深入理解场效应管(JFET-MOSFET-VMOSFET)

谈过三极管，现在又谈场效应管，那么场效应管具备什么特质，让我们大费笔墨、喋喋不休？或者这样问，究竟场效应管比三极管好在哪里，才让它在三极管的晶体世界里自成一国？

首先要强调的是输入阻抗这个概念。场效应管在工作状态时的输入阻抗约为无穷大，严格说来是很大。那么这个有什么用吗？至少有两点可以随手拿来：第一、功耗低。不难理解，如此大的输入阻抗必定让回路里的电流很小，功耗自然低；第二、对前级输出的影响降至最低，如果是信号源的话，那么对信号源的影响很小，相当于变相的提高了前级输出的带负载能力。

但是不全是在输入阻抗方面表现出了和三极管不一样的特质，先来分析一下场效应管（FET）的工作原理。可是FET中有结型场效应管JFET和绝缘栅型场效应管（insulated gate field effect transistor ，IGFET,因为在工艺上栅极一般是有金属铝构成，因此又称metal oxide semiconductor，MOS，金属氧化物半导体）。所以本文中暂且先讨论JFET的工作机理。

但是我们关于那些近乎半导体物理学的概念可以暂时放一放，那不是我们的重点，我们没有必要绞尽脑汁的听这些稀奇古怪的概念的胡诌或者玄乎。为了代替这部分，假设JFET就如同你手中的矿泉水瓶，瓶盖处是漏极Drain、瓶底处是源极Source、而栅极Gate就是贴商标的地方或者你喝水时手握的地方。现在要郑重其事的说名JFET的工作方法了：通过栅源电压Ugs来控制漏源回路中的电流Id的大小。换句话说，JFET的工作本质就是通过手和瓶底之间的电压来控制瓶口的电流大小，这和人喝水时的场景多么的像啊。

问题是怎么控制？个中情景比较复杂，大致是通过手和瓶底之间的电压以及瓶盖和瓶底之间的电压来控制JFET的导电沟道的宽度，这个导电沟道，把它想象成瓶子中自瓶底到瓶盖的一条电流通路，它受以上两种电压的影响和控制。

JFET有N沟道和P沟道两种，以N沟道来描述一下：

先来描述一下上图：N沟道的JFET的栅源之间有直流反向（注意是反向）偏置电压Eg和交流小信号电压Us，在漏源之间有漏极电阻Rd和直流电源Ed（电源是一定的，能量守恒咱们得遵守）。信号变化时，Ugs改变、Id相应改变，Rd两端电压成比例改变、当Eg、Ed、Rd取值合适时，它就活灵活现的再现了BJT信号放大的功能。经过这么一番描述，可以看出FET是电压控制型器件，正常放大时，GS之间始终处于反向偏置状态，这也是FET具有与众不同的大输入阻抗的原因，因此结中只有很小的反向电流，这个电阻可以估算为100兆欧到十万兆欧。

P沟道的原理一样，仅仅在使用时要求电源极性与上面的相反，以及偏置的极性（ds之间）也相反。

那我们再具体看看栅源电压和漏源电压对Id的控制作用吧！

当Uds=0时，也就是用一根导线将d和s短接起来（那样它俩之间就不会有电压了）。这时如果Ugs=0，那么导电沟道很宽。言外之意是有着绝佳的导电能力。然后，当加在gs两端的电压（因为是反向，注意描述方法）增大时，也就是Ugs的绝对值变大时，沟道变窄，导电的能力正逐渐消失。直到真正消失的那一刻，把此刻的Ugs的值称为夹断电压Ugs（off）或者Up。

现在再来阐述一种情况，固定Ugs为Up到0中的某一值。表示Ugs这个栅源电压并没有将d和s之间的导电通道夹断。然后我们再来稳当的考虑Uds对漏极电流Id的影响。这个时候要有一个能量守恒的观念，就是Ugs控制的是这个ds之间的导电沟道的宽窄甚至断，但是这条路上生不生成电流还是要靠ds之间的电压Uds。如果Uds之间没有电压，那么Id肯定也是零。当Uds脱离0往上增长时，Id就产生了，并且从漏极流向源极。而且让人高兴的是，这时Uds和Id符合欧姆定律，并且这个欧姆定律中的电阻现在完全的纯粹的受Ugs来控制。明白什么意思了吧！

但不幸的是，凡事都有个极限，Uds在往上增时，Id确实是由欧姆定律指引着随之增大，但是当Uds从零增大时，Ugd逐渐减小，一直小的等于Ugs（off）或者叫Up时，导电沟道就会被夹断。这种情况被称为预夹断。有人就会问了，前面说的Ugs=Up叫夹断我能理解，怎么Ugd小了也会出现导电沟道的夹断呢？其实这又是场效应管的一个特性——对称特性。即JFET的物理特性以栅极为对称，所以Ugd和Ugs都会产生夹断。需要注意的是，这并不表明你买到的JFET的d和s就可以互换使用，因为你手上的JFET内部可能已经因集成了某些东西而导致各引脚的功能有所变化了。

话又说回来，出现预夹断会出现什么情况？当这个时候再往上增加Uds时，导电沟道就会被夹断的越厉害。有人笑了，说前面已经说过断了，怎么断了还有严重与不严重之分？反正横竖都是断。只好在用前面的矿泉水瓶来比喻了，就像你用手用力握住瓶，把它压扁，你可以再使劲，它更扁，水流过去就会更困难一样。那是不是说，Uds再增大时，导电沟道压得更扁，电流就开始减小？非也，因为Uds也在增大啊，Uds就相当于电池，它提供电流流动的压力。这就是说，一方面电池给电流施加的压力再逐渐增大，促使电流也增大，而另一方面，回路中的电阻却因为导电沟道的压扁而增大，两者相抵消，于是表现出了Id的恒流特性。

下面再介绍一种情况，就是当UgdUgs-Up时，这时已经越过了预夹断，可以称此时的情况为后预夹断区。先固定Uds为一个常量，对应于确定的Ugs就会有确定的Id。于是，此时可以通过改变Ugs来控制Id的大小。用一个较为正式的术语来说，就是漏极电流的大小受栅-源电压的控制，所以称场效应管为电压控制元件。并且我们把栅源电压对漏极电流的控制作用用Gm低频跨导来描述。Gm=Id的增量/Ugs的增量。

上面这堆啰嗦的话介绍了Ugd大于Up、等于Up、小于Up的各种情况，算是一个比较详细的介绍吧。

分析完了这些，总结性的介绍一下JFET的输出特性曲线。各位不要一看到类似于“特性曲线”之类的词语就倍感头疼，以为又是什么复杂的数学模型。其实不然，因为我们的目的很明确，那就是来用一个模型来描述一下Id受Ugs和Uds控制的详细情况。可能大家已经注意到了，影响Id有两个变量，因此我们固定住Ugs，来描述Uds和Id的关系。这就是JFET的输出特性曲线。

现在我们来看看可爱的JFET的输入特性吧。

既然固定住Ugs就可以得到一条输出特性曲线，那就是没对应一个Ugs就会有一条曲线，因此具体说来，输出特性曲线是一族曲线。如下图所示：

每一个Ugs会对应一条输出曲线，但是Ugs里面有个值很特殊，它就是Up（夹断电压），因此Up对应的那条曲线又会是什么样子呢？我们说没意义了，并且把Ugs<>

说夹断区时，再提一下论述三极管时的一句话，JFET不是神，因此当电压过高时会造成管子的击穿和破坏，比如当Uds太大时，上图给出的是25V，就会把管子击穿。

而Ugs在Up以上时，在Uds小于某一个值时，上图约为15V（因为这样JFET就不会出现预夹断的情况），这个区域称为可变电阻区或非饱和区，因为在这个区域可以通过改变Ugs的大小来改变斜线的斜率，也就是ds之间的电阻。而在中间那簇平稳的直线段，称为恒流区或者饱和区，就是前面已经说过的出现预夹断到击穿之间的这段。

输出特性曲线就讨论到这儿，接着说它的转移特性曲线。跟前面相对，这次是固定Uds来描述Id和Ugs之间的函数关系。注意下图的转移特性曲线是描述JFET在恒流区的状态，因为在可变电阻区时，Uds不同，转移特性曲线也有很大差别。

而绝缘栅型场效应管的特别之处在于它的栅极与源极、栅极与漏极之间均采用二氧化硅绝缘层隔离，因此而得名。这就是它的英文名字IGFET的来历，意为Insulated Gate Field Effect Transistor。又因为在工艺制作中它的栅极一般为金属铝做引线，因此又称MOS管，意为Metal-Oxide-Semiconductor。它就是靠栅源间的电场来控制导电沟道的宽窄。其实这之间会有一些类似于“多子”、“载流子”之类的概念，不过明确的是，这不是本文的重点。那么相比与JFET，MOS有什么神奇的功能呢？

你也许应该知道，MOS的栅源间电阻比结型效应管大得多，可达10000兆欧以上，高出两三个数量级以上。也就是它的输入阻抗比JFET要大，这是可喜之处。另外，与JFET相比，它的温度稳定性好、集成化工艺简单，因而广泛应用于大规模或超大规模集成电路。这是它的耀武扬威之处。经过这些表象的叙述，你也许应该意识到，MOS的导电机理与JFET应该不相同。

MOS也有N、P沟道之分，但不同的是，每一种沟道都有增强型和耗尽型之分。这个概念在下文的原理描述中就会逐渐理解。

照例先引出N沟道的MOS模型，先说增强型的是什么样子吧。如下图所示：

以低掺杂度的P型硅片为衬底，利用扩散工艺制作两个高渗杂的N+区，引出两

个欧姆接触电极来，分别为S源极和D漏极。在S和D之间的衬底表面覆盖一层二氧化硅绝缘层，在此绝缘层上面沉积出金属铝层并引出电极，称为栅极G。由于二氧化硅天然绝佳的绝缘性，所以栅极和其它两个极之间是相互绝缘的。这也是上文中提出的名字叫IGFET的原因了。在最底层的金属衬底上引出另外一个电极B，称为背面栅极，它主要用于在集成IC中生成隔离岛。这也是MOS管的电路符号里有个让人摸不着头脑的B字母的原因。

当gs之间的电压Ugs=0时，ds之间就相当于两个反向的二极管串联在一起，公共点是阳极。那这样的背靠背当然是没有导电沟道的。所以说，此时此路不通。即使漏源之间加上电压也没有用。所以此刻ds之间不会有漏电流产生。现在再强调一遍，这是增强型的MOS管。

那么当Ugs有电压会怎么样呢？当栅源之间有电压时，同时源极与背栅短接（为什么短接？见后文），那么Ugs就会施加到衬底与栅极之间，产生一个与衬底表面垂直的电场。而这个Ugs超过一定值（临界值）后，自然电场强度就达到一个值，这样的话电子就被吸引到远离衬底的P型硅表面，在两个N+岛之间形成导电的N沟道。这样，S、D、N沟道形成一体，他们不仅仅与下面的P+型硅形成PN结。当漏极、源极之间施加正向电压时，此PN结反向截止。与此同时，在漏极区、源极区、N沟道区下面存在一层耗尽区，成为一条统一战线，把它们与背栅衬底隔离开。这个时候，在漏源之间加上正向电压，就会有漏极电流Id形成。

而前面的那个临界值Ugs习惯成为开启电压，用Ut或Ugs（th）表示。

而且，和JFET类似，Ugs越大，导电沟道就越宽，电阻就越小。而Uds则相当于那个电池，当回路中的电阻一定时（就是Ugs一定时），随着Uds的增大，Id也就越大。不过，如你所想，当Uds实在大时，达到使Ugd=Ut时，就会出现预夹断。（这个与JFET类似，不再赘述）。下面给出N沟道增强型MOS管的输出特性曲线与转移特性曲线。

有增强型，还有耗尽型。那么耗尽型的名字背后又是一套怎样的工作机理？我们知道增强型MOS管的导电沟道这个东东的产生完全是Ugs这个电压的贡献，而耗尽型就不同了。它在制造时就在二氧化硅绝缘层中掺入了大量正离子，形成一个正电中心，产生了指向P型硅表面的垂直电场，在这个电场的作用下P型衬底表面层也存在反型层，也就是导电沟道。这就是说，导电沟道在耗尽型MOS管中是天然存在的。也就是说，即使Ugs没有电压的施加影响，ds之间也有导电通路。

那么，Ugs不为零呢？假设是正的？这就更好了，由于它的存在，是正电场增强，导电沟道形成的更宽了，于是，电阻就小了，Id就大了。

那如果是负的呢？由于耗尽型MOS管本身就有导电沟道存在，也就是说本来就有一定的资本，这样你加上负电压也只会蚕食一点老本，所以导电沟道还是会存在。只是，当这个负电压太大时，就会吃完老本，导电沟道就消失了，这时，称这个Ugs为夹断电压Ugs（off）或者Ut。

下面给出耗尽型MOS管的输出特性曲线和转移特性曲线：

耗尽型的场效应管电路符号是什么呢？只需将增强型符号中右边的三根断线连起来就是了。

前面叙述的都是N沟道的，关于P沟道的，只需将N沟道的输出特性曲线和转移特性曲线以原点做对称曲线，得到的就是P沟道的。个中乐趣，自己慢慢玩味吧。

MOS最值得强调的还是它的防静电操作方面。MOS的栅源之间距离短，电阻很大，所以只要少量的电荷就会将绝缘栅击穿而使MOS失效。因此，MOS曾被戏称为“摸死管”，就是为了突出MOS对静电的高度敏感性。

对于大功率MOS管，应类似于大功率BJT一样要注意散热问题。

对于高频应用场合中的MOS，因其栅源间的阻抗极高，对电场干扰惊人的敏感，因此，若使用高频MOS作为高频前端放大器，电路一定要设计良好的电场屏蔽结构。

回到上文中的一个问题，说的是背栅为什么要和源极短接？其实，不短接也可，只是要复杂一点。此时，衬极（背栅）与源极之间的电压Ubs必须保证衬-源间的PN结反向偏置，所以，N沟道MOS的Ubs应小于零（P沟道的相反），于是麻烦的局面就是，导电沟道宽度将受到来自于Ugs和Ubs的双重控制，Ubs将使开启电压或夹断电压的数值增大（为什么？）。需要说明的是，N沟道MOS管受Ubs的影响要大一些。

那么，MOS管的那些参数，诸如开启电压、夹断电压、饱和漏极电流、输入电阻、输出电阻、低频跨导、极间电容、最大漏极电流、漏源击穿电压、最大耗散功率、栅源击穿电压、动态导通电阻等，就不一一介绍了，对于这些概念，搜索引擎应该是更好的帮手。

在上文中研究了MOS管，到这里将要讨论VMOSFET这个东东。那么你要发问了，怎么刚研究完MOSFET，现在加个字母V就又成为一门新学问了？难道真如传说中的换个马甲就不认识了？当然不是，所谓VMOSFET就是在制作工艺上有点区别，它的腐蚀层是一个V字形状的，如下图所示：

VMOS场效应管以高掺杂N+为衬底（+号就表示有大量不对称的离子产生，也就是它被高掺杂了），上面外延低掺杂N区（N-）成为外延层，共同作为漏区，引出漏极drain，也就是d从芯片的背面引出。在这个漏区上先后进行P型区N+型区两次扩散，然后利用晶体硅的各向异性刻蚀技术，造出V型槽。槽的深度由开口宽度决定，槽壁与硅平面成54.7度角。沟道长度由扩散深度差决定，在1到2微米之间。从上面俯视VMOS管P区与N+区，可以看到它们均为环状区，所引出的电极为源极s。中间是腐蚀而成的V型槽，其上生长一层二氧化硅绝缘层，并覆盖上一层金属，作为栅极g。

怎么工作呢？在栅源电压Ugs大于开启电压Ut时，在P区靠近V型槽氧化层表面所形成的反型层与下面的N-区相连，形成垂直的导电沟道。当漏源间外加正电源时，自由电子将沿沟道从源极流向N型外延层、N+区衬底再到漏极D，这就形成了漏极电流Id。

这就是VMOS管的结构与它的工作机理，它的精华所在就是第一次改变了MOSFET管的电流方向，电流不是在沿表面水平方向流动，而是从N+源极出发，经过与表面成54.7度的沟道流到N-漂移区，然后再垂直的流到漏极。

现在再回到开头，就是VMOS管的原理认清了之后，再关心它的存在的价值，或者说人们对MOSFET还有什么不满？在前面的文章提到了MOSFET的优点，那就是输入阻抗超高，所需的驱动电流也就很小（0.1uA左右）。而且开关频率也不是很低，等等。那么不足在哪里呢？首当其冲的是MOSFET的功率，MOSFET的功率也就是百瓦级的，而VMOS得益于其天然的性感结构，比如电流垂直走，导电沟道相对宽，导电沟道还短，漏极的面积那么大（也就是散热面积大，安装散热片后更是不得了），所以它的功率一跃就变为千瓦级，所以像一些逆变器、UPS等跟市电联系紧密的仪器上的开关器件就大有它的用武之地了。而且工作频率可以更高。

从上图中也可以看到VMOS管的跨导线性是多么的好了吧。

综上所述，VMOS管不仅继承了MOS场效应管输入阻抗高（≥108W）、驱动电流小（左右0.1μA左右），还具有耐压高（最高可耐压1200V）、工作电流大（1.5A～100A）、输出功率高（可达千瓦级）、跨导的线性好、开关速度快等优良特性。正是由于它将电子管与功率晶体管之优点集于一身，因此在电压放大器（电压放大倍数可达数千倍）、功率放大器、开关电源和逆变器中正获得广泛应用。

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