第 3 章 场效应管概 述
3.1 MOS 场效应管
3.2 结型场效应管
3.3 场效管应用原理概 述场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件 。
它体积小,工艺简单,器件特性便于控制,是目前制造大规模集成电路的主要有源器件 。
场效应管与三极管主要区别：
场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻 。
场效应管是单极型器件 (三极管是双极型器件 )。
场效应管分类,MOS 场效应 管结型场效应管第 3 章 场效应管
3.1 MOS 场效应管
P沟道 (PMOS)
N 沟道 (NMOS)
P沟道 (PMOS)
N 沟道 (NMOS)
MOSFET
增强型 (EMOS)
耗尽型 (DMOS)
N 沟道 MOS 管与 P 沟道 MOS 管工作原理相似,
不同之处仅在于它们形成电流的载流子性质不同,因此导致加在各极上的电压极性相反 。
第 3 章 场效应管
N + N +P+ P+
P
U S G D
3.1.1 增强型 MOS 场效应管
N 沟道 EMOSFET 结构示意图源极漏极衬底极
SiO2
绝缘层金属栅极
P 型硅衬底S
G U
D
电路符号
l
沟道长度
W
沟道宽度第 3 章 场效应管
N 沟道 EMOS 管 外部工作条件
VDS > 0 (保证栅漏 PN 结反偏 )。
U 接电路最低电位或与 S 极相连 (保证源衬 PN 结反偏 )。
VGS > 0 (形成导电沟道 )
P
P+ N+ N+
S G DU
VDS
- +
- +
VGS
N沟道 EMOS 管 工作原理栅 -衬之间 相当于以 SiO2 为介质的平板电容器 。
第 3 章 场效应管
N 沟道 EMOSFET 沟道形成原理
假设 VDS = 0，讨论 VGS 作用
P
P+ N+ N+
S G DU
VDS = 0
- +
VGS
形成空间电荷区并与 PN 结相通
VGS?
衬底表面层中负离子?、电子?
VGS?开启电压 VGS(th) 形成 N 型导电沟道表面层 n>>p
VGS 越大，反型层中 n 越多，导电能力越强。
反型层第 3 章 场效应管
VDS 对沟道的控制 (假设 VGS > VGS(th) 且保持不变 )
VDS 很小时 → VGD? VGS 。此时 W 近似不变，即 Ron 不变。
由图 VGD = VGS - VDS
因此 VDS?→ ID 线性?。
若 VDS?→ 则 VGD?→ 近漏端沟道 W?→ Ron增大 。
此时 Ron?→ ID?变慢。
P
P+ N+ N+
S G DU
VDS
- + VGS
- +
P
P+ N+ N+
S G DU
VDS
- + VGS
- +
第 3 章 场效应管
当 VDS 增加到 使 VGD? = VGS(th) 时 → A 点出现预夹断
若 VDS 继续?→ A 点左移 → 出现夹断区此时 VAS = VAG + VGS = -VGS(th) + VGS (恒定 )
若忽略沟道长度调制效应，则近似认为 l 不变 (即 Ron不变 )。
因此预夹断后：
P
P+ N+ N+
S G DU
VDS
- + VGS
- +
A
P
P+ N+ N+
S G DU
VDS
- + VGS
- +
A
VDS? → ID 基本维持不变。
第 3 章 场效应管
若考虑沟道长度调制效应则 VDS? → 沟道长度 l?→ 沟道电阻 Ron略?。
因此 VDS?→ ID 略?。
由上述分析可描绘出 ID 随 VDS 变化的关系曲线：
ID
VDSO V
GS –VGS(th)
VGS一定曲线形状类似三极管输出特性。
第 3 章 场效应管
MOS 管仅依靠一种载流子 (多子 )导电,故称 单极型器件 。
三极管中多子、少子同时参与导电，故称 双极型器件。
利用半导体表面的电场效应,通过栅源电压 VGS
的变化,改变感生电荷的多少,从而改变感生沟道的宽窄,控制漏极电流 ID 。
MOSFET 工作原理：
第 3 章 场效应管由于 MOS 管栅极电流为零,故不讨论输入特性曲线 。
共源组态特性曲线：
ID = f ( VGS ) V
DS = 常数转移特性：
ID = f ( VDS )
VGS = 常数输出特性：
伏安特性
+
T
VDS
IG? 0
VGS
ID
+
--
转移特性与输出特性反映场效应管同一物理过程,
它们之间可以相互转换 。
第 3 章 场效应管
NEMOS 管输出特性曲线
非饱和区特点：
ID 同时受 VGS 与 VDS 的控制。
当 VGS为常数时,VDSID 近似线性?，表现为一种电阻特性；
当 VDS为常数时,VGSID?，表现出一种压控电阻的特性。
沟道预夹断前对应的工作区。
条件,VGS > VGS(th) V
DS < VGS – VGS(th)
因此，非饱和区又称为 可变电阻区。
第 3 章 场效应管
ID/mA
VDS /VO
VDS = VGS – VGS(th)
VGS = 5 V
3.5 V
4 V
4.5 V
数学模型：
此时 MOS 管可看成阻值受 VGS 控制的线性电阻器：
VDS 很小 MOS 管工作在非饱和区时,ID 与 VDS 之间呈线性关系：
])(2[2 2DSDSG S ( t h )GSOXnD VVVVl WCI
G S ( t h )GSOXnon
1
VVWC
lR
其中,W,l 为沟道的宽度和长度。
COX (=? /?OX,SiO2 层介电常数与厚度有关 )为单位面积的栅极电容量 。
注意：非饱和区相当于三极管的饱和区。
DSG S ( t h )GSOXn )( VVVl
WC
第 3 章 场效应管
饱和区特点：
ID 只受 VGS 控制，而与 VDS 近似无关，表现出类似三极管的正向受控作用。
ID/mA
VDS /VO
VDS = VGS – VGS(th)
VGS = 5 V
3.5 V
4 V
4.5 V
沟道预夹断后对应的工作区。
条件,VGS > VGS(th) V
DS > VGS – VGS(th)
考虑到沟道长度调制效应,输出特性曲线随 VDS
的增加略有上翘 。
注意：饱和区 (又称有源区 )对应 三极管的放大区 。
第 3 章 场效应管数学模型：
若考虑沟道长度调制效应，则 ID 的修正方程：
工作在饱和区时,MOS 管的正向受控作用,服从平方律关系式：
2
G S ( t h )GS
OXn
D )(2 VVl
WCI
A
DS2
G S ( t h )GS
OXn
D 1)(2 V
VVV
l
WCI?
DS2G S ( t h )GSOXn 1)(2 VVVl WC
其中,? 称 沟道长度调制系数，其值与 l 有关。
通常? = (0.005 ~ 0.03 )V-1
第 3 章 场效应管
截止区特点：
相当于 MOS 管三个电极断开。
ID/mA
VDS /VO
VDS = VGS – VGS(th)
VGS = 5 V
3.5 V
4 V
4.5 V沟道未形成时的工作区条件,VGS < VGS(th)
ID = 0 以下的工作区域。
IG? 0,ID? 0
击穿区
VDS 增大 到一定值时?漏衬 PN 结雪崩击穿? ID 剧增。
VDS沟道 l 对于 l 较小的 MOS 管? 穿通击穿。
第 3 章 场效应管由于 MOS 管 COX 很小,因此当带电物体 (或人 )靠近金属栅极时,感生电荷在 SiO2 绝缘层中将产生很大的电压 VGS(= Q /COX),使 绝缘层 击穿,造成 MOS 管永久性损坏 。
MOS 管保护措施：
分立的 MOS 管,各极引线短接、烙铁外壳接地。
MOS 集成电路：
T
D2
D1
D1,D2 一方面限制 VGS 间最大电压,同时对感 生电荷起旁路作用 。
第 3 章 场效应管
NEMOS 管转移特性曲线
VGS(th) = 3V VDS = 5 V
转移特性曲线反映 VDS 为常数时,VGS 对 ID 的控制作用，可由输出特性转换得到。
ID/mA
VDS /VO
VDS = VGS – VGS(th)
VGS = 5 V
3.5 V
4 V
4.5 V
VDS = 5 V
ID/mA
VGS /VO 1 2 3 4 5
转移特性曲线中,ID = 0 时对应的 VGS 值,即开启电压 VGS(th) 。
第 3 章 场效应管
衬底效应集成电路中,许多 MOS 管做在同一衬底上,为保证 U 与
S,D 之间 PN 结反偏,衬底应接电路最低电位 (N 沟道 )或最高电位 (P沟道 )。
若 | VUS |
- +VUS
耗尽层中负离子数?
因 VGS 不变 (G 极正电荷量不变 )? ID?
VUS = 0ID/mA
VGS /VO
-2V
-4V
根据衬底电压对 ID 的控制作用，又称 U 极为 背栅极。
P
P+ N+ N+
S G DU
VDS
VGS- +
- +
阻挡层宽度
表面层中 电子 数
第 3 章 场效应管
P 沟道 EMOS 管
+ -VGS
VDS+ -
N
N+ P+
S G D
U
P+
N 沟道 EMOS 管与 P 沟道 EMOS 管工作原理相似 。
即 VDS < 0,VGS < 0
外加电压极性相反、电流 ID 流向相反。
不同之处,电路符号中的箭头方向相反。
S
G U
D I
D
第 3 章 场效应管
3.1.2 耗尽型 MOS 场效应管
S
G U
D I
D
S
G U
D I
D
P
P+ N+
S G D
U
N+N 沟道
DMOS
N
N+ P+
S G D
U
P+P 沟道
DMOS
DMOS 管结构
VGS = 0 时，导电沟道已存在对比增强型？
沟道线是实线第 3 章 场效应管
NDMOS 管 伏安特性
ID/mA
VDS /VO
VDS = VGS –VGS(th)
VGS = 1 V
1,5 V
1 V
0,5 V
0 V
0,5 V
1,8 V
ID/mA
VGS /VOVGS(th)
VDS > 0,VGS 正、负、零均可。外部工作条件：
DMOS 管在饱和区与非饱和区的 ID 表达式 与 EMOS管 相同 。
PDMOS 与 NDMOS 的差别仅在于电压极性与电流方向相反。
第 3 章 场效应管
3.1.3 四种 MOS 场效应管比较
电路符号及电流流向
S
G U
D I
D
S
G U
D
ID
U
S
G
D
ID
S
G U
D
ID
NEMOS NDMOS PDMOSPEMOS
转移特性
ID
VGSO VGS(th)
ID
VGSOVGS(th)
ID
VGSOVGS(th)
ID
VGSOVGS(th
)
第 3 章 场效应管
饱和区 (放大区 )外加电压极性及数学模型
VDS 极性取决于沟道类型
N 沟道,VDS > 0,P 沟道,VDS < 0
VGS 极性取决于工作方式及沟道类型增强型 MOS 管,VGS 与 VDS 极性相同。
耗尽型 MOS 管,VGS 取值任意。
饱和区数学模型与管子类型无关
2
G S ( t h )GS
OX
D )(2 VVl
WCI
第 3 章 场效应管
临界饱和工作条件
非饱和区 (可变电阻区 )工作条件
|VDS | = | VGS – VGS(th) ||VGS| > |VGS(th) |，
|VDS | > | VGS – VGS(th) |
|VGS| > |VGS(th) |,
饱和区 (放大区 )工作条件
|VDS | < | VGS – VGS(th) |
|VGS| > |VGS(th) |，
非饱和区 (可变电阻区 )数学模型
DSG S ( t h )GS
OXn
D )( VVVl
WCI
第 3 章 场效应管
FET 直流简化电路模型 (与三极管相对照 )
场效应管 G,S 之间开路,IG? 0。
三极管发射结由于正偏而导通，等效为 VBE(on) 。
FET 输出端等效为 压控 电流源，满足平方律方程：
三极管输出端等效为 流控 电流源，满足 IC =? IB 。
2
G S ( t h )GS
OX
D )(2 VVl
WCI
S
G
D
ID
VGS
S
DG
IDIG?0
ID(VGS )
+
-
VBE(on)
E
CB
ICIB
IB?
+
-
第 3 章 场效应管
3.1.4 小信号电路模型
MOS 管简化小信号电路模型 (与三极管对照 )
gmvgs rds
g d
s
id
vgs
-
vds
++
-
rds 为 场效应管 输出电阻：
由于场效应管 IG? 0，所以输入电阻 rgs。
而三极管发射结正偏,故输入电阻 rb?e 较小。
与三极管 输出电阻表达式 rce? 1/(?ICQ) 相似。
)/(1 DQds Ir
rb?e rce
b c
e
ib ic
+
- -
+v
be vce
gmvb?e
第 3 章 场效应管
（?——沟道长度调制系数,? =－ 1/|VA|）
MOS 管跨导
QGS
D
m v
ig
2
G S ( t h )GS
OX
D )(2 VVl
WCI利用
DQ
OX
Q
GS
D
m 22 Il
WC
v
ig
得
CQ
eQEB
C
m 5.38 Irv
ig
三极管跨导通常 MOS 管的跨导比三极管的跨导要小一个数量级以上，即 MOS 管放大能力比三极管弱。
第 3 章 场效应管
计及衬底效应的 MOS 管简化电路模型 （衬底与源极不相连）
考虑到衬底电压 vus 对漏极电流 id 的控制作用，小信号等效电路中需增加一个压控电流源 gmuvus。
gmvgs rds
g d
s
id
vgs
-
vds
++
- gmuvus
gmu 称背栅跨导,工程上 m
Qus
D
mu gv
ig
为常数,一般? = 0.1 ~ 0.2。
第 3 章 场效应管
MOS 管高频小信号电路模型当高频应用,需考虑管子极间电容影响时,应采用如下高频等效电路模型 。
gmvgs rds
g d
s
id
vgs
-
vds
++
-
Cds
Cgd
Cgs
栅源极间平板电容漏源极间电容 (漏衬与源衬之间的势垒电容 )
栅漏极间平板电容第 3 章 场效应管场效应管电路分析方法与三极管电路分析方法相似,可以采用 估算法 分析电路直流工作点；采用 小信号等效电路法 分析电路动态指标 。
3.1.5 MOS 管电路分析方法场效应管估算法分析思路与三极管相同,只是由于两种管子工作原理不同,从而使外部工作条件有明显差异 。 因此用估算法分析场效应管电路时,一定要注意自身特点 。
估算法第 3 章 场效应管
MOS 管 截止模式判断方法假定 MOS 管工作在放大模式：
放大模式非饱和模式 (需重新 计算 Q 点 )
N 沟道管,VGS < VGS(th)
P沟道管,VGS > VGS(th)截止条件
非饱和与饱和 (放大 )模式判断方法
a)由直流通路写出管外电路 VGS与 ID 之间关系式 。
c)联立解上述方程,选出合理的一组解 。
d)判断电路工作模式：
若 |VDS| > |VGS–VGS(th)|
若 |VDS| < |VGS–VGS(th)|
b)利用饱和区数学模型,2G S ( t h )GSOXD )(2 VVl WCI
第 3 章 场效应管例 1 已知?nCOXW/(2l) = 0.25 mA/V2,VGS(th)= 2 V,求 ID
。解,假设 T 工作在放大模式
VDD (+20 V)
1.2 M?
4 k?
T
S
RG1
RG2
RD
RS0.8 M?
10 k?
G
ID SD
G2G1
DDG2
SGGS RIRR
VRVVV?
2
G S ( t h )GS
OX
D )(2 VVl
WCI
代入已知条件解上述方程组得：
ID = 1 mA
VGS = 4 V 及
ID = 2.25 mA
VGS =?1 V (舍去 )
VDS = VDD? ID (RD + RS) = 6 V因此验证得知,VDS > VGS–VGS(th),VGS > VGS(th),假设成立。
第 3 章 场效应管
小信号等效电路法场效应管小信号等效电路分析法与三极管相似。
利用微变等效电路分析交流指标 。
画交流通路；
将 FET 用小信号电路模型代替；
计算微变参数 gm,rds；
注：具体分析将在第 4 章中详细介绍。
第 3 章 场效应管
3.2 结型场效应管
JFET 结构示意图及电路符号
S
G
D
S
G
D
P+ P+N
G
S
D
N 沟道 JFET P 沟道 JFET
N+ N+P
G
S
D
第 3 章 场效应管
N沟道 JFET 管 外部工作条件
VDS > 0 (保证栅漏 PN 结反偏 )
VGS < 0 (保证栅源 PN 结反偏 )
3.2.1 JFET 管工作原理
P+ P+NG
S
D
-
+VGS
VDS
+
-
第 3 章 场效应管
VGS 对沟道宽度的影响
|VGS |?
阻挡层宽度?
若 |VGS | 继续? 沟道全夹断使 VGS = VGS (off) 夹断电压若 VDS = 0
NG
S
D
-
+VGS
P+ P+
N 型沟道宽度?
沟道电阻 Ron?
第 3 章 场效应管
VDS 很小时 → VGD? VGS
由图 VGD = VGS? VDS
因此 VDS?→ ID 线性?
若 VDS?→ 则 VGD?→ 近漏端沟道?→ Ron 增大。
此时 Ron?→ ID?变慢
VDS 对沟道的控制 (假设 VGS 一定 )
NG
S
D
-
+ VGS
P+ P+ V
DS
+
-此时 W 近似不变即 Ron 不变第 3 章 场效应管
当 VDS 增加到 使 VGD? = VGS(off) 时 → A 点出现预夹断
若 VDS 继续?→ A 点下移 → 出现夹断区此时 VAS = VAG + VGS =?VGS(off) + VGS (恒定 )
若忽略沟道长度调制效应，则近似认为 l 不变 (即 Ron不变 )。
因此预夹断后,VDS?→ ID 基本维持不变。
NG
S
D
-
+ VGS
P+ P+ V
DS
+
-
A
NG
S
D
-
+ VGS
P+ P+ V
DS
+
-
A
第 3 章 场效应管利用半导体内的电场效应,通过栅源电压 VGS
的变化,改变阻挡层的宽窄,从而改变导电沟道的宽窄,控制漏极电流 ID。
JFET 工作原理：
综上所述,JFET 与 MOSFET 工作原理相似,
它们都是利用电场效应控制电流,不同之处仅在于导电沟道形成的原理不同 。
第 3 章 场效应管
NJFET 输出特性
非饱和区 (可变电阻区 )
特点,ID 同时受 VGS 与 VDS 的控制。
条件,VGS > VGS(off)
V DS < VGS – VGS(off)
3.2.2 伏安特性曲线
G S ( o f f )GSD S S
2
G S ( o f f )
on
1
2 VVI
V
R线性电阻：
ID/mA
VDS /VO
VDS = VGS – VGS(off)
VGS = 0 V
2 V
1,5 V
1 V
0,5 V
第 3 章 场效应管
饱和区 (放大区 )
特点：
ID 只受 VGS 控制，而与 VDS 近似无关。
ID/mA
VDS /VO
VDS = VGS – VGS(off)
VGS = 0 V
2 V
1,5 V
1 V
-0,5 V
数学模型：
2
G S ( o f f )
GS
D S SD 1?
V
VII
条件：
VGS > VGS(off)
V DS > VGS–VGS(off)
在饱和区,JFET 的 ID 与 VGS 之间也满足平方律关系，但由于 JFET 与 MOS 管结构不同，故方程不同。
第 3 章 场效应管
截止区特点：
沟道全夹断的工作区条件,VGS < VGS(off)
IG? 0,ID = 0
击穿区
VDS 增大 到一定值时? 近 漏极 PN 结雪崩击穿
ID/mA
VDS /VO
VDS = VGS – VGS(off)
VGS = 0 V
2 V
1,5 V
1 V
0,5 V
造成 ID 剧增。
VGS 越负?则 VGD 越负? 相应 击穿电压 V(BR)DS 越小第 3 章 场效应管
JFET 转移特性曲线同 MOS 管一样,JFET 的转移特性也可由输出特性转换得到 (略 )。
ID = 0 时对应的 VGS 值?夹断电压 VGS(off) 。
VGS(off)
ID/mA
VGS /VO
IDSS
(N 沟道 JFET)
ID/mA
VGS /VO
IDSS
VGS(off)
(P 沟道 JFET )
VGS = 0 时对应的 ID 值?饱和漏电流 IDSS。
第 3 章 场效应管
JFET 电路模型同 MOS 管相同 。 只是由于两种管子在饱和区数学模型不同,因此,跨导计算公式不同 。
JFET 电路模型
VGS
S
D
G
IDIG? 0
ID(VGS)
+
-
gmvgs rds
g d
s
id
vgs
-
vds
++
-
S
ID
G
D
(共源极 ) (直流电路模型 ) (小信号模型 )
利用 2
G S ( o f f )
GS
D S SD )1( V
VII
得
D S S
DQ
m0
D S S
DQ
G S ( o f f )
D S S
QGS
D
m
2
I
Ig
I
I
V
I
v
ig
第 3 章 场效应管
各类 FET 管 VDS,VGS 极性比较
VDS 极性与 ID 流向仅取决于沟道类型
VGS 极性取决于工作方式及沟道类型由于 FET 类型较多,单独记忆较困难,现将各类
FET 管 VDS,VGS 极性及 ID 流向归纳如下：
N 沟道 FET,VDS > 0,ID 流入管子漏极。
P 沟道 FET,VDS < 0,ID 自管子漏极流出。
JFET 管,VGS 与 VDS 极性相反。
增强型,VGS 与 VDS 极性相同。
耗尽型,VGS 取值任意。
MOSFET 管第 3 章 场效应管
场效应管与三极管性能比较项目器件电极名称 工作区导电类型输入电阻跨导三极管
e
极
b
极
c
极放大区饱和区双极型小 大场效应管
s
极
g
极
d
极饱和区非饱和区单极型大 小第 3 章 场效应管
N沟道 EMOS 管 GD 相连? 构成有源电阻
3.3.1 有源电阻
3.3 场效应管应用原理
v = vDS = vGS,i = iD由图知满足 vDS > vGS – vGS(th)
因此 当 vGS > vGS(th) 时
N 沟道 EMOS 管?工作在饱和区。
伏安特性,2
G S ( t h )
OXn )(
2 Vvl
WCi iD
vGSV
Q
IQ Q直流电阻：
QQ / IVR?
(小 )
交流电阻,ivr / (大 )
T
v
i
+
-
+
-
vR
i
第 3 章 场效应管
N 沟道 DMOS 管 GS 相连?构成有源电阻
v = vDS,vGS = 0,i = iD由图因此，当 vDS > 0 –vGS(th) 时，管子工作在饱和区。
伏安特性即 vGS = 0 时的输出特性。
由 2
G S ( t h )GS
OXn )(
2 Vvl
WCi 得知当 vGS = 0时，电路近似恒流输出。
iD
vDSV
Q
IQ Q
VGS(th)
vGS= 0T
v
i
+
-
+
-
vR
i
第 3 章 场效应管
有源电阻? 构成分压器若两管?n,COX,VGS(th)相同，则联立求解得：
T1
V1I1 +
-
I2 V2+
-
VDD
T2
由图 I1 = I2
V1 + V2 = VDD
2
G S ( t h )22
OXn2
G S ( t h )11
OXn )()(
2)()(2 VVl
WCVV
l
WC
V1 + V2 = VDD
1
)/(
)/(
1
)/(
)/(
1
2
G S ( t h )
1
2
DD
2
lW
lW
V
lW
lW
V
V
调整沟道宽长比 (W/l),可得所需的分压值。
第 3 章 场效应管
3.1 MOS 场效应管
3.2 结型场效应管
3.3 场效管应用原理概 述场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件 。
它体积小,工艺简单,器件特性便于控制,是目前制造大规模集成电路的主要有源器件 。
场效应管与三极管主要区别：
场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻 。
场效应管是单极型器件 (三极管是双极型器件 )。
场效应管分类,MOS 场效应 管结型场效应管第 3 章 场效应管
3.1 MOS 场效应管
P沟道 (PMOS)
N 沟道 (NMOS)
P沟道 (PMOS)
N 沟道 (NMOS)
MOSFET
增强型 (EMOS)
耗尽型 (DMOS)
N 沟道 MOS 管与 P 沟道 MOS 管工作原理相似,
不同之处仅在于它们形成电流的载流子性质不同,因此导致加在各极上的电压极性相反 。
第 3 章 场效应管
N + N +P+ P+
P
U S G D
3.1.1 增强型 MOS 场效应管
N 沟道 EMOSFET 结构示意图源极漏极衬底极
SiO2
绝缘层金属栅极
P 型硅衬底S
G U
D
电路符号
l
沟道长度
W
沟道宽度第 3 章 场效应管
N 沟道 EMOS 管 外部工作条件
VDS > 0 (保证栅漏 PN 结反偏 )。
U 接电路最低电位或与 S 极相连 (保证源衬 PN 结反偏 )。
VGS > 0 (形成导电沟道 )
P
P+ N+ N+
S G DU
VDS
- +
- +
VGS
N沟道 EMOS 管 工作原理栅 -衬之间 相当于以 SiO2 为介质的平板电容器 。
第 3 章 场效应管
N 沟道 EMOSFET 沟道形成原理
假设 VDS = 0，讨论 VGS 作用
P
P+ N+ N+
S G DU
VDS = 0
- +
VGS
形成空间电荷区并与 PN 结相通
VGS?
衬底表面层中负离子?、电子?
VGS?开启电压 VGS(th) 形成 N 型导电沟道表面层 n>>p
VGS 越大，反型层中 n 越多，导电能力越强。
反型层第 3 章 场效应管
VDS 对沟道的控制 (假设 VGS > VGS(th) 且保持不变 )
VDS 很小时 → VGD? VGS 。此时 W 近似不变，即 Ron 不变。
由图 VGD = VGS - VDS
因此 VDS?→ ID 线性?。
若 VDS?→ 则 VGD?→ 近漏端沟道 W?→ Ron增大 。
此时 Ron?→ ID?变慢。
P
P+ N+ N+
S G DU
VDS
- + VGS
- +
P
P+ N+ N+
S G DU
VDS
- + VGS
- +
第 3 章 场效应管
当 VDS 增加到 使 VGD? = VGS(th) 时 → A 点出现预夹断
若 VDS 继续?→ A 点左移 → 出现夹断区此时 VAS = VAG + VGS = -VGS(th) + VGS (恒定 )
若忽略沟道长度调制效应，则近似认为 l 不变 (即 Ron不变 )。
因此预夹断后：
P
P+ N+ N+
S G DU
VDS
- + VGS
- +
A
P
P+ N+ N+
S G DU
VDS
- + VGS
- +
A
VDS? → ID 基本维持不变。
第 3 章 场效应管
若考虑沟道长度调制效应则 VDS? → 沟道长度 l?→ 沟道电阻 Ron略?。
因此 VDS?→ ID 略?。
由上述分析可描绘出 ID 随 VDS 变化的关系曲线：
ID
VDSO V
GS –VGS(th)
VGS一定曲线形状类似三极管输出特性。
第 3 章 场效应管
MOS 管仅依靠一种载流子 (多子 )导电,故称 单极型器件 。
三极管中多子、少子同时参与导电，故称 双极型器件。
利用半导体表面的电场效应,通过栅源电压 VGS
的变化,改变感生电荷的多少,从而改变感生沟道的宽窄,控制漏极电流 ID 。
MOSFET 工作原理：
第 3 章 场效应管由于 MOS 管栅极电流为零,故不讨论输入特性曲线 。
共源组态特性曲线：
ID = f ( VGS ) V
DS = 常数转移特性：
ID = f ( VDS )
VGS = 常数输出特性：
伏安特性
+
T
VDS
IG? 0
VGS
ID
+
--
转移特性与输出特性反映场效应管同一物理过程,
它们之间可以相互转换 。
第 3 章 场效应管
NEMOS 管输出特性曲线
非饱和区特点：
ID 同时受 VGS 与 VDS 的控制。
当 VGS为常数时,VDSID 近似线性?，表现为一种电阻特性；
当 VDS为常数时,VGSID?，表现出一种压控电阻的特性。
沟道预夹断前对应的工作区。
条件,VGS > VGS(th) V
DS < VGS – VGS(th)
因此，非饱和区又称为 可变电阻区。
第 3 章 场效应管
ID/mA
VDS /VO
VDS = VGS – VGS(th)
VGS = 5 V
3.5 V
4 V
4.5 V
数学模型：
此时 MOS 管可看成阻值受 VGS 控制的线性电阻器：
VDS 很小 MOS 管工作在非饱和区时,ID 与 VDS 之间呈线性关系：
])(2[2 2DSDSG S ( t h )GSOXnD VVVVl WCI
G S ( t h )GSOXnon
1
VVWC
lR
其中,W,l 为沟道的宽度和长度。
COX (=? /?OX,SiO2 层介电常数与厚度有关 )为单位面积的栅极电容量 。
注意：非饱和区相当于三极管的饱和区。
DSG S ( t h )GSOXn )( VVVl
WC
第 3 章 场效应管
饱和区特点：
ID 只受 VGS 控制，而与 VDS 近似无关，表现出类似三极管的正向受控作用。
ID/mA
VDS /VO
VDS = VGS – VGS(th)
VGS = 5 V
3.5 V
4 V
4.5 V
沟道预夹断后对应的工作区。
条件,VGS > VGS(th) V
DS > VGS – VGS(th)
考虑到沟道长度调制效应,输出特性曲线随 VDS
的增加略有上翘 。
注意：饱和区 (又称有源区 )对应 三极管的放大区 。
第 3 章 场效应管数学模型：
若考虑沟道长度调制效应，则 ID 的修正方程：
工作在饱和区时,MOS 管的正向受控作用,服从平方律关系式：
2
G S ( t h )GS
OXn
D )(2 VVl
WCI
A
DS2
G S ( t h )GS
OXn
D 1)(2 V
VVV
l
WCI?
DS2G S ( t h )GSOXn 1)(2 VVVl WC
其中,? 称 沟道长度调制系数，其值与 l 有关。
通常? = (0.005 ~ 0.03 )V-1
第 3 章 场效应管
截止区特点：
相当于 MOS 管三个电极断开。
ID/mA
VDS /VO
VDS = VGS – VGS(th)
VGS = 5 V
3.5 V
4 V
4.5 V沟道未形成时的工作区条件,VGS < VGS(th)
ID = 0 以下的工作区域。
IG? 0,ID? 0
击穿区
VDS 增大 到一定值时?漏衬 PN 结雪崩击穿? ID 剧增。
VDS沟道 l 对于 l 较小的 MOS 管? 穿通击穿。
第 3 章 场效应管由于 MOS 管 COX 很小,因此当带电物体 (或人 )靠近金属栅极时,感生电荷在 SiO2 绝缘层中将产生很大的电压 VGS(= Q /COX),使 绝缘层 击穿,造成 MOS 管永久性损坏 。
MOS 管保护措施：
分立的 MOS 管,各极引线短接、烙铁外壳接地。
MOS 集成电路：
T
D2
D1
D1,D2 一方面限制 VGS 间最大电压,同时对感 生电荷起旁路作用 。
第 3 章 场效应管
NEMOS 管转移特性曲线
VGS(th) = 3V VDS = 5 V
转移特性曲线反映 VDS 为常数时,VGS 对 ID 的控制作用，可由输出特性转换得到。
ID/mA
VDS /VO
VDS = VGS – VGS(th)
VGS = 5 V
3.5 V
4 V
4.5 V
VDS = 5 V
ID/mA
VGS /VO 1 2 3 4 5
转移特性曲线中,ID = 0 时对应的 VGS 值,即开启电压 VGS(th) 。
第 3 章 场效应管
衬底效应集成电路中,许多 MOS 管做在同一衬底上,为保证 U 与
S,D 之间 PN 结反偏,衬底应接电路最低电位 (N 沟道 )或最高电位 (P沟道 )。
若 | VUS |
- +VUS
耗尽层中负离子数?
因 VGS 不变 (G 极正电荷量不变 )? ID?
VUS = 0ID/mA
VGS /VO
-2V
-4V
根据衬底电压对 ID 的控制作用，又称 U 极为 背栅极。
P
P+ N+ N+
S G DU
VDS
VGS- +
- +
阻挡层宽度
表面层中 电子 数
第 3 章 场效应管
P 沟道 EMOS 管
+ -VGS
VDS+ -
N
N+ P+
S G D
U
P+
N 沟道 EMOS 管与 P 沟道 EMOS 管工作原理相似 。
即 VDS < 0,VGS < 0
外加电压极性相反、电流 ID 流向相反。
不同之处,电路符号中的箭头方向相反。
S
G U
D I
D
第 3 章 场效应管
3.1.2 耗尽型 MOS 场效应管
S
G U
D I
D
S
G U
D I
D
P
P+ N+
S G D
U
N+N 沟道
DMOS
N
N+ P+
S G D
U
P+P 沟道
DMOS
DMOS 管结构
VGS = 0 时，导电沟道已存在对比增强型？
沟道线是实线第 3 章 场效应管
NDMOS 管 伏安特性
ID/mA
VDS /VO
VDS = VGS –VGS(th)
VGS = 1 V
1,5 V
1 V
0,5 V
0 V
0,5 V
1,8 V
ID/mA
VGS /VOVGS(th)
VDS > 0,VGS 正、负、零均可。外部工作条件：
DMOS 管在饱和区与非饱和区的 ID 表达式 与 EMOS管 相同 。
PDMOS 与 NDMOS 的差别仅在于电压极性与电流方向相反。
第 3 章 场效应管
3.1.3 四种 MOS 场效应管比较
电路符号及电流流向
S
G U
D I
D
S
G U
D
ID
U
S
G
D
ID
S
G U
D
ID
NEMOS NDMOS PDMOSPEMOS
转移特性
ID
VGSO VGS(th)
ID
VGSOVGS(th)
ID
VGSOVGS(th)
ID
VGSOVGS(th
)
第 3 章 场效应管
饱和区 (放大区 )外加电压极性及数学模型
VDS 极性取决于沟道类型
N 沟道,VDS > 0,P 沟道,VDS < 0
VGS 极性取决于工作方式及沟道类型增强型 MOS 管,VGS 与 VDS 极性相同。
耗尽型 MOS 管,VGS 取值任意。
饱和区数学模型与管子类型无关
2
G S ( t h )GS
OX
D )(2 VVl
WCI
第 3 章 场效应管
临界饱和工作条件
非饱和区 (可变电阻区 )工作条件
|VDS | = | VGS – VGS(th) ||VGS| > |VGS(th) |，
|VDS | > | VGS – VGS(th) |
|VGS| > |VGS(th) |,
饱和区 (放大区 )工作条件
|VDS | < | VGS – VGS(th) |
|VGS| > |VGS(th) |，
非饱和区 (可变电阻区 )数学模型
DSG S ( t h )GS
OXn
D )( VVVl
WCI
第 3 章 场效应管
FET 直流简化电路模型 (与三极管相对照 )
场效应管 G,S 之间开路,IG? 0。
三极管发射结由于正偏而导通，等效为 VBE(on) 。
FET 输出端等效为 压控 电流源，满足平方律方程：
三极管输出端等效为 流控 电流源，满足 IC =? IB 。
2
G S ( t h )GS
OX
D )(2 VVl
WCI
S
G
D
ID
VGS
S
DG
IDIG?0
ID(VGS )
+
-
VBE(on)
E
CB
ICIB
IB?
+
-
第 3 章 场效应管
3.1.4 小信号电路模型
MOS 管简化小信号电路模型 (与三极管对照 )
gmvgs rds
g d
s
id
vgs
-
vds
++
-
rds 为 场效应管 输出电阻：
由于场效应管 IG? 0，所以输入电阻 rgs。
而三极管发射结正偏,故输入电阻 rb?e 较小。
与三极管 输出电阻表达式 rce? 1/(?ICQ) 相似。
)/(1 DQds Ir
rb?e rce
b c
e
ib ic
+
- -
+v
be vce
gmvb?e
第 3 章 场效应管
（?——沟道长度调制系数,? =－ 1/|VA|）
MOS 管跨导
QGS
D
m v
ig
2
G S ( t h )GS
OX
D )(2 VVl
WCI利用
DQ
OX
Q
GS
D
m 22 Il
WC
v
ig
得
CQ
eQEB
C
m 5.38 Irv
ig
三极管跨导通常 MOS 管的跨导比三极管的跨导要小一个数量级以上，即 MOS 管放大能力比三极管弱。
第 3 章 场效应管
计及衬底效应的 MOS 管简化电路模型 （衬底与源极不相连）
考虑到衬底电压 vus 对漏极电流 id 的控制作用，小信号等效电路中需增加一个压控电流源 gmuvus。
gmvgs rds
g d
s
id
vgs
-
vds
++
- gmuvus
gmu 称背栅跨导,工程上 m
Qus
D
mu gv
ig
为常数,一般? = 0.1 ~ 0.2。
第 3 章 场效应管
MOS 管高频小信号电路模型当高频应用,需考虑管子极间电容影响时,应采用如下高频等效电路模型 。
gmvgs rds
g d
s
id
vgs
-
vds
++
-
Cds
Cgd
Cgs
栅源极间平板电容漏源极间电容 (漏衬与源衬之间的势垒电容 )
栅漏极间平板电容第 3 章 场效应管场效应管电路分析方法与三极管电路分析方法相似,可以采用 估算法 分析电路直流工作点；采用 小信号等效电路法 分析电路动态指标 。
3.1.5 MOS 管电路分析方法场效应管估算法分析思路与三极管相同,只是由于两种管子工作原理不同,从而使外部工作条件有明显差异 。 因此用估算法分析场效应管电路时,一定要注意自身特点 。
估算法第 3 章 场效应管
MOS 管 截止模式判断方法假定 MOS 管工作在放大模式：
放大模式非饱和模式 (需重新 计算 Q 点 )
N 沟道管,VGS < VGS(th)
P沟道管,VGS > VGS(th)截止条件
非饱和与饱和 (放大 )模式判断方法
a)由直流通路写出管外电路 VGS与 ID 之间关系式 。
c)联立解上述方程,选出合理的一组解 。
d)判断电路工作模式：
若 |VDS| > |VGS–VGS(th)|
若 |VDS| < |VGS–VGS(th)|
b)利用饱和区数学模型,2G S ( t h )GSOXD )(2 VVl WCI
第 3 章 场效应管例 1 已知?nCOXW/(2l) = 0.25 mA/V2,VGS(th)= 2 V,求 ID
。解,假设 T 工作在放大模式
VDD (+20 V)
1.2 M?
4 k?
T
S
RG1
RG2
RD
RS0.8 M?
10 k?
G
ID SD
G2G1
DDG2
SGGS RIRR
VRVVV?
2
G S ( t h )GS
OX
D )(2 VVl
WCI
代入已知条件解上述方程组得：
ID = 1 mA
VGS = 4 V 及
ID = 2.25 mA
VGS =?1 V (舍去 )
VDS = VDD? ID (RD + RS) = 6 V因此验证得知,VDS > VGS–VGS(th),VGS > VGS(th),假设成立。
第 3 章 场效应管
小信号等效电路法场效应管小信号等效电路分析法与三极管相似。
利用微变等效电路分析交流指标 。
画交流通路；
将 FET 用小信号电路模型代替；
计算微变参数 gm,rds；
注：具体分析将在第 4 章中详细介绍。
第 3 章 场效应管
3.2 结型场效应管
JFET 结构示意图及电路符号
S
G
D
S
G
D
P+ P+N
G
S
D
N 沟道 JFET P 沟道 JFET
N+ N+P
G
S
D
第 3 章 场效应管
N沟道 JFET 管 外部工作条件
VDS > 0 (保证栅漏 PN 结反偏 )
VGS < 0 (保证栅源 PN 结反偏 )
3.2.1 JFET 管工作原理
P+ P+NG
S
D
-
+VGS
VDS
+
-
第 3 章 场效应管
VGS 对沟道宽度的影响
|VGS |?
阻挡层宽度?
若 |VGS | 继续? 沟道全夹断使 VGS = VGS (off) 夹断电压若 VDS = 0
NG
S
D
-
+VGS
P+ P+
N 型沟道宽度?
沟道电阻 Ron?
第 3 章 场效应管
VDS 很小时 → VGD? VGS
由图 VGD = VGS? VDS
因此 VDS?→ ID 线性?
若 VDS?→ 则 VGD?→ 近漏端沟道?→ Ron 增大。
此时 Ron?→ ID?变慢
VDS 对沟道的控制 (假设 VGS 一定 )
NG
S
D
-
+ VGS
P+ P+ V
DS
+
-此时 W 近似不变即 Ron 不变第 3 章 场效应管
当 VDS 增加到 使 VGD? = VGS(off) 时 → A 点出现预夹断
若 VDS 继续?→ A 点下移 → 出现夹断区此时 VAS = VAG + VGS =?VGS(off) + VGS (恒定 )
若忽略沟道长度调制效应，则近似认为 l 不变 (即 Ron不变 )。
因此预夹断后,VDS?→ ID 基本维持不变。
NG
S
D
-
+ VGS
P+ P+ V
DS
+
-
A
NG
S
D
-
+ VGS
P+ P+ V
DS
+
-
A
第 3 章 场效应管利用半导体内的电场效应,通过栅源电压 VGS
的变化,改变阻挡层的宽窄,从而改变导电沟道的宽窄,控制漏极电流 ID。
JFET 工作原理：
综上所述,JFET 与 MOSFET 工作原理相似,
它们都是利用电场效应控制电流,不同之处仅在于导电沟道形成的原理不同 。
第 3 章 场效应管
NJFET 输出特性
非饱和区 (可变电阻区 )
特点,ID 同时受 VGS 与 VDS 的控制。
条件,VGS > VGS(off)
V DS < VGS – VGS(off)
3.2.2 伏安特性曲线
G S ( o f f )GSD S S
2
G S ( o f f )
on
1
2 VVI
V
R线性电阻：
ID/mA
VDS /VO
VDS = VGS – VGS(off)
VGS = 0 V
2 V
1,5 V
1 V
0,5 V
第 3 章 场效应管
饱和区 (放大区 )
特点：
ID 只受 VGS 控制，而与 VDS 近似无关。
ID/mA
VDS /VO
VDS = VGS – VGS(off)
VGS = 0 V
2 V
1,5 V
1 V
-0,5 V
数学模型：
2
G S ( o f f )
GS
D S SD 1?
V
VII
条件：
VGS > VGS(off)
V DS > VGS–VGS(off)
在饱和区,JFET 的 ID 与 VGS 之间也满足平方律关系，但由于 JFET 与 MOS 管结构不同，故方程不同。
第 3 章 场效应管
截止区特点：
沟道全夹断的工作区条件,VGS < VGS(off)
IG? 0,ID = 0
击穿区
VDS 增大 到一定值时? 近 漏极 PN 结雪崩击穿
ID/mA
VDS /VO
VDS = VGS – VGS(off)
VGS = 0 V
2 V
1,5 V
1 V
0,5 V
造成 ID 剧增。
VGS 越负?则 VGD 越负? 相应 击穿电压 V(BR)DS 越小第 3 章 场效应管
JFET 转移特性曲线同 MOS 管一样,JFET 的转移特性也可由输出特性转换得到 (略 )。
ID = 0 时对应的 VGS 值?夹断电压 VGS(off) 。
VGS(off)
ID/mA
VGS /VO
IDSS
(N 沟道 JFET)
ID/mA
VGS /VO
IDSS
VGS(off)
(P 沟道 JFET )
VGS = 0 时对应的 ID 值?饱和漏电流 IDSS。
第 3 章 场效应管
JFET 电路模型同 MOS 管相同 。 只是由于两种管子在饱和区数学模型不同,因此,跨导计算公式不同 。
JFET 电路模型
VGS
S
D
G
IDIG? 0
ID(VGS)
+
-
gmvgs rds
g d
s
id
vgs
-
vds
++
-
S
ID
G
D
(共源极 ) (直流电路模型 ) (小信号模型 )
利用 2
G S ( o f f )
GS
D S SD )1( V
VII
得
D S S
DQ
m0
D S S
DQ
G S ( o f f )
D S S
QGS
D
m
2
I
Ig
I
I
V
I
v
ig
第 3 章 场效应管
各类 FET 管 VDS,VGS 极性比较
VDS 极性与 ID 流向仅取决于沟道类型
VGS 极性取决于工作方式及沟道类型由于 FET 类型较多,单独记忆较困难,现将各类
FET 管 VDS,VGS 极性及 ID 流向归纳如下：
N 沟道 FET,VDS > 0,ID 流入管子漏极。
P 沟道 FET,VDS < 0,ID 自管子漏极流出。
JFET 管,VGS 与 VDS 极性相反。
增强型,VGS 与 VDS 极性相同。
耗尽型,VGS 取值任意。
MOSFET 管第 3 章 场效应管
场效应管与三极管性能比较项目器件电极名称 工作区导电类型输入电阻跨导三极管
e
极
b
极
c
极放大区饱和区双极型小 大场效应管
s
极
g
极
d
极饱和区非饱和区单极型大 小第 3 章 场效应管
N沟道 EMOS 管 GD 相连? 构成有源电阻
3.3.1 有源电阻
3.3 场效应管应用原理
v = vDS = vGS,i = iD由图知满足 vDS > vGS – vGS(th)
因此 当 vGS > vGS(th) 时
N 沟道 EMOS 管?工作在饱和区。
伏安特性,2
G S ( t h )
OXn )(
2 Vvl
WCi iD
vGSV
Q
IQ Q直流电阻：
QQ / IVR?
(小 )
交流电阻,ivr / (大 )
T
v
i
+
-
+
-
vR
i
第 3 章 场效应管
N 沟道 DMOS 管 GS 相连?构成有源电阻
v = vDS,vGS = 0,i = iD由图因此，当 vDS > 0 –vGS(th) 时，管子工作在饱和区。
伏安特性即 vGS = 0 时的输出特性。
由 2
G S ( t h )GS
OXn )(
2 Vvl
WCi 得知当 vGS = 0时，电路近似恒流输出。
iD
vDSV
Q
IQ Q
VGS(th)
vGS= 0T
v
i
+
-
+
-
vR
i
第 3 章 场效应管
有源电阻? 构成分压器若两管?n,COX,VGS(th)相同，则联立求解得：
T1
V1I1 +
-
I2 V2+
-
VDD
T2
由图 I1 = I2
V1 + V2 = VDD
2
G S ( t h )22
OXn2
G S ( t h )11
OXn )()(
2)()(2 VVl
WCVV
l
WC
V1 + V2 = VDD
1
)/(
)/(
1
)/(
)/(
1
2
G S ( t h )
1
2
DD
2
lW
lW
V
lW
lW
V
V
调整沟道宽长比 (W/l),可得所需的分压值。
第 3 章 场效应管
