场效应管（Field Effect Transistor，FET）是一种利用电场效应控制电流的半导体器件，在现代电子电路中应用广泛。与双极性晶体管（BJT）不同，FET 主要依赖于电压控制，而非电流控制，因此具有高输入阻抗和低功耗等优点。FET 主要有三种电极，分别是 源极（Source, S）、漏极（Drain, D）和栅极（Gate, G）。本文将详细介绍场效应管的这三个电极的功能、作用，以及它们在不同类型 FET（JFET 和 MOSFET）中的工作原理。

一、场效应管的基本结构与分类

场效应管主要分为两大类：

1. 结型场效应管（JFET，Junction Field Effect Transistor）

2. 金属氧化物半导体场效应管（MOSFET，Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）

1.1 JFET（结型场效应管）

JFET 由一个掺杂形成的通道和两个 PN 结构成，通道类型分为 N 型 JFET 和 P 型 JFET。其三个电极的功能如下：

• 源极（S）：电子或空穴的主要进入端口

• 漏极（D）：电子或空穴的主要流出端口

• 栅极（G）：用于控制通道电流的 PN 结端口

1.2 MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）

MOSFET 是目前最广泛使用的 FET，主要用于数字电路和功率电子设备。根据导电通道的类型不同，MOSFET 分为 增强型（Enhancement Mode） 和 耗尽型（Depletion Mode），同时又可分为 N 沟道（N-Channel）MOSFET 和 P 沟道（P-Channel）MOSFET。MOSFET 的三个电极功能与 JFET 类似，但具有不同的结构和工作原理。

二、场效应管的三个电极及其作用

2.1 源极（Source, S）

源极是载流子进入通道的端口，其特点如下：

• 在 N 沟道 FET 中，源极主要提供电子；在 P 沟道 FET 中，源极提供空穴。

• 源极与漏极之间的电流由栅极控制。

• 在 MOSFET 结构中，源极与衬底一般连接在一起，以提高器件的稳定性。

源极的作用

• 提供电流载流子，形成漏极电流。

• 影响器件的工作点，决定 FET 的工作状态。

2.2 漏极（Drain, D）

漏极是载流子离开通道的端口，其特点如下：

• 在 N 沟道 FET 中，漏极是电子的出口；在 P 沟道 FET 中，漏极是空穴的出口。

• 漏极电流受栅极电压控制，形成源-漏电流（I_DS）。

• 在 MOSFET 中，漏极通常接高电位，源极接低电位。

漏极的作用

• 作为输出端，接收从源极流过通道的电流。

• 影响场效应管的功率耗散和导通特性。

2.3 栅极（Gate, G）

栅极是控制场效应管导通的端口，其特点如下：

• 在 JFET 中，栅极由一个 PN 结构成，反向偏置时可控制通道的导通。

• 在 MOSFET 中，栅极由金属氧化物层（MOS 层）与半导体通道隔离，实现高输入阻抗。

• 通过改变栅极-源极电压（V_GS），可以调节漏极电流（I_DS）。

栅极的作用

• 控制通道的导通与截止，实现开关和放大功能。

• 通过栅极电压调节场效应管的工作模式，如增强型 MOSFET 需要正 V_GS 使其导通。

三、JFET 和 MOSFET 的工作原理对比

3.1 JFET 工作原理

在 JFET 中，栅极与源极形成一个 PN 结，当栅极施加反向偏置电压时，耗尽区扩大，通道变窄，影响漏极电流的大小。当栅-源电压达到一定值（V_GS_off），通道完全关闭，漏极电流降至零。

3.2 MOSFET 工作原理

MOSFET 的栅极与通道之间由氧化层隔离，不形成 PN 结，因此具有高输入阻抗。MOSFET 的导通受栅极电压控制，例如在 N 沟道增强型 MOSFET 中，V_GS 必须高于阈值电压（V_TH）才能导通。

MOSFET 主要有两个工作模式：

• 增强型（Enhancement Mode）：默认状态为“关”，V_GS 施加适当电压后导通。

• 耗尽型（Depletion Mode）：默认状态为“开”，V_GS 施加合适的电压后可调节导通状态。

四、场效应管的应用领域

1. 功率放大器：MOSFET 广泛用于音频功放、射频放大器等。

2. 数字电路：MOSFET 主要用于逻辑门、处理器等数字电路。

3. 电源管理：MOSFET 在 DC-DC 转换器、开关电源等电路中应用广泛。

4. 模拟信号处理：JFET 主要用于高输入阻抗运算放大器、电流源等模拟电路。

5. 射频与微波电路：GaN 和 SiC 基 MOSFET 用于高频、高功率应用，如 5G 通讯基站。

五、结论

场效应管的三个电极——源极（S）、漏极（D）和栅极（G），分别承担着提供载流子、输出电流和控制通道导通的功能。在 JFET 和 MOSFET 中，这三个电极的作用类似，但控制方式有所不同。MOSFET 因其高输入阻抗、低功耗和高速特性，在现代电子技术中占据主导地位。了解 FET 的结构和工作原理，有助于工程师更好地进行电路设计，提升电子产品的性能和可靠性。