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晶体管场效应（场效应晶体管FET）工作原理详解

场效应晶体管（简称FET）是一种通过电场控制半导体中载流子运动，进而调节电流的电子元件，核心特点是“电压控制电流”（无需输入电流即可控制输出电流），具有输入电阻极高、功耗低、噪声小的优势，广泛用于放大电路、开关电路、集成电路（如手机芯片）中。其工作原理围绕“栅极电场控制导电沟道”展开，需先明确基本结构与载流子特性，再分类型解析工作过程。

一、核心基础：FET的结构与关键概念

无论哪种FET，都包含3个电极和1个“导电沟道”，先掌握核心部件的作用：

三个电极：

源极（S，Source）：提供载流子（电子或空穴）的“源头”；

漏极（D，Drain）：收集载流子的“出口”，漏极电流（I_D）是FET的核心输出电流；

栅极（G，Gate）：通过施加电压（V_GS）产生电场，控制导电沟道的宽窄（或有无），进而控制I_D；

导电沟道：位于源极和漏极之间的半导体区域，载流子（N型沟道为电子，P型沟道为空穴）通过此区域从S流向D，形成I_D；

载流子类型：根据沟道中载流子的类型，FET分为“N沟道”（电子导电）和“P沟道”（空穴导电），工作原理对称，以下以更常用的N沟道为例讲解。

二、两大主流类型FET的工作原理

FET主要分为“结型场效应晶体管（JFET）”和“绝缘栅型场效应晶体管（MOSFET，最常用）”，两者均通过栅极电场控制沟道，但电场产生方式不同。

（一）结型场效应晶体管（JFET）：PN结反向偏置控沟道

1.结构特点：

N沟道JFET的沟道为N型半导体，在沟道两侧掺杂形成P型半导体，与沟道形成两个“PN结”（栅极G接P型区，源极S、漏极D接N型沟道），且PN结始终处于反向偏置（V_GS≤0，避免正向导通产生栅极电流，保证高输入电阻）。

2.工作过程：通过V_GS控制沟道宽窄，进而控制I_D

无栅压时（V_GS=0）：PN结反向偏置电压为0，耗尽层（PN结中无载流子的区域）最薄，沟道最宽，此时若在S、D间加正向电压V_DS，电子从S流向D，形成较大的漏极电流I_D（称为“饱和漏极电流I_DSS”）；

加负栅压时（V_GS0）：栅极接负电、沟道接正电，PN结反向偏置电压增大，耗尽层向沟道内扩展，挤压沟道空间，使沟道变窄、电阻增大；

→沟道越窄，载流子（电子）流动的阻力越大，I_D随之减小；

栅压足够负时（V_GS=V_P，夹断电压）：耗尽层完全填满沟道，沟道被“夹断”，载流子无法通过，I_D≈0，此时FET处于“截止状态”。

总结：JFET通过反向偏置的PN结耗尽层宽度控制沟道，V_GS越负，沟道越窄，I_D越小，实现“电压控制电流”。

（二）绝缘栅型场效应晶体管（MOSFET）：绝缘层电场控沟道

MOSFET（金属-氧化物-半导体FET）是目前应用最广泛的FET，核心特点是栅极与沟道之间有一层绝缘层（如二氧化硅），栅极无电流（输入电阻极高），通过绝缘层两侧的电场直接控制沟道的“有无”或“宽窄”，分为“增强型”和“耗尽型”，以下以最常用的“N沟道增强型MOSFET”为例。

1.结构特点：

衬底为P型半导体（多数载流子为空穴），在衬底表面氧化形成绝缘层（SiO?），绝缘层上蒸镀金属作为栅极G；

源极S、漏极D为衬底表面掺杂的N型半导体（与衬底形成PN结），未加栅压时，S和D之间的P型衬底无导电沟道（仅PN结）。

2.工作过程：通过V_GS感应出沟道，再控制I_D

阶段1：栅压诱导沟道形成（增强型的核心）

无栅压时（V_GS=0）：S、D间为P型衬底，无N型沟道，即使加V_DS，PN结反向偏置，I_D≈0（截止状态）；

加正向栅压（V_GSV_T，开启电压）：栅极接正电、衬底接负电，绝缘层两侧形成电场（方向从G指向衬底）；

→电场排斥衬底表面的空穴（P型载流子），吸引衬底深处的自由电子（少数载流子）到表面，在S、D之间的衬底表面形成一层“N型导电沟道”（与S、D的N型区连通）；

→V_GS越大，电场越强，吸引的电子越多，沟道越厚、电阻越小。

阶段2：漏源电压V_DS控制I_D的大小

当沟道形成后（V_GSV_T），在S、D间加正向电压V_DS：

V_DS较小时（可变电阻区）：沟道均匀（S端宽、D端略窄），I_D随V_DS增大而线性增大，此时FET相当于一个“受V_GS控制的可变电阻”（V_GS越大，电阻越小）；

V_DS足够大时（饱和区）：D端靠近衬底的PN