制

当Vgs＞Vgs(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电压Vds对漏极电流ID的影响。Vds的不同变化对沟道的影响如图所示。

根据此图可以有如下关系:

VDS=VDG＋VGS= —VGD＋VGS

VGD=VGS—VDS

当VDS为0或较小时，相当VGD＞VGS(th)，沟道呈斜线分布。在紧靠漏极处，沟道达到开启的程度以上，漏源之间有电流通过。

当VDS 增加到使VGD=VGS(th)时，相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断，此时的漏极电流ID基本饱和。

当VDS增加到 VGD

当VGS＞VGS(th)，且固定为某一值时，VDS对ID的影响，即iD=f(vDS)|VGS=const这一关系曲线如图所示。

这一曲线称为漏极输出特性曲线。

伏安特性

1． 非饱和区

非饱和区（Nonsaturation Region）又称可变电阻区，是沟道未被预夹断的工作区。由不等式VGS>VGS(th)、VDS

2．饱和区

饱和区(Saturation Region)又称放大区，是沟道预夹断后所对应的工作区。由不等式VGS>VGS(th)、VDS>VGS-VGS(th) 限定。漏极电流表达式：

在这个工作区内，ID受VGS控制。考虑厄尔利效应的ID表达式：

3．截止区和亚阈区

VGS

4．击穿区

当VDS 增大到足以使漏区与衬底间PN结引发雪崩击穿时，ID迅速增加，管子进入击穿区。

场效应管的主要参数

① 开启电压VGS(th) (或VT)

开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值，场效应管不能导通。

② 夹断电压VGS(off) (或VP)

夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VGS(off) 时，漏极电流为零。

③ 饱和漏极电流IDSS

耗尽型场效应三极管，当VGS=0时所对应的漏极电流。

④ 输入电阻RGS

场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω，对于绝缘栅场型效应三极管，RGS约是109～1015Ω。

⑤ 低频跨导gm

低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用十分相像。gm可以在转移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。

⑥ 最大漏极功耗PDM

最大漏极功耗可由PDM=VDS ID决定，与双极型三极管的PCM相当

定性判断MOS型场效应管的好坏

先用万用表R×10kΩ挡(内置有9V或15V电池)，把负表笔(黑)接栅极(G)，正表笔(红)接源极(S)。给栅、源极之间充电，此时万用表指针有轻微偏转。再改用万用表R×1Ω挡，将负表笔接漏极(D)，正笔接源极(S)，万用表指示值若为几欧姆，则说明场效应管是好的。

定性判断结型场效应管的电极

将万用表拨至R×100档，红表笔任意接一个脚管，黑表笔则接另一个脚管，使第三脚悬空。若发现表针有轻微摆动，就证明第三脚为栅极。欲获得更明显的观察效果，还可利用人体靠近或者用手指触摸悬空脚，只要看到表针作大幅度偏转，即说明悬空脚是栅极，其余二脚分别是源极和漏极。

判断理由：

JFET的输入电阻大于100MΩ，并且跨导很高，当栅极开路时空间电磁场很容易在栅极上感应出电压信号，使管子趋于截止，或趋于导通。若将人体感应电压直接加在栅极上，由于输入干扰信号较强，上述现象会更加明显。如表针向左侧大幅度偏转，就意味着管子趋于截止，漏-源极间电阻RDS增大，漏-源极间电流减小IDS。反之，表针向右侧大幅度偏转，说明管子趋向导通，RDS↓，IDS↑。但表针究竟向哪个方向偏转，应视感应电压的极性(正向电压或反向电压)及管子的工作点而定。

注意事项：

(1)试验表明，当两手与D、S极绝缘，只摸栅极时，表针一般向左偏转。但是，如果两手分别接触D、S极，并且用手指摸住栅极时，有可能观察到表针向右偏转的情形。其原因是人体几个部位和电阻对场效应管起到偏置作用，使之进入饱和区。

(2)也可以用舌尖舔住栅极，现象同上。

晶体三极管管脚判别

三极管是由管芯(两个PN结)、三个电极和管壳组成，三个电极分别叫集电极c、发射极e和基极b，目前常见的三极管是硅平面管，又分PNP和NPN型两类。现在锗合金管已经少见了。

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