MOS晶体管的三种工作状态依据栅源电压Vgs与漏源电压Vds的相对关系划分，分别是截止区、线性区（欧姆区）和饱和区（恒流区）。这三种状态是MOS管实现开关、放大和恒流功能的物理基础，其边界条件与电流特性截然不同。

一、截止区（Cutoff Region）

判定条件：Vgs < Vth（N沟道）或 Vgs > Vth（P沟道），即栅极电压未达到阈值，沟道未形成。

物理机制：栅极电场不足以在衬底表面感应出反型层，源漏之间仅存在两个背靠背的PN结。漏极施加电压时，PN结处于反向偏置状态，耗尽层阻挡电流通过。此时沟道完全关闭，漏极电流Id仅由PN结反向漏电流构成，典型值为纳安至微安级。

电流特性：Id ≈ 0，器件等效为断开的开关，漏源电阻Rds可达10⁹Ω以上。在数字电路中，此状态对应逻辑"0"或"1"的关断态。

应用场景：电源管理中的待机模式、负载开关的关断态、数字逻辑门的低电平输出。

温度影响：温度升高时，本征载流子浓度增加，截止区漏电流呈指数增长，125°C时可能比25°C高1000倍，这是低功耗设备待机时间缩短的主因。

二、线性区（Linear Region）——又称欧姆区

判定条件：Vgs > Vth 且 Vds < (Vgs - Vth)（N沟道），或 Vgs < Vth 且 |Vds| < |Vgs - Vth|（P沟道）。此时沟道已形成，但漏极电压尚未大到使沟道在漏极端夹断。

物理机制：栅极电场在衬底表面感应出完整的导电沟道，漏源电压在沟道上形成电势梯度。由于Vds较小，整个沟道长度方向都有导电载流子，漏极电流Id同时受Vgs和Vds控制。

电流特性：Id与Vds呈线性关系，器件等效为压控电阻。电流表达式为：

Id = μn·Cox·(W/L)·[(Vgs-Vth)Vds - Vds²/2]

其中μn为电子迁移率，Cox为单位面积栅氧电容，W/L为沟道宽长比。

导通电阻：Rds(on) = 1/[μn·Cox·(W/L)·(Vgs-Vth)]，与(Vgs-Vth)成反比。驱动电压越高，导通电阻越小。

应用场景：模拟开关、可调衰减器、电子保险丝、有源负载、恒流源的初级设定。在电源管理中，同步整流管在导通瞬间和关断瞬间短暂工作于线性区。

设计要点：在线性区工作时，MOS管承受大电流和高电压，功耗P = Id×Vds极高，极易发热损毁。因此线性区仅允许瞬态通过，不允许稳态工作。

三、饱和区（Saturation Region）——又称恒流区

判定条件：Vgs > Vth 且 Vds ≥ (Vgs - Vth)（N沟道），或 Vgs < Vth 且 |Vds| ≥ |Vgs - Vth|（P沟道）。此时沟道在漏极端发生夹断。

物理机制：随着Vds增大，漏极端的沟道电压差减小，当Vds = Vgs - Vth时，漏极端沟道厚度减薄至零，出现预夹断。此后Vds继续增加，夹断区向左延伸，但沟道有效长度基本不变，漏极电流Id不再随Vds增加，仅由Vgs控制。

电流特性：Id与Vds无关，呈现恒流特性。电流表达式简化为：

Id = (1/2)·μn·Cox·(W/L)·(Vgs-Vth)²

这是平方律关系，说明Id由(Vgs-Vth)的平方决定。跨导gm = ∂Id/∂Vgs = μn·Cox·(W/L)·(Vgs-Vth)，表征电压控制电流的能力。

沟道长度调制效应：实际器件中，夹断区长度会随Vds轻微变化，导致Id有微弱增加，输出电阻并非无穷大，但通常>10kΩ。

应用场景：模拟放大器、恒流源、电流镜、有源负载。在开关电源中，MOS管在导通期间（Vds≈0）和关断期间（Id≈0）快速切换，仅在开关瞬态经过饱和区。

设计要点：饱和区是放大器的理想工作区，Vgs小幅变化即可控制Id大幅变化，实现电压增益。但必须确保Vds足够大，使器件始终处于沟道夹断状态。

四、三种状态的动态转换

MOS管在实际工作中（如开关电源）会快速穿越三种状态：

1. 关断→开通：截止区 → 线性区 → 饱和区（米勒平台）
2. 开通→关断：饱和区 → 线性区 → 截止区

米勒平台：在饱和区，Vgs保持恒定，驱动电流主要为Cgd充电，Vds快速下降。这是开关损耗最集中的阶段。

五、N沟道与P沟道的对比

状态条件镜像对称：

• N沟道：Vgs>0开启，Vds>0为正向
• P沟道：Vgs<0开启，Vds<0为正向

电流方向相反：

• N沟道：电子从源极→漏极，Id从漏极流向源极
• P沟道：空穴从源极→漏极，Id从源极流向漏极

阈值电压极性相反：

• N沟道：Vth为正值（1-3V）
• P沟道：Vth为负值（-1V至-3V）

六、工程应用要点

1. 开关电源设计：MOS管在截止区和饱和区快速切换，线性区仅瞬态经过。设计目标是最小化线性区停留时间，降低开关损耗。

2. 模拟放大器设计：MOS管稳态工作在饱和区，需设置合适的静态工作点（Vgs > Vth + 2V），确保动态信号不进入线性区或截止区。

3. 恒流源设计：利用饱和区电流恒定的特性，将Vgs固定，Id即稳定，用于LED驱动、电池充电。

4. 温度补偿：Vth负温度系数导致饱和区电流随温度升高而增大，需在偏置电路中引入温度补偿，维持工作点稳定。

5. 击穿防范：线性区是功耗最大的危险区，必须避免MOS在Vds高、Id大的条件下长时间停留，否则会因二次击穿而损毁。

核心总结：MOS晶体管的三种工作状态对应三种核心功能——截止区是"关"，实现电隔离；线性区是"变阻"，实现模拟调节；饱和区是"恒流"，实现放大与恒流。理解其物理机制与转换条件，是设计开关电源、模拟放大器和保护电路的基石。