MOSFET 的工作特性：从电阻到饱和#

下图展示了 MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）中，漏极-源极电流 (IDS) 与漏极-源极电压 (VDS) 之间的关系。

MOSFET VDS-IDS 关系曲线 图1：在固定的栅极电压 (VGS) 下，IDS 随 VDS 的变化曲线。

VDS 指的是漏极 (Drain) 和源极 (Source) 之间的电压。从图中可以看出，器件的工作状态主要分为两个区域：

电阻区 (线性区): 在 VDS 较低时，电流 IDS 会随着 VDS 的升高而近似线性地升高。在这个区域，MOSFET 的行为类似于一个由栅极电压 VGS 控制的可变电阻。
饱和区 (恒流区): 当 VDS 升高到一定程度后，电流 IDS 不再显著增加，最终会趋于一个平稳的饱和值。此时，器件的行为更像一个由 VGS 控制的恒流源。

饱和区现象解析#

那么，为什么会出现电流饱和的现象呢？这与栅极电压 (VGS)、漏极电压 (VDS) 和器件本身的物理结构有关。

饱和条件：当 VDS ≥ VGS - VT 时，MOSFET 进入饱和区。

其中，VT 是晶体管的开启阈值电压。

举例说明： 假设栅极-源极电压 VGS = 3V，阈值电压 VT = 1V。根据公式，当漏极-源极电压 VDS ≥ (3V - 1V) = 2V 时，器件就会进入饱和状态。

这意味着，即使我们强行给漏极加上更高的电压（例如 VDS 从 2V 增加到 5V），器件的导电能力也已达到上限，其良好的电阻特性会逐渐消失，转而变成一个电流源。

MOSFET 沟道夹断示意图 图2：当 VDS 过高时，导电沟道在靠近漏极的一端被“夹断” (Pinch-off)，导致电流饱和。

一个形象的理解#

我们可以用一个“水流”模型来直观地理解这个过程：

栅极电压 (VGS) 就像一个控制水管阀门的开关，它决定了漏极与源极之间“导电沟道”的疏通程度。VGS 越大，水管（沟道）就越通畅。

漏极电压 (VDS) 则像是水管两端的水压差。

当水压差 (VDS) 较小时，水流（电流 IDS）会随着水压差的增大而增大，这就像一个普通的电阻。

但是，如果水压差 (VDS) 过大，大到超出了当前阀门开度（VGS）所能承载的极限，水管在出水口附近就会形成一个瓶颈，水流速度达到了最大值。

此时，无论你再怎么增加上游的水压，单位时间里流出的水量（电流）都不会再增加了。这就达到了流量上限，也就是我们所说的电流饱和。