MOSFET的“输出特性”和“线性区、饱和区、截止区”

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金属氧化物半导体场效晶体管（简称：金氧半场效应管；英语：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，缩写：MOSFET），是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效应管。

MOSFET的“输出特性(ID-VDS特性)”是什么？

MOSFET的输出特性(ID-VDS特性)是MOSFET静态特性的一种，指的是当栅源电压VGS一定时，漏源电压VDS和漏电流ID之间的关系。

在漏极-源极电压VDS超过特定值之前，漏极电流ID随着漏极-源极电压VDS增大而增大。但是当漏极-源极电压VDS超过特定值时，漏极电流ID的增大不取决于漏极-源极电压VDS，而是取决于栅极-源极电压VGS的值。

MOSFET的线性区、饱和区和截止区

MOSFET的“输出特性(ID-VDS特性)”具有三个区域，分别是线性区、饱和区、截止区。其中，线性区和饱和区之间的边界处的电压称为夹断电压VP 。

线性区

漏极电流ID随着漏极-源极电压VDS增大而增大的区域。

饱和区

当栅极-源极电压VGS变化时漏极电流ID变化的区域，与漏极-源极电压VDS无关。

截止区

栅极-源极电压VGS低于栅极阈值电压VTH的区域。

当使用MOSFET作为开关时，使用线性区（开关导通状态）和截止区（开关截止状态) ；当使用MOSFET作为放大器时，使用饱和区。

接下来，我们将依次讨论三个区域（线性区、饱和区和截止区）和夹断电压VP 。

线性区

线性区是漏极电流ID随着漏源电压VDS增大而增大的区域，是“输出特性（ID-VDS特性）”中的蓝色部分。

在线性区，即使漏极电流ID大，漏极-源极电压VDS也很小，因此当使用MOSFET作为开关时使用该区域。

另外，栅极-源极间电压VGS越大，“输出特性(ID-VDS特性)”的斜率越陡。

“输出特性(ID-VDS特性)”的斜率是导通电阻RON的倒数，并由下式表示。

因此，随着栅源电压VGS增大，“输出特性(ID-VDS特性)”的斜率变得更陡(导通电阻RON变得更小)。

当对MOSFET施加栅源电压VGS时，P衬底中的电子被直接吸引到栅极（G）绝缘膜下方，形成基于电子的N沟道区（反型层：上图中的红色部分）。

当漏极-源极电压VDS充分小于栅极-源极电压VGS时， N沟道区均匀地形成在栅极下方。

该 N 沟道区域充当漏极和源极之间的通道。因此，当施加漏源电压VDS时（漏极为正，源极为负），由于具有负电，电子被吸引到漏极。换句话说，电子从源极流向漏极（漏极电流ID以与电子流相反的方向从漏极流向源极）。

此时，随着栅源电压VGS增大，聚集在N沟道区的电子密度增大，并且沟道的电阻减小。因此，在线性区域中，导通电阻RON根据栅源电压VGS的大小而变化。

而且，对于一定的栅源电压VGS ，随着漏源电压VDS增加，漏极电流ID成比例地增加。换句话说，在线性区中，漏极电流ID与漏源极电压VDS之间的关系是类似欧姆定律的线性关系。

*补充

线性区也称为电阻区或非饱和区。
线性区和饱和区也称为强反型区。
当在开关导通状态下使用MOSFET时，应提高栅极-源极电压VGS并在漏极-源极电压VDS尽可能小的位置使用。然而，相反如果栅源电压VGS大，则MOSFET的驱动损耗将增加。
温度越高，导通电阻RON越高。

夹断电压

夹断电压VP是线性区和饱和区之间的边界的漏源电压VDS ，在“输出特性（ID -VDS特性）”图中用橙色表示。

当对MOSFET施加栅源电压VGS时，P层衬底中的电子被直接吸引到栅极（G）绝缘膜下方，形成基于电子的N沟道区（反型层：上图中的红色）。

如果漏源电压VDS增加，则N沟道区将不再均匀地形成在栅电极下方。

MOSFET的源极和漏极下方有N+层，其与P层之间形成PN结。

因此，当施加漏源电压VDS时（漏极为正，源极为负），就如同向漏极下方的N+层和P层之间的PN结施加了相反方向的电压，在漏电极下方的N+层和P层之间的边界处形成没有电子或空穴的耗尽层。该耗尽层随着漏极-源极电压VDS的增加而扩展，并且N沟道区域中的电子也被耗尽。

结果，在一定的漏源电压VDS下，N沟道区在漏极附近被切断，如上图所示。当栅极-漏极电压VGD(＝VGS-VDS )变成栅极阈值电压VTH时发生这种情况。

另外，N沟道区的阻断称为夹断，此时的漏源电压VDS称为夹断电压VP 。换句话说，夹断电压VP为

将VDS替换为VP ，就变为：

饱和区

饱和区是指，如果栅极-源极间电压VGS一定，则无论漏极-源极间电压VDS大小如何，漏极电流ID也一定的区域，在“输出特性（ID-VDS）”中用红色来表示。

换句话说，在饱和区中，漏极电流ID由栅极-源极电压VGS决定，而不是由漏极-源极电压VDS决定。

当对MOSFET施加栅源电压VGS时，P层中的电子被直接吸引到栅极（G）绝缘膜下方，形成基于电子的N沟道区（反型层：上图中的红色）。

在饱和区中，漏极-源极电压VDS超过夹断电压VP的N沟道区被截止。

当发生夹断时，增加漏源电压VDS只会移动夹断点，而不会增加漏极电流ID 。

需要注意的是，当N沟道区域被夹断时，看起来可能没有电流流动，但事实并非如此。

漏极上施加很大的正电压，具有吸引电子的能力。因此，当电子从源极侧的N沟道区进入耗尽区时，它们被漏极的强电场吸引并流入漏极。

在线性区中，沟道连接在漏极和源极之间，因此增加漏源电压VDS会增加从源极提供的电子数量，这些电子直接流入漏极。然而，当N沟道区被夹断时，即使漏极-源极电压VDS增加，从保留在源极侧的N沟道区进入耗尽层的电子量也不会发生太大变化。因此，在饱和区中，即使漏极-源极电压VDS增加，夹断点也仅移动而漏极电流ID不会增加。