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深入理解場效應管（JFET、MOSFET、VMOSFET）
GEMFIELD談過三極管，現在又談場效應管，那么場效應管具備什么特質，讓我們大費筆墨、喋喋不休？或者這樣問，究竟場效應管比三極管好在哪里，才讓它在三極管的晶體世界里自成一國？
GEMFIELD首先要強調的是輸入阻抗這個概念。場效應管在工作狀態時的輸入阻抗約為無窮大，嚴格說來是很大。那么這個有什么用嗎？至少有兩點可 以隨手拿來：第一、功耗低。不難理解，如此大的輸入阻抗必定讓回路里的電流很小，功耗自然低；第二、對前級輸出的影響降至最低，如果是信號源的話，那么對 信號源的影響很小，相當於變相的提高了前級輸出的帶負載能力。
但是不全是在輸入阻抗方面表現出了和三極管不一樣的特質，gemfield先來分析一下場效應管（FET）的工作原理。可是FET中有結型場效應管 JFET和絕緣柵型場效應管（insulated gate field effect transistor ，IGFET,因為在工藝上柵極一般是有金屬鋁構成，因此又稱metal oxide semiconductor，MOS，金屬氧化物半導體）。所以本文中gemfield暫且先討論JFET的工作機理。
但是我們關於那些近乎半導體物理學的概念可以暫時放一放，那不是我們的重點，我們沒有必要絞盡腦汁的聽這些稀奇古怪的概念的胡謅或者玄乎。為了代替 這部分，gemfield假設JFET就如同你手中的礦泉水瓶，瓶蓋處是漏極Drain、瓶底處是源極Source、而柵極Gate就是貼商標的地方或者 你喝水時手握的地方。現在gemfield要鄭重其事的說名JFET的工作方法了：通過柵源電壓Ugs來控制漏源回路中的電流Id的大小。換句話 說，JFET的工作本質就是通過手和瓶底之間的電壓來控制瓶口的電流大小，這和人喝水時的場景多么的像啊。
問題是怎么控制？個中情景比較復雜，大致是通過手和瓶底之間的電壓以及瓶蓋和瓶底之間的電壓來控制JFET的導電溝道的寬度，這個導電溝道，把它想象成瓶子中自瓶底到瓶蓋的一條電流通路，它受以上兩種電壓的影響和控制。
JFET有N溝道和P溝道兩種，gemfield以N溝道來描述一下：
先來描述一下上圖：N溝道的JFET的柵源之間有直流反向（注意是反向）偏置電壓Eg和交流小信號電壓Us，在漏源之間有漏極電阻Rd和直流電源Ed（電 源是一定的，能量守恆咱們得遵守）。信號變化時，Ugs改變、Id相應改變，Rd兩端電壓成比例改變、當Eg、Ed、Rd取值合適時，它就活靈活現的再現 了BJT信號放大的功能。經過這么一番描述，可以看出FET是電壓控制型器件，正常放大時，GS之間始終處於反向偏置狀態，這也是FET具有與眾不同的大 輸入阻抗的原因，因此結中只有很小的反向電流，這個電阻可以估算為100兆歐到十萬兆歐。
P溝道的原理一樣，僅僅在使用時要求電源極性與上面的相反，以及偏置的極性（ds之間）也相反。
那我們再具體看看柵源電壓和漏源電壓對Id的控制作用吧！
當Uds=0時，也就是用一根導線將d和s短接起來（那樣它倆之間就不會有電壓了）。這時如果Ugs=0，那么導電溝道很寬。言外之意是有着絕佳的導電能 力。然后，當加在gs兩端的電壓（因為是反向，注意描述方法）增大時，也就是Ugs的絕對值變大時，溝道變窄，導電的能力正逐漸消失。直到真正消失的那一 刻，gemfield把此刻的Ugs的值稱為夾斷電壓Ugs（off）或者Up。
現在再來闡述一種情況，固定Ugs為Up到0中的某一值。表示Ugs這個柵源電壓並沒有將d和s之間的導電通道夾斷。然后我們再來穩當的考慮Uds 對漏極電流Id的影響。這個時候要有一個能量守恆的觀念，就是Ugs控制的是這個ds之間的導電溝道的寬窄甚至斷，但是這條路上生不生成電流還是要靠ds 之間的電壓Uds。如果Uds之間沒有電壓，那么Id肯定也是零。當Uds脫離0往上增長時，Id就產生了，並且從漏極流向源極。而且讓人高興的是，這時 Uds和Id符合歐姆定律，並且這個歐姆定律中的電阻現在完全的純粹的受Ugs來控制。明白什么意思了吧！
但不幸的是，凡事都有個極限，Uds在往上增時，Id確實是由歐姆定律指引着隨之增大，但是當Uds從零增大時，Ugd逐漸減小，一直小的等於 Ugs（off）或者叫Up時，導電溝道就會被夾斷。這種情況被稱為預夾斷。有人就會問了，前面說的Ugs=Up叫夾斷我能理解，怎么Ugd小了也會出現 導電溝道的夾斷呢？其實這又是場效應管的一個特性——對稱特性。即JFET的物理特性以柵極為對稱，所以Ugd和Ugs都會產生夾斷。需要注意的是，這並 不表明你買到的JFET的d和s就可以互換使用，因為你手上的JFET內部可能已經因集成了某些東西而導致各引腳的功能有所變化了。
話又說回來，出現預夾斷會出現什么情況？當這個時候再往上增加Uds時，導電溝道就會被夾斷的越厲害。有人笑了，說前面已經說過斷了，怎么斷了還有 嚴重與不嚴重之分？反正橫豎都是斷。gemfield只好在用前面的礦泉水瓶來比喻了，就像你用手用力握住瓶，把它壓扁，你可以再使勁，它更扁，水流過去 就會更困難一樣。那是不是說，Uds再增大時，導電溝道壓得更扁，電流就開始減小？非也，因為Uds也在增大啊，Uds就相當於電池，它提供電流流動的壓 力。這就是說，一方面電池給電流施加的壓力再逐漸增大，促使電流也增大，而另一方面，回路中的電阻卻因為導電溝道的壓扁而增大，兩者相抵消，於是表現出了 Id的恆流特性。
下面再介紹一種情況，就是當Ugd<Up也就是Uds>Ugs-Up時，這時已經越過了預夾斷，gemfield稱此時的情況為后預夾 斷區。先固定Uds為一個常量，對應於確定的Ugs就會有確定的Id。於是，此時可以通過改變Ugs來控制Id的大小。用一個較為正式的術語來說，就是漏 極電流的大小受柵-源電壓的控制，所以稱場效應管為電壓控制元件。並且我們把柵源電壓對漏極電流的控制作用用Gm低頻跨導來描述。Gm=Id的增量 /Ugs的增量。
上面這堆啰嗦的話介紹了Ugd大於Up、等於Up、小於Up的各種情況，算是一個比較詳細的介紹吧。
分析完了這些，gemfield總結性的介紹一下JFET的輸出特性曲線。各位不要一看到類似於“特性曲線”之類的詞語就倍感頭疼，以為又是什么復 雜的數學模型。其實不然，因為我們的目的很明確，那就是來用一個模型來描述一下Id受Ugs和Uds控制的詳細情況。可能大家已經注意到了，影響Id有兩 個變量，因此我們固定住Ugs，來描述Uds和Id的關系。這就是JFET的輸出特性曲線。
現在我們來看看可愛的JFET的輸入特性吧。
既然固定住Ugs就可以得到一條輸出特性曲線，那就是沒對應一個Ugs就會有一條曲線，因此具體說來，輸出特性曲線是一族曲線。如下圖所示：
每一個Ugs會對應一條輸出曲線，但是Ugs里面有個值很特殊，它就是Up（夾斷電壓），因此Up對應的那條曲線又會是什么樣子呢？我們說沒意義 了，並且把Ugs<Up的區域稱為夾斷區。我們一般表面化的方便我們標記的做法是把Id電流等於5uA這個數時稱為導電溝道的夾斷。
說夾斷區時，gemfield再提一下論述三極管時的一句話，JFET不是神，因此當電壓過高時會造成管子的擊穿和破壞，比如當Uds太大時，上圖給出的是25V，就會把管子擊穿。
而Ugs在Up以上時，在Uds小於某一個值時，上圖約為15V（因為這樣JFET就不會出現預夾斷的情況），這個區域稱為可變電阻區或非飽和區， 因為在這個區域可以通過改變Ugs的大小來改變斜線的斜率，也就是ds之間的電阻。而在中間那簇平穩的直線段，gemfield稱為恆流區或者飽和區，就 是前面已經說過的出現預夾斷到擊穿之間的這段。
輸出特性曲線就討論到這兒，接着說它的轉移特性曲線。跟前面相對，這次是固定Uds來描述Id和Ugs之間的函數關系。注意下圖的轉移特性曲線是描述JFET在恆流區的狀態，因為在可變電阻區時，Uds不同，轉移特性曲線也有很大差別。
這個圖就是在JFET輸出特性曲線的恆流區畫一條垂直於x軸的線得到的，想想為什么。關於這個曲線的數學表達式，可以去其它地方找找，這個不是gemfield本文的重點。
而絕緣柵型場效應管的特別之處在於它的柵極與源極、柵極與漏極之間均采用二氧化硅絕緣層隔離，因此而得名。這就是它的英文名字IGFET的來歷，意 為Insulated Gate Field Effect Transistor。又因為在工藝制作中它的柵極一般為金屬鋁做引線，因此又稱MOS管，意為Metal-Oxide-Semiconductor。它 就是靠柵源間的電場來控制導電溝道的寬窄。其實這之間會有一些類似於“多子”、“載流子”之類的概念，不過明確的是，這不是本文的重點。那么相比與 JFET，MOS有什么神奇的功能呢？要不也不會在這里被gemfield介紹。
你也許應該知道，MOS的柵源間電阻比結型效應管大得多，可達10000兆歐以上，高出兩三個數量級以上。也就是它的輸入阻抗比JFET要大，這是 可喜之處。另外，與JFET相比，它的溫度穩定性好、集成化工藝簡單，因而廣泛應用於大規模或超大規模集成電路。這是它的耀武揚威之處。經過這些表象的敘 述，你也許應該意識到，MOS的導電機理與JFET應該不相同。
現在假設你已經看完上一篇《FET之結型場效應管》一文，那么這篇文章的敘述就不會顯得紛繁蕪雜。MOS也有N、P溝道之分，但不同的是，每一種溝道都有增強型和耗盡型之分。這個概念在下文的原理描述中就會逐漸理解。
照例gemfield先引出N溝道的MOS模型，先說增強型的是什么樣子吧。如下圖所示：
以低摻雜度的P型硅片為襯底，利用擴散工藝制作兩個高滲雜的N+區，引出兩個歐姆接觸電極來，分別為S源極和D漏極。在S和D之間的襯底表面覆蓋一 層二氧化硅絕緣層，在此絕緣層上面沉積出金屬鋁層並引出電極，稱為柵極G。由於二氧化硅天然絕佳的絕緣性，所以柵極和其它兩個極之間是相互絕緣的。這也是 上文中提出的名字叫IGFET的原因了。在最底層的金屬襯底上引出另外一個電極B，稱為背面柵極，它主要用於在集成IC中生成隔離島。這也是MOS管的電 路符號里有個讓人摸不着頭腦的B字母的原因。
當gs之間的電壓Ugs=0時，ds之間就相當於兩個反向的二極管串聯在一起，公共點是陽極。那這樣的背靠背當然是沒有導電溝道的。所以說，此時此 路不通。即使漏源之間加上電壓也沒有用。所以此刻ds之間不會有漏電流產生。現在gemfield再強調一遍，這是增強型的MOS管。
那么當Ugs有電壓會怎么樣呢？當柵源之間有電壓時，同時源極與背柵短接（為什么短接？見后文），那么Ugs就會施加到襯底與柵極之間，產生一個與 襯底表面垂直的電場。而這個Ugs超過一定值（臨界值）后，自然電場強度就達到一個值，這樣的話電子就被吸引到遠離襯底的P型硅表面，在兩個N+島之間形 成導電的N溝道。這樣，S、D、N溝道形成一體，他們不僅僅與下面的P+型硅形成PN結。當漏極、源極之間施加正向電壓時，此PN結反向截止。與此同時， 在漏極區、源極區、N溝道區下面存在一層耗盡區，成為一條統一戰線，把它們與背柵襯底隔離開。這個時候，在漏源之間加上正向電壓，就會有漏極電流Id形 成。
而前面的那個臨界值Ugs習慣成為開啟電壓，用Ut或Ugs（th）表示。
而且，和JFET類似，Ugs越大，導電溝道就越寬，電阻就越小。而Uds則相當於那個電池，當回路中的電阻一定時（就是Ugs一定時），隨着 Uds的增大，Id也就越大。不過，如你所想，當Uds實在大時，達到使Ugd=Ut時，就會出現預夾斷。（這個與JFET類似，不再贅述）。下面給出N 溝道增強型MOS管的輸出特性曲線與轉移特性曲線。
由於有上文的理論支撐，gemfield此處不再對這兩個圖多做解釋。Id與Ugs也有個數學表達式可以模擬兩者的關系，但不是本文的重點。
有增強型，還有耗盡型。那么耗盡型的名字背后又是一套怎樣的工作機理？我們知道增強型MOS管的導電溝道這個東東的產生完全是Ugs這個電壓的貢 獻，而耗盡型就不同了。它在制造時就在二氧化硅絕緣層中摻入了大量正離子，形成一個正電中心，產生了指向P型硅表面的垂直電場，在這個電場的作用下P型襯 底表面層也存在反型層，也就是導電溝道。這就是說，導電溝道在耗盡型MOS管中是天然存在的。也就是說，即使Ugs沒有電壓的施加影響，ds之間也有導電 通路。
那么，Ugs不為零呢？假設是正的？這就更好了，由於它的存在，是正電場增強，導電溝道形成的更寬了，於是，電阻就小了，Id就大了。
那如果是負的呢？由於耗盡型MOS管本身就有導電溝道存在，也就是說本來就有一定的資本，這樣你加上負電壓也只會蠶食一點老本，所以導電溝道還是會存在。只是，當這個負電壓太大時，就會吃完老本，導電溝道就消失了，這時，稱這個Ugs為夾斷電壓Ugs（off）或者Ut。
下面gemfield給出耗盡型MOS管的輸出特性曲線和轉移特性曲線：
耗盡型的場效應管電路符號是什么呢？只需將增強型符號中右邊的三根斷線連起來就是了。
前面敘述的都是N溝道的，關於P溝道的，只需將N溝道的輸出特性曲線和轉移特性曲線以原點做對稱曲線，得到的就是P溝道的。個中樂趣，自己慢慢玩味吧。
MOS最值得強調的還是它的防靜電操作方面。MOS的柵源之間距離短，電阻很大，所以只要少量的電荷就會將絕緣柵擊穿而使MOS失效。因此，MOS曾被戲稱為“摸死管”，就是為了突出MOS對靜電的高度敏感性。
對於大功率MOS管，應類似於大功率BJT一樣要注意散熱問題。
對於高頻應用場合中的MOS，因其柵源間的阻抗極高，對電場干擾驚人的敏感，因此，若使用高頻MOS作為高頻前端放大器，電路一定要設計良好的電場屏蔽結構。
回到上文中的一個問題，說的是背柵為什么要和源極短接？其實，不短接也可，只是要復雜一點。此時，襯極（背柵）與源極之間的電壓Ubs必須保證襯- 源間的PN結反向偏置，所以，N溝道MOS的Ubs應小於零（P溝道的相反），於是麻煩的局面就是，導電溝道寬度將受到來自於Ugs和Ubs的雙重控 制，Ubs將使開啟電壓或夾斷電壓的數值增大（為什么？）。需要說明的是，N溝道MOS管受Ubs的影響要大一些。
那么，MOS管的那些參數，諸如開啟電壓、夾斷電壓、飽和漏極電流、輸入電阻、輸出電阻、低頻跨導、極間電容、最大漏極電流、漏源擊穿電壓、最大耗散功率、柵源擊穿電壓、動態導通電阻等，gemfield就不一一介紹了，對於這些概念，搜索引擎應該是更好的幫手。
在上文中gemfield研究了MOS管，到這里gemfield將要討論VMOSFET這個東東。那么你要發問了，怎么剛研究完MOSFET，現 在加個字母V就又成為一門新學問了？難道真如傳說中的換個馬甲就不認識了？當然不是，所謂VMOSFET就是在制作工藝上有點區別，它的腐蝕層是一個V字 形狀的，如下圖所示：
VMOS場效應管以高摻雜N+為襯底（+號就表示有大量不對稱的離子產生，也就是它被高摻雜了），上面外延低摻雜N區（N-）成為外延層，共同作為 漏區，引出漏極drain，也就是d從芯片的背面引出。在這個漏區上先后進行P型區N+型區兩次擴散，然后利用晶體硅的各向異性刻蝕技術，造出V型槽。槽 的深度由開口寬度決定，槽壁與硅平面成54.7度角。溝道長度由擴散深度差決定，在1到2微米之間。從上面俯視VMOS管P區與N+區，可以看到它們均為 環狀區，所引出的電極為源極s。中間是腐蝕而成的V型槽，其上生長一層二氧化硅絕緣層，並覆蓋上一層金屬，作為柵極g。
怎么工作呢？在柵源電壓Ugs大於開啟電壓Ut時，在P區靠近V型槽氧化層表面所形成的反型層與下面的N-區相連，形成垂直的導電溝道。當漏源間外加正電源時，自由電子將沿溝道從源極流向N型外延層、N+區襯底再到漏極D，這就形成了漏極電流Id。
這就是VMOS管的結構與它的工作機理，它的精華所在就是第一次改變了MOSFET管的電流方向，電流不是在沿表面水平方向流動，而是從N+源極出發，經過與表面成54.7度的溝道流到N-漂移區，然后再垂直的流到漏極。
現在再回到開頭，就是VMOS管的原理認清了之后，gemfield再關心它的存在的價值，或者說人們對MOSFET還有什么不 滿？gemfield在前面的文章提到了MOSFET的優點，那就是輸入阻抗超高，所需的驅動電流也就很小（0.1uA左右）。而且開關頻率也不是很低， 等等。那么不足在哪里呢？首當其沖的是MOSFET的功率，MOSFET的功率也就是百瓦級的，而VMOS得益於其天然的性感結構，比如電流垂直走，導電 溝道相對寬，導電溝道還短，漏極的面積那么大（也就是散熱面積大，安裝散熱片后更是不得了），所以它的功率一躍就變為千瓦級，所以像一些逆變器、UPS等 跟市電聯系緊密的儀器上的開關器件就大有它的用武之地了。而且工作頻率可以更高。
從gemfield的上圖中也可以看到VMOS管的跨導線性是多么的好了吧。
綜上所述，VMOS管不僅繼承了MOS場效應管輸入阻抗高（≥108W）、驅動電流小（左右0.1μA左右），還具有耐壓高（最高可耐壓 1200V）、工作電流大（1.5A～100A）、輸出功率高（可達千瓦級）、跨導的線性好、開關速度快等優良特性。正是由於它將電子管與功率晶體管之優 點集於一身，因此在電壓放大器（電壓放大倍數可達數千倍）、功率放大器、開關電源和逆變器中正獲得廣泛應用。