场效应管的工作原理

场效应管（Field-Effect Transistor, FET）是一种通过栅极电压控制漏极电流的半导体器件，属于单极型晶体管。其工作原理主要基于电场对半导体沟道宽度的控制，从而调节载流子浓度和电流传输。以下是详细解析：

一、基本结构

场效应管主要由三个电极构成：

漏极（D）：

与半导体衬底相连，是电流输出端；

源极（S）：

与漏极相连，是电流输入端；

栅极（G）：

通过栅极电压控制沟道宽度。

二、工作原理核心

场效应管通过栅极电压（VGS）控制漏极-源极沟道的宽度，从而调节漏极电流（ID）：

耗尽层控制机制

- 在栅极与源极之间加反向偏置电压（VGS<0），在N型半导体中形成耗尽层，耗尽层宽度随|VGS|增大而增加；

- 耗尽层扩展导致沟道变窄，漏极电流减小；反之，耗尽层收缩则沟道变宽，漏极电流增大。

电流传输路径

- 由于过渡层（耗尽层）无自由载流子，实际电流由漂移电子穿过过渡层形成；

- 漂移电子在恒定强度的电场下运动，形成与VGS相关的电流传输通道。

三、关键特性

电压控制性

- 漏极电流与栅极电压呈指数关系，典型转移特性曲线呈“S形”；

- 当|VGS|超过阈值电压（VP）时，沟道完全夹断，漏极电流为零。

类型差异

- 结型场效应管（JFET）：

通过调整VGS控制沟道宽度，适用于低频信号放大；

- 绝缘栅场效应管（MOSFET）：栅极与沟道绝缘，通过栅极电压精确控制沟道电阻，适合高频应用。

四、应用场景

放大器：利用MOSFET的电压控制特性实现高效放大；

开关电路：通过栅极信号快速导通或截止，控制高功率电路；

模拟电路：JFET因输入阻抗高，常用于信号源电路。

总结

场效应管通过栅极电压调节半导体沟道宽度，实现高效电流控制。其核心在于利用电场对载流子迁移的调控，兼具电压控制与高输入阻抗特点，是现代电子电路中不可或缺的元件。