第四章 MOS 模拟集成电路基础
§ 4.1 场效应晶体管
§ 4.2 JFET放大电路
休息 1 休息 2
§ 4.3 MOS模拟集成电路基础
返回
§ 4.1 场效应晶体管
引言
4.1.1 JFET的结构及基本工作原理
休息 1 休息 2
4.1.2 JFET伏安特性曲线
返回
4.1.3 绝缘栅场效应管
4.1.4 FET小信号等效模型
§ 4.1场效应晶体管
晶体管工作在放大区时，输入回路 PN 结正偏，输入阻抗小，
且是一个电流控制的有源器件。
场效应管也是一种具有 PN 结的正向受控作用的有源器件，
它是 利用电场效应来控制输出电流的大小，其输入端 PN 结一
般工作于反偏状态或绝缘状态。输入电阻很高。
场效应管根据结构不同分为两大类：
结型场效应管 ( J F E T ) 输入阻抗 ?96 10~10
绝缘栅场效应管 ( I G F E T ) 输入阻抗 ?1412 10~10
在 I G F E T 中又有多种类型，目前应用最广泛的是以二氧
化硅 2OS i 为绝缘层的场效应管，称为金属－氧化物－半导体场
效应管 ( M O S F E T,M e t a l - O x i d e - S e m i c o n d u c t o r F i e l d E f f e c t T r a n s i s t o r ) 。
休息 1 休息 2
引言
返回
4.1.1 JFET的结构及基本工作原理
( 1) N 沟道管
在一块 N 型硅片两侧分别制作
一个高浓度的 P 型区，形成 P
+
N 结,
两个 P 型区的引线连在一起作为一
个电极，称为栅极 G 。 在 N 型区两
端引出两个电极分别称为源极 S 和
漏极 D,两个 PN 结之间的 N 区域
称为电沟道。 符号中箭头的方向代
表了栅源电压处于正偏时栅极的电
流方向。
S 源极
D 漏极
G 栅极
G
S
D
?P ?P
N
( 2) P 沟道管
G
S
D
P
?N ?N
G 栅极
D 漏极
S源极
导电沟道为 P 型半导体，称为 P 型
沟道管。
1 结构
N 沟道管：电子导电
P 沟道管：空穴导电
休息 1 休息 2
返回
2 工作原理
( 1 ) GSu 对漏极电流 Di 的控制作用
N 沟道,0u GS ?,
P N 结反偏，耗尽层 ? ? 沟道截面 ?
如果在 0u DS ? 时
?P ?P
G
S
D
N
Di
GSu
DSu
)u( DS 一定
的大小受 GSu 的控制 Di
一般,??GSu 沟道截面 ? ? 沟道电阻 ? ?? Di
当 )o f f(GSGS Uu ? 时 ? 沟道夹断 0i D ??
小结,场效应管是一种压控器件；
场效应管只有一种极性的载流子导电－单极性晶体管。
休息 1 休息 2
4.1.1 JFET的结构及基本工作原理
返回
预夹断状态之后,
如果 ?
DS
u ? 合拢点沿沟道向源极方向移动 ?
外电压增量
)of f(GSDSDS
Uuu ??? 主要降落在夹断区上,
?
未被夹断的沟道上电压不变,Di 不变（恒流区）。
当 ??DSu
?
??
DS)BR(DS
Uu 强电场
?
PN 结雪崩击穿
??? Di （击穿区）。
故沿沟道 PN 结反偏电压不等 （上大，下小）
由于沟道电阻的存在，漏源电压 u DS 沿沟道递降
耗尽层 （上宽下窄）,沟道宽度 （上窄下宽）,
当 )o f f(GSDS Uu ? 时,靠近漏极出现沟道合拢,
即，出现 预夹断状态 ；
I, 0u DS ?, 0u GS ?
G
S
D(2) u
DS对 iD的影响
DSu
?P ?P
II, 0u
DS
?, 0u
GS
?,
在相同 DSu 电压时,GSu 值不同,
相应的预夹断电压也不同。
0u
GS
?? ? 加强反偏 ? 耗尽层 ?
?
沟道电阻 ?
? ?
D
i
iD
休息 1 休息 2
N
返回
2
)of f(GS
GSD S SD )U u1(Ii ??
4.1.2 JFET伏安特性曲线
1 转移特性曲线
一般数学表示式,CuGSD DS)u(fi ??
它表示了漏源电压一定时，栅源电压对漏源电流的控制作用。
IDSS
V6uDS?
击穿区
I区 II区
III区6V)off(GSU
Di
GSu DSu
)(mAiD )off(GSGSDS Uuu ??
0uGS?
V4.0uGS ??
V8.0uGS ??
图中 I D S S 称为漏极饱合电流,即 0u GS ? 时的 Di 。
转移特性的大信号特性方程：
Di 与 GSu 之间不是线性关系，而是平方律关系。 故 J F E T 也是一
种非线性器件。 当然 DSu 为不同值时，可得一簇转移特性曲线，但由于
工作在恒流区,Di 几乎与 DSu 无关。 各曲线基本重合。 休息 1 休息 2返回
IDSS
V6uDS?
6V)off(GSU
Di
GSu DSu
)(mAiD )off(GSGSDS Uuu ??
0uGS?
V4.0uGS ??
V8.0uGS ??
2 输出特性曲线
击穿区
I区
III区
II区
CuDSD GS)u(fi ??
I,可变电阻区：
)o ff(GSGSDS Uuu ??, 由于 DSu 较小,Di 与 DSu 近似线性关系。
D 极与 S 极对称，允许对换。
II,放大区（恒流区或饱合区）,)of f(GSGSDS Uuu ??
输出特性曲线平坦但略向上倾斜，是模拟电路工作区，向上倾
斜的原因是由于沟道的调制效应。
恒流区的大信号特性方程,)u1()U
u1(Ii
DS
2
)o f f(GS
GS
D S SD ????,
其中 ?1 相当于 B JT 的 AU
III,截止区,)of f(GSGS Uu ?
IV,击穿区
)off(GSGS Uu ??1
休息 1 休息 2返回
4.1.3 绝缘栅场效应管
栅极处于绝缘状态的场效应管，输入阻抗很大，
目前广泛应用的是 S i O 2 为绝缘层的绝缘栅场效应管，
称为 金属－氧化物－半导体场效应管，简称 M O S F E T 。
M O S F ET 的类型：
增强型 N 沟道 M O S 管 （ E 型 N M O S F ET ）
耗尽型 N 沟道 M O S 管 （ D 型 N M O S F ET ）
增强型 P 沟道 M O S 管 （ E 型 P M O S F E T ）
耗尽型 P 沟道 M O S 管 （ D 型 P M O S FE T ）
休息 1 休息 2返回
衬底引线
P
SiO2
1 E型 N MOSFET的工作原理
N+ N+
S G D
( 1 ) E 型 N M O S F E T 结构及电路符号
在一块 P 型硅衬底上扩散两个高
掺杂的 N 型区，分别作为源极 S 和漏
极 D,在 S 和 D 之间的 P 型衬底平面
上利用氧化工艺生长一层薄的 S i O 2 绝
缘层，并引出 G,在衬底上引出接触
电极－衬底 （引线）电极。
一般,当 0u GS ? 时,D,S 之间无导电沟道存在 ? 增强型（ E 型）
当 0u GS ? 时,D,S 之间有导电沟道存在 ? 耗尽型（ D 型）
E型 N MOSFET E型 P MOSFET D型 N MOSFET D型 P MOSFET
返回
……………………………………………………
4.1.3 绝缘栅场效应管
( 2 ) 工作原理
I,如果 0u GS ?, 0u DS ? 则 D 极与衬底之间的 PN 结反偏,
漏源之间没有导电沟道,
0iD ?
GSu
N+
S G D
P
N+
II, 若 0u DS ?, 0u GS ?
?GSu 产生由 G 极垂直指向 P 型衬底的电场
? 排斥空穴，吸引电子
当 )th(GSGS Uu ? （临界电压，开启电压） ? 电场使 P 区
内电子吸引到 2i OS 表面形成一个 N 型薄层（称反型层）。
显然,??GSu 反型层 ??
N 型沟道电阻 ???? ???
作用下在 DSu
?Di
可见 GSu 对 Di 有控制作用。
DSu
iD
返回
4.1.3 绝缘栅场效应管 DSu
GSu
N+
S G D
P
N+
……………………
( 3) 转移特性
常数?? DSuGSD )u(fi
)(mAiD
)(VvGS
V20uDS ?
V10uDS ?
取 10u S ＝Ｄ V
当 )th(GSGS Uu ?,没有形成导电沟道,0i D ?
当 )th(GSGS Uu ?,形成导电沟道
??GSu 导电沟道 ??? Di
iD
UGS(th)
返回
DSu
GSu
N+
S G D
P
N+
(4)输出特性
……………………
当 )th(GSGS Uu ?,截止区
当 )th(GSGS Uu ?,导电沟道形成
① 0u DS ?,沿沟道方向无电场 0?Di
② 0u DS ?,但较小,DSu 对沟道影
响不大,Di 与 DSu 成线性增长。
③ ?
DS
u 但
)th(GSGSDS
Uuu ?? 时,
由
DS
u 沿导电沟道第降，而栅极与源
极之间的电压不变，在近 D 端的电压
DSGS
uu ?? 最小，沟道最浅，而近 S
端沟道最深。 ??DSu 沟道电阻
D
i??
上开缓慢（非线性区）
Gu
DuSu
uGS uGD=uGS-uDS
uDS
)th(GSGS Uu ?
)V(uDS
)(mAiD
uGS1
uGS2
uGS3
uGS4
返回
Gu
DuSu
uGS uGD=uGS-uDS
uDS
DSu
GSu
N+
S G D
P
N+
(4)输出特性
……………………
④当 ??DSu 当 ??? )th(GSGSDS Uuu
D 端沟道消失（ 预夹断 ）
如果 ???DSu DS)th(GSGSDS uUuu ????
降落在夹断区 ? 沟道电场几乎不变 Di? 不变,
呈现 恒流特性 。
⑤ ?? DS)BR(DS Uu 雪崩击穿。
)th(GSGSDS Uuu ??
)th(GSGS Uu ?
=UGS（ th）
uGS1
uGS2
uGS3
uGS4
返回
DSu
GSu
N+
S G D
P
N+……………………
4.1.3 绝缘栅场效应管
2 D 型 （耗尽型） M O S F E T 管的工作原理
⊕ ⊕ ⊕ ⊕ ⊕
D 型 N M O S F E T 的结构与 E 型 N M O S F E T
管的结构基本相同，差别在于 耗尽型管的二氧
化硅绝缘层中掺有大量的正离子,因此,即使
0u
GS
?,在两个 N 型区之间的 P 型硅表面也
会感应出大量的电子,而形成导电沟道。在 DSu
的作用下，出现漏极电流 Di 。
下图为 D 型 N M O S F E T 管特性曲线
由转移特性曲线可以看出，在 0u GS ? 时,
便有较大的 D S SD II ?,但当 ??GSu
沟道变窄 ?? Di
当 0iUu D)o f f(GSGS ??? 截止区
可见，无论栅源电压为正还是负，
都能控制 Di 的大小，并不出现栅流。
DSSI
)V(uGS)off(GSU
)(mAiD
继续
)(mAiD
)V(uDS)off(GSGS Uu ?
0uGS?
0uGS?
0uGS?U
GS(off)
返回
§ 4.1 场效应晶体管
§ 4.2 JFET放大电路
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§ 4.3 MOS模拟集成电路基础
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§ 4.1 场效应晶体管
引言
4.1.1 JFET的结构及基本工作原理
休息 1 休息 2
4.1.2 JFET伏安特性曲线
返回
4.1.3 绝缘栅场效应管
4.1.4 FET小信号等效模型
§ 4.1场效应晶体管
晶体管工作在放大区时，输入回路 PN 结正偏，输入阻抗小，
且是一个电流控制的有源器件。
场效应管也是一种具有 PN 结的正向受控作用的有源器件，
它是 利用电场效应来控制输出电流的大小，其输入端 PN 结一
般工作于反偏状态或绝缘状态。输入电阻很高。
场效应管根据结构不同分为两大类：
结型场效应管 ( J F E T ) 输入阻抗 ?96 10~10
绝缘栅场效应管 ( I G F E T ) 输入阻抗 ?1412 10~10
在 I G F E T 中又有多种类型，目前应用最广泛的是以二氧
化硅 2OS i 为绝缘层的场效应管，称为金属－氧化物－半导体场
效应管 ( M O S F E T,M e t a l - O x i d e - S e m i c o n d u c t o r F i e l d E f f e c t T r a n s i s t o r ) 。
休息 1 休息 2
引言
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4.1.1 JFET的结构及基本工作原理
( 1) N 沟道管
在一块 N 型硅片两侧分别制作
一个高浓度的 P 型区，形成 P
+
N 结,
两个 P 型区的引线连在一起作为一
个电极，称为栅极 G 。 在 N 型区两
端引出两个电极分别称为源极 S 和
漏极 D,两个 PN 结之间的 N 区域
称为电沟道。 符号中箭头的方向代
表了栅源电压处于正偏时栅极的电
流方向。
S 源极
D 漏极
G 栅极
G
S
D
?P ?P
N
( 2) P 沟道管
G
S
D
P
?N ?N
G 栅极
D 漏极
S源极
导电沟道为 P 型半导体，称为 P 型
沟道管。
1 结构
N 沟道管：电子导电
P 沟道管：空穴导电
休息 1 休息 2
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2 工作原理
( 1 ) GSu 对漏极电流 Di 的控制作用
N 沟道,0u GS ?,
P N 结反偏，耗尽层 ? ? 沟道截面 ?
如果在 0u DS ? 时
?P ?P
G
S
D
N
Di
GSu
DSu
)u( DS 一定
的大小受 GSu 的控制 Di
一般,??GSu 沟道截面 ? ? 沟道电阻 ? ?? Di
当 )o f f(GSGS Uu ? 时 ? 沟道夹断 0i D ??
小结,场效应管是一种压控器件；
场效应管只有一种极性的载流子导电－单极性晶体管。
休息 1 休息 2
4.1.1 JFET的结构及基本工作原理
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预夹断状态之后,
如果 ?
DS
u ? 合拢点沿沟道向源极方向移动 ?
外电压增量
)of f(GSDSDS
Uuu ??? 主要降落在夹断区上,
?
未被夹断的沟道上电压不变,Di 不变（恒流区）。
当 ??DSu
?
??
DS)BR(DS
Uu 强电场
?
PN 结雪崩击穿
??? Di （击穿区）。
故沿沟道 PN 结反偏电压不等 （上大，下小）
由于沟道电阻的存在，漏源电压 u DS 沿沟道递降
耗尽层 （上宽下窄）,沟道宽度 （上窄下宽）,
当 )o f f(GSDS Uu ? 时,靠近漏极出现沟道合拢,
即，出现 预夹断状态 ；
I, 0u DS ?, 0u GS ?
G
S
D(2) u
DS对 iD的影响
DSu
?P ?P
II, 0u
DS
?, 0u
GS
?,
在相同 DSu 电压时,GSu 值不同,
相应的预夹断电压也不同。
0u
GS
?? ? 加强反偏 ? 耗尽层 ?
?
沟道电阻 ?
? ?
D
i
iD
休息 1 休息 2
N
返回
2
)of f(GS
GSD S SD )U u1(Ii ??
4.1.2 JFET伏安特性曲线
1 转移特性曲线
一般数学表示式,CuGSD DS)u(fi ??
它表示了漏源电压一定时，栅源电压对漏源电流的控制作用。
IDSS
V6uDS?
击穿区
I区 II区
III区6V)off(GSU
Di
GSu DSu
)(mAiD )off(GSGSDS Uuu ??
0uGS?
V4.0uGS ??
V8.0uGS ??
图中 I D S S 称为漏极饱合电流,即 0u GS ? 时的 Di 。
转移特性的大信号特性方程：
Di 与 GSu 之间不是线性关系，而是平方律关系。 故 J F E T 也是一
种非线性器件。 当然 DSu 为不同值时，可得一簇转移特性曲线，但由于
工作在恒流区,Di 几乎与 DSu 无关。 各曲线基本重合。 休息 1 休息 2返回
IDSS
V6uDS?
6V)off(GSU
Di
GSu DSu
)(mAiD )off(GSGSDS Uuu ??
0uGS?
V4.0uGS ??
V8.0uGS ??
2 输出特性曲线
击穿区
I区
III区
II区
CuDSD GS)u(fi ??
I,可变电阻区：
)o ff(GSGSDS Uuu ??, 由于 DSu 较小,Di 与 DSu 近似线性关系。
D 极与 S 极对称，允许对换。
II,放大区（恒流区或饱合区）,)of f(GSGSDS Uuu ??
输出特性曲线平坦但略向上倾斜，是模拟电路工作区，向上倾
斜的原因是由于沟道的调制效应。
恒流区的大信号特性方程,)u1()U
u1(Ii
DS
2
)o f f(GS
GS
D S SD ????,
其中 ?1 相当于 B JT 的 AU
III,截止区,)of f(GSGS Uu ?
IV,击穿区
)off(GSGS Uu ??1
休息 1 休息 2返回
4.1.3 绝缘栅场效应管
栅极处于绝缘状态的场效应管，输入阻抗很大，
目前广泛应用的是 S i O 2 为绝缘层的绝缘栅场效应管，
称为 金属－氧化物－半导体场效应管，简称 M O S F E T 。
M O S F ET 的类型：
增强型 N 沟道 M O S 管 （ E 型 N M O S F ET ）
耗尽型 N 沟道 M O S 管 （ D 型 N M O S F ET ）
增强型 P 沟道 M O S 管 （ E 型 P M O S F E T ）
耗尽型 P 沟道 M O S 管 （ D 型 P M O S FE T ）
休息 1 休息 2返回
衬底引线
P
SiO2
1 E型 N MOSFET的工作原理
N+ N+
S G D
( 1 ) E 型 N M O S F E T 结构及电路符号
在一块 P 型硅衬底上扩散两个高
掺杂的 N 型区，分别作为源极 S 和漏
极 D,在 S 和 D 之间的 P 型衬底平面
上利用氧化工艺生长一层薄的 S i O 2 绝
缘层，并引出 G,在衬底上引出接触
电极－衬底 （引线）电极。
一般,当 0u GS ? 时,D,S 之间无导电沟道存在 ? 增强型（ E 型）
当 0u GS ? 时,D,S 之间有导电沟道存在 ? 耗尽型（ D 型）
E型 N MOSFET E型 P MOSFET D型 N MOSFET D型 P MOSFET
返回
……………………………………………………
4.1.3 绝缘栅场效应管
( 2 ) 工作原理
I,如果 0u GS ?, 0u DS ? 则 D 极与衬底之间的 PN 结反偏,
漏源之间没有导电沟道,
0iD ?
GSu
N+
S G D
P
N+
II, 若 0u DS ?, 0u GS ?
?GSu 产生由 G 极垂直指向 P 型衬底的电场
? 排斥空穴，吸引电子
当 )th(GSGS Uu ? （临界电压，开启电压） ? 电场使 P 区
内电子吸引到 2i OS 表面形成一个 N 型薄层（称反型层）。
显然,??GSu 反型层 ??
N 型沟道电阻 ???? ???
作用下在 DSu
?Di
可见 GSu 对 Di 有控制作用。
DSu
iD
返回
4.1.3 绝缘栅场效应管 DSu
GSu
N+
S G D
P
N+
……………………
( 3) 转移特性
常数?? DSuGSD )u(fi
)(mAiD
)(VvGS
V20uDS ?
V10uDS ?
取 10u S ＝Ｄ V
当 )th(GSGS Uu ?,没有形成导电沟道,0i D ?
当 )th(GSGS Uu ?,形成导电沟道
??GSu 导电沟道 ??? Di
iD
UGS(th)
返回
DSu
GSu
N+
S G D
P
N+
(4)输出特性
……………………
当 )th(GSGS Uu ?,截止区
当 )th(GSGS Uu ?,导电沟道形成
① 0u DS ?,沿沟道方向无电场 0?Di
② 0u DS ?,但较小,DSu 对沟道影
响不大,Di 与 DSu 成线性增长。
③ ?
DS
u 但
)th(GSGSDS
Uuu ?? 时,
由
DS
u 沿导电沟道第降，而栅极与源
极之间的电压不变，在近 D 端的电压
DSGS
uu ?? 最小，沟道最浅，而近 S
端沟道最深。 ??DSu 沟道电阻
D
i??
上开缓慢（非线性区）
Gu
DuSu
uGS uGD=uGS-uDS
uDS
)th(GSGS Uu ?
)V(uDS
)(mAiD
uGS1
uGS2
uGS3
uGS4
返回
Gu
DuSu
uGS uGD=uGS-uDS
uDS
DSu
GSu
N+
S G D
P
N+
(4)输出特性
……………………
④当 ??DSu 当 ??? )th(GSGSDS Uuu
D 端沟道消失（ 预夹断 ）
如果 ???DSu DS)th(GSGSDS uUuu ????
降落在夹断区 ? 沟道电场几乎不变 Di? 不变,
呈现 恒流特性 。
⑤ ?? DS)BR(DS Uu 雪崩击穿。
)th(GSGSDS Uuu ??
)th(GSGS Uu ?
=UGS（ th）
uGS1
uGS2
uGS3
uGS4
返回
DSu
GSu
N+
S G D
P
N+……………………
4.1.3 绝缘栅场效应管
2 D 型 （耗尽型） M O S F E T 管的工作原理
⊕ ⊕ ⊕ ⊕ ⊕
D 型 N M O S F E T 的结构与 E 型 N M O S F E T
管的结构基本相同，差别在于 耗尽型管的二氧
化硅绝缘层中掺有大量的正离子,因此,即使
0u
GS
?,在两个 N 型区之间的 P 型硅表面也
会感应出大量的电子,而形成导电沟道。在 DSu
的作用下，出现漏极电流 Di 。
下图为 D 型 N M O S F E T 管特性曲线
由转移特性曲线可以看出，在 0u GS ? 时,
便有较大的 D S SD II ?,但当 ??GSu
沟道变窄 ?? Di
当 0iUu D)o f f(GSGS ??? 截止区
可见，无论栅源电压为正还是负，
都能控制 Di 的大小，并不出现栅流。
DSSI
)V(uGS)off(GSU
)(mAiD
继续
)(mAiD
)V(uDS)off(GSGS Uu ?
0uGS?
0uGS?
0uGS?U
GS(off)
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