MOSFET效应管：结构、原理与应用详解
MOSFET效应管：结构、原理与应用详解
MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是现代电子工程中最为重要的半导体器件之一。它具有高输入阻抗、低输出阻抗、易于驱动和控制等特点，广泛应用于各种电子设备中。本文将详细介绍MOSFET的基本结构、工作原理、不同类型的特点以及其在电路中的应用。
金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，简称MOSFET）
MOSFET是三个端子器件，具有栅极、漏极和源极，栅极端子与漏极和源极之间的主导电流通道电气隔离，“栅极不会流入电流
MOSFET的基本结构
金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor FET）的构造与结型场效应晶体管大不相同。无论是耗尽型还是增强型MOSFET都利用了由栅极电压产生的电场来改变电荷载体（n通道为电子，p通道为空穴）在半导体漏源通道中的流动。栅极电极位于非常薄的绝缘层之上，漏极和源极电极下方有一对小的n型区域。
沟道线显示为虚线和虚线，则表示“增强型”（通常关闭）型MOSFET，
- 增强型 晶体管需要栅极-源极电压（V G S V_{GS}VGS ）来使器件“打开”。增强型MOSFET等效于“常开”开关。
- 耗尽型 -晶体管需要栅极-源极电压（V G S V_{GS}VGS ）来使器件“关闭”。耗尽型MOSFET等效于“常闭”开关。
增强型MOSFET
常见的增强型MOSFET或eMOSFET，这里的导电通道轻掺杂甚至未掺杂，使其不导电。因此，当栅极偏置电压VGS等于零时，器件通常处于“OFF”（不导电）状态。上面显示的增强型MOS晶体管的电路符号使用断裂的通道线来表示通常开启的非导电通道。
对于n沟道增强型MOS晶体管，只有当施加到栅极端子的栅极电压（VGS）大于阈值电压（VTH）水平时，漏极电流才会流动，从而形成导电，使其成为传导电阻器件。
将正（+ve）栅极电压应用到n型eMOSFET会将更多电子吸引到栅极周围的氧化层，从而增加或增强（因此其名称）通道的厚度，从而允许更多电流流动。这就是为什么这种晶体管被称为增强型器件，因为施加栅极电压会增强通道。
增加这种正栅极电压将导致通道电阻进一步减小，导致沟道中的漏极电流ID增加。换句话说，对于n沟道增强型MOSFET：+VGS将晶体管“打开”，而零或-VGS将晶体管“关闭”。因此，增强型MOSFET等效于“通常开启”开关。
对于p沟道增强MOS晶体管，情况相反。当VGS = 0时，器件处于“OFF”状态，通道是开放的。将负（-ve）栅极电压应用到p型eMOSFET会增强通道的导电性，使其“打开”。因此，对于p沟道增强型MOSFET：+VGS将晶体管“关闭”，而-VGS将晶体管“打开”。
耗尽型MOSFET
耗尽型MOSFET比增强型类型少见，通常在不施加栅极偏置电压的情况下就处于“ON”（导通）状态。也就是，当V G S = 0 V_{GS} = 0VGS =0时，通道会导电，使其成为“通常闭合”设备。上面显示的耗尽MOS晶体管的电路符号使用实线通道线来表示通常闭合的导电通道。
对于n沟道耗尽型MOS晶体管，负栅源电压，-VGS将耗尽（因此其名称）导电通道的自由电子，将晶体管切换为“OFF”状态。同样，对于p沟道耗尽型MOS晶体管，正栅源电压，+VGS将耗尽通道的自由空穴，使其处于“OFF”状态。
换句话说，对于n沟道耗尽型MOSFET：+VGS意味着更多的电子和更大的电流。而-VGS表示更少的电子和更小的电流。对于p沟道类型也是如此。因此，耗尽型MOSFET等效于“通常闭合”开关。
MOSFET类型 VGS = +ve VGS = 0 VGS = -ve
N 沟道耗尽 开 开 关
N 沟道增强 开 关 关
P 沟道耗尽 关 开 开
P 通道增强 关 关 开
增强模式N沟道放大器
这个共源（CS）MOSFET放大器电路，通过由电阻R 1 R_1R1 和R 2 R_2R2 形成的电压分压网络对MOSFET电路进行了A类工作的偏置。交流输入电阻被给定为R I N = R G = 1 M Ω R_{IN} = R_G = 1MΩRIN =RG =1MΩ。
金属氧化物半导体场效应晶体管是由不同的半导体材料制成的三端活性器件，可以通过施加小信号电压来充当绝缘体或导体。
MOSFET能够在这两种状态之间变化的能力使其具有两种基本功能：“开关”（数字电子学）或“放大”（模拟电子学）。然后，MOSFET具有在三个不同区域内运行的能力：
截止区域- 当V G S < V threshold V_{GS} < V_{\text{threshold}}VGS <Vthreshold 时，栅源电压远低于晶体管的阈值电压，因此MOSFET晶体管被切换为“完全关闭”，因此，I D = 0 I_D = 0ID =0，晶体管的行为就像是一个开关，不考虑V D S V_{DS}VDS 的值。
线性（欧姆）区域- 当V G S > V threshold V_{GS} > V_{\text{threshold}}VGS >Vthreshold 且V D S < V G S V_{DS} < V_{GS}VDS <VGS 时，晶体管处于其恒阻区域，表现为电压控制电阻，其电阻值由栅极电压V G S V_{GS}VGS 水平确定。
饱和区域- 当V G S > V threshold V_{GS} > V_{\text{threshold}}VGS >Vthreshold 且V D S > V G S V_{DS} > V_{GS}VDS >VGS 时，晶体管处于其恒流区域，因此处于“完全开启”状态。漏极电流I D = I D max I_D = I_{D_{\text{max}}}ID =IDmax ，晶体管作为闭合开关工作。