Note
场效应晶体管（Field-Effect Transistor, FET）是”用电压控制电流”的器件，输入电阻极高、功耗低、体积小，因此既是模拟放大器的好帮手，也是数字集成电路（包括几乎所有 CPU 和存储器）的基石。本章从整体行为出发，逐步深入 MOSFET 与 JFET 的结构、特性曲线、小信号模型和放大器设计，最后展示 FET 在恒流源、压控电阻和开关中的多种妙用。
17.1 概述：为什么先讲 FET
在原书的”自顶向下”学习路线中，我们先看 FET 的整体行为（它像一个什么器件），再深入物理结构。FET 分两大类：
- 绝缘栅 FET（insulated-gate FET）：又称金属氧化物半导体场效应管（MOSFET），栅极与沟道之间隔着一层绝缘氧化物；
- 结栅 FET（junction-gate FET，JFET）：栅极是一个反偏的 pn 结。
两者控制机理不同，但外特性非常相似——掌握了其中一种，另一种只是”换个偏置”而已。
17.2 FET 总览与记号约定
17.2.1 FET 是一个”控制器件”
回忆第 13 章的放大思想：一个控制器件改变流过电阻 的电流，从而改变输出电压 。FET 就是这个控制器件：栅极（gate, g）上的电压控制从漏极（drain, d）流向源极（source, s）的电流。
17.2.2 记号约定
FET 电路有一套统一的记号，必须先弄清：
- 电压 ：X 端相对 Y 端的电压，如 是栅极相对源极的电压；
- 电流 ：流入漏极的电流；
- 大小写区分：大写表示直流量（如 、），小写表示交流小信号（如 、）；
- 电源：接漏极一方的电源记 ，接源极一方的记 （通常作为 0 V 参考/地）。与某端相连的电阻也用对应下标，如栅极电阻 。
17.3 MOSFET：结构与工作原理
17.3.1 结构
以 n 沟道（n-channel）MOSFET 为例：在一块 p 型衬底（substrate）上做出两个 n 型区域（漏和源），中间由一条细 n 型沟道（channel）相连。沟道上方覆盖绝缘氧化层，再压上金属栅极。衬底常在内部与源极相连，形成三端器件。
17.3.2 工作原理：沟道的”增强”与”耗尽”
金属栅、绝缘层与半导体沟道构成了一个电容器。在 n 沟道器件上：
- 栅极加正电压 → 吸引电子到沟道区 → 载流子增多、沟道变厚，称为增强（enhancement）；
- 栅极加负电压 → 排斥电子 → 沟道变薄，称为耗尽（depletion）。
栅压直接控制沟道的有效厚度，也就是漏-源之间的电阻。
Warning
衬底与各 n 区之间是 pn 结，但正常工作时它始终反偏，没有电流流过，所以分析时可以忽略衬底。但这有个前提：别让衬底结被正偏！这是初学者设计电路时容易忽略的约束。
17.3.3 MOSFET 的种类
- 耗尽-增强 MOSFET（DE MOSFET）：制造时就有沟道，栅压可正可负，既能增强也能耗尽；
- 增强 MOSFET（enhancement MOSFET）：制造时没有沟道，必须加足够的栅压才能在 p 型材料中”感应”出一条 n 型反型层（inversion layer），只能增强工作。
电路符号上的区别：符号中间的竖线代表沟道——DE MOSFET 画实线（无栅压时沟道也存在），增强型画虚线（有栅压才形成）。衬底（符号中记作 b，即 bulk）上的箭头代表衬底-沟道 pn 结的方向：指向 n 沟道、背离 p 沟道。
17.4 JFET：结栅场效应晶体管
JFET 的沟道同样导电，但控制方式不同：栅极是一个 p 型区域，与 n 沟道形成 pn 结。正常工作时结必须反偏（n 沟道器件栅极加负压），而反偏结周围会形成耗尽层（depletion layer）——一个几乎没有载流子的”绝缘区”。反偏越深，耗尽层越厚，沟道被”挤”得越窄，电阻越大。这就是 JFET 的控制原理。
Warning
JFET 的栅结绝不允许正偏（否则结上会有电流流过，破坏”栅极不取电流”的特性）。这一点与 MOSFET 不同：MOSFET 的栅压可正可负都没有栅流，JFET 只能用一种极性。这是选器件时最容易踩的坑。
17.5 FET 的特性
17.5.1 输入特性
无论 MOSFET 还是 JFET，输入（栅极）电阻都极高：前者有氧化物绝缘层，后者的栅结反偏，栅极电流几乎为零。这是 FET 最讨人喜欢的特性之一。
17.5.2 输出特性：欧姆区与饱和区
考察 n 沟道 FET， 时有漏极电流 流过沟道。注意一个细节：电流沿沟道流动会产生压降，所以沟道各点相对栅极的电压不同——靠近漏端压差大，靠近源端压差小。于是沟道呈”楔形”：漏端窄、源端宽。
输出特性（也叫漏极特性）分为两个区域：
- 欧姆区（ohmic region）： 很小时，沟道像一只电阻， 与 近似成正比，等效电阻由 控制——这就是 FET 可当压控电阻用的原因；
- 饱和区（saturation region）：当 增大到漏端沟道几乎被夹断（pinched off，对应的电压叫夹断电压 pinch-off voltage）后，电流不再随 增加而明显增大，基本恒定，由 决定。放大器就用这个区。
不同器件的电压范围不同：
- DE MOSFET：栅压可为正、零、负。 时的漏极电流记 （漏-源饱和电流）；沟道截止时的栅压叫阈值电压 （或栅截止电压 ），为负值（图中器件为 −5 V）；
- 增强 MOSFET：栅压必须为正才能导通， 为正（图中器件为 +2 V）。因为它在 时截止，所以 对它没有定义；
- JFET：栅压为负， 时的电流为 ，截止电压叫夹断电压 （图中器件为 −7 V）。
欧姆区与饱和区的分界线由夹断轨迹给出：
白话：当漏源电压恰好比”有效栅压”（）大时，器件进入饱和区。
17.5.3 转移特性与平方律公式
转移特性（transfer characteristic）描述输入（栅压 ）与输出（漏流 ）的关系。在饱和区内，各种 FET 的转移特性都近似抛物线（平方律，square law）。
JFET 与 DE MOSFET 用 （或 ）和 描述：
白话：栅压每向截止方向推进一点，电流按”剩余比例的平方”缩小； 时正好是 ， 时电流为零。
MOSFET（含增强型）的通用形式为：
其中 是由器件物理参数决定的常数。增强型 MOSFET 常用 和某指定栅压下的电流 来标定。
17.5.4 跨导
转移特性是弯曲的，但如果只在工作点（operating point）附近做小幅变化，可以近似线性。描述这种小信号关系的量是跨导（transconductance，符号 ，单位西门子 siemens）——它等于转移特性曲线在工作点处的斜率：
Warning
最经典的错误：把跨导当成 ！ 是曲线的斜率（微分），不是两个总量的比值（除法）。曲线各处斜率不同，所以 随工作点变化。
对 JFET，把平方律公式求导可得：
结论： 与漏极电流的平方根成正比。想让放大器增益大一点，就把静态电流设大一点。MOSFET 也有类似结论。
17.5.5 小信号等效电路
FET 的小信号等效电路非常简洁：
- 输入端：电阻近似无穷大，不画输入电阻；
- 输出端：一个受控电流源 （电流向下流入），并联一个小信号漏极电阻 （也叫输出斜率电阻，output slope resistance），它由输出特性曲线在饱和区的斜率决定。
Success
记住模型三要素：输入开路、 电流源、 并联。这个模型对所有类型 FET 通用——器件种类的差别只体现在偏置上，不体现在小信号行为上。这是本章最重要的”一通百通”。
17.5.6 高频下的 FET：米勒效应
栅极与沟道之间是电容器结构，栅-漏之间存在电容 ，栅-源之间有 ，漏-衬底之间还有结电容。低频时都可忽略；高频时必须考虑。
麻烦在 ：放大器把漏极电压反相放大后”回馈”到栅-漏电容两端，等效到输入端的电容被放大为 （ 为漏-栅间电压增益）。这就是米勒效应（Miller effect）。虽然 与 量级相同（各约 1 pF），但高频性能主要被 拖累。
高频后果：输入阻抗从低频的数百兆欧降到 100 MHz 量级的几十千欧， 也下降。这与第 8 章低通 RC 网络的结论一致：总输入电容 与源电阻共同决定了高频截止频率。