场效应晶体管技术解析，JFET与MOSFET的原理、区别及应用

电压控制的场效应晶体管（FET），主要用于放大弱信号，主要是无线信号，放大模拟和数字信号。场效应晶体管（FET）是一种使用电场效应改变器件电性能的晶体管。它们被用于从RF技术到开关，从功率控制到放大的电子电路中。他们使用电场来控制通道的电导率。FET分为JFET（结型场效应晶体管）和MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）。两者都主要用于集成电路，并且在工作原理上非常相似，但是它们的组成略有不同。让我们详细认识下两者。

一、什么是JFET？

JFET是最简单的场效应晶体管，其中电流可以从源极流到漏极或从漏极流到源极。与双极结型晶体管（BJT）不同，JFET使用施加到栅极端子的电压来控制流过漏极端子和源极端子之间通道的电流，从而导致输出电流与输入电压成比例。栅极端子反向偏置。这是一种用于电子开关，电阻器和放大器的三端单极半导体器件。它期望输入和输出之间具有高度隔离，这使其比双极结型晶体管更稳定。与BJT不同，允许的电流量由JFET中的电压信号确定。

JFET通常分为两种基本结构：N沟道JFET –流过漏极和源极之间的沟道的电流以电子形式为负。它具有比P沟道类型更低的电阻。P沟道JFET –流过该通道的电流以空穴形式为正。它具有比N沟道同类产品更高的电阻值。

二、什么是MOSFET？

MOSFET是一种四端半导体场效应晶体管，由可控硅氧化制成，所施加的电压决定了器件的电导率。MOSFET代表金属氧化物半导体场效应晶体管。位于源极和漏极通道之间的栅极通过金属氧化物薄层与该通道电绝缘。这个是控制源极和漏极通道之间的电压和电流流动。MOSFET由于其高输入阻抗而在集成电路中起着至关重要的作用。它们主要用于功率放大器和开关，此外，它们作为功能元件在嵌入式系统设计中也起着至关重要的作用。

它们通常分为两种配置：耗尽模式MOSFET –栅极至源极电压为零时，器件通常为“ ON”状态。施加电压低于漏极至源极电压增强模式MOSFET –栅极至源极电压为零时，器件通常为“ OFF”。

三、JFET和MOSFET之间的区别？

FET和MOSFET的基础：JFET和MOSFET都是压控晶体管，用于放大模拟和数字弱信号。两者都是单极器件，但组成不同。JFET代表结型场效应晶体管，而MOSFET则代表金属氧化物半导体场效应晶体管。前者是三端子半导体器件，而后者是四端子半导体器件。

FET和MOSFET的工作模式：与双极结型晶体管（BJT）相比，两者的跨导值都较小。JFET只能在耗尽模式下工作，而MOSFET可以在耗尽模式和增强模式下工作。

FET和MOSFET中的输入阻抗：JFET的高输入阻抗约为1010欧姆，这使其对输入电压信号敏感。MOSFET提供比JFET更高的输入阻抗，这得益于金属氧化物绝缘体，使得它们在栅极端的电阻更高。

栅极漏电流：它是指即使关闭了电子设备，由于电子设备而导致的逐渐损耗的电能。虽然JFET允许栅极泄漏电流为10 ^ -9 A数量级，但MOSFET的栅极泄漏电流将为10 ^ -12 A数量级。

FET和MOSFET中的损坏电阻：由于额外的金属氧化物绝缘体会降低栅极的电容，从而使晶体管容易受到高压损坏，因此MOSFET更容易受到静电放电的损害。另一方面，JFET比MOSFET具有更高的输入电容，因此不易受到ESD损坏。

FET和MOSFET的成本：JFET遵循简单，不太复杂的制造工艺，这使其比MOSFET便宜，而MOSFET由于制造工艺更加复杂而价格昂贵。附加的金属氧化物层增加了总成本。

FET和MOSFET的应用：JFET是电子开关，缓冲放大器等低噪声应用。另一方面，MOSFET主要用于高噪声应用，例如开关和放大模拟或数字信号，此外，它们还用于电机控制应用和嵌入式系统。

四、耗尽型与增强型MOS管的区别

耗尽型与增强型MOS管的区别主要在于耗尽型MOS管在G端（Gate）不加电压时有导电沟道存在，而增强型MOS管只有在开启后，才会出现导电沟道；两者的控制方式也不一样，耗尽型MOS管的VGS（栅极电压）可以用正、零、负电压控制导通，而增强型MOS管必须使得VGS>VGS（th）（栅极阈值电压）才行。

场效应管分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS管）两大类。

按沟道材料型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种；按导电方式：耗尽型与增强型，结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。

场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管，而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。

绝缘栅场效应管是由金属、氧化物和半导体所组成，所以又称为金属—氧化物—半导体场效应管，简称MOS场效应管。

绝缘栅型场效应管的工作原理（以N沟道增强型MOS场效应管为例）它是利用UGS来控制“感应电荷”的多少，以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，然后达到控制漏极电流的目的。在制造管子时，通过工艺使绝缘层中出现大量正离子，故在交界面的另一侧能感应出较多的负电荷，这些负电荷把高渗杂质的N区接通，形成了导电沟道，即使在VGS=0时也有较大的漏极电流ID。当栅极电压改变时，沟道内被感应的电荷量也改变，导电沟道的宽窄也随之而变，因而漏极电流ID随着栅极电压的变化而变化。

场效应管的工作方式有两种：所谓的增强还是耗尽，主要是指MOS管内的反型层。如果在不通电情况下，反型层不存在，电压加到一定程度后，反型层才出现，（当栅压为零，漏极电流也为零，必须再加一定的栅压之后才有漏极电流的）这个就是增强。相反，如果反型层一开始就存在，随着电压强弱，反型层会出现增加或者衰减，（当栅压为零时有较大漏极电流的）这个就是耗尽。

五、耗尽型与增强型MOS管的区别详解

耗尽型与增强型的主要区别在于耗尽型MOS管在G端（Gate）不加电压时有导电沟道存在，而增强型MOS管只有在开启后，才会出现导电沟道；两者的控制方式也不一样，耗尽型MOS管的VGS（栅极电压）可以用正、零、负电压控制导通，而增强型MOS管必须使得VGS>VGS（th）（栅极阈值电压）才行。

由于耗尽型N沟道MOS管在SiO2绝缘层中掺有大量的Na+或K+正离子（制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子），当VGS=0时，这些正离子产生的电场能在P型衬底中感应出足够的电子，形成N型导电沟道；当VGS>0时，将产生较大的ID（漏极电流）；如果使VGS<0，则它将削弱正离子所形成的电场，使N沟道变窄，从而使ID减小。

这些特性使得耗尽型MOS管在实际应用中，当设备开机时可能会误触发MOS管，导致整机失效；不易被控制，使得其应用极少。

因此，日常我们看到的NMOS、PMOS多为增强型MOS管；其中，PMOS可以很方便地用作高端驱动。不过PMOS由于存在导通电阻大、价格贵、替换种类少等问题，在高端驱动中，通常还是使用NMOS替代，这也是市面上无论是应用还是产品种类，增强型NMOS管最为常见的重要原因，尤其在开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS管。