3.2 结型场效应管
3.3 场效管应用原理
3.1 MOS场效应管
第三章 场效应管
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
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 。
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
? 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。
? 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
? 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 ?→ 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
- +
?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。
? 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
VDS0 V
GS –VGS(th)
VGS一定
曲线形状类似三极管输出特性。
? 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：
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 ) V
GS = 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。
? 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,VDS??ID近似线性 ?，表现为一种电阻特性；
ID/mA
VDS /V0
VDS = VGS –VGS(th)
VGS =5V
3.5V
4V
4.5V
当 VDS为常数时,VGS ??ID ?，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。
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）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 )GS
OXn )( VVV
l
WC ?? ?
? 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 /V0
VDS = VGS –VGS(th)
VGS =5V
3.5V
4V
4.5V
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 。
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
? 截止区
特点：
相当于 MOS管三个电极断开。
ID/mA
VDS /V0
VDS = VGS –VGS(th)
VGS =5V
3.5V
4V
4.5V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。
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。
? NEMOS管转移特性曲线
VGS(th) = 3V VDS = 5V
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 /V0
VDS = VGS –VGS(th)
VGS =5V
3.5V
4V
4.5V
VDS = 5V
ID/mA
VGS /V0 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） 。
? 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 ? ?
? P沟道 EMOS管
+ -VGS
VDS+ -
S
G U
D
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。
ID
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 沟道线是实线
? NDMOS管 伏安特性
ID/mA
VDS /V0
VDS = VGS –VGS(th)
VGS =1V
-1,5V
- 1V
-0,5V
0V
0,5V
-1,8V
ID/mA
VGS /V0VGS(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。
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
VGS0 VGS(th)
ID
VGS0VGS(th)
ID
VGS0VGS(th)
ID
VGS0VGS(th
)
? 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 ?? ?
? 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 ?? ?
? 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?
+
-
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
ic
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。
)/(1 CQce Ir ??与三极管 输出电阻表达式 相似。
)/(1 DQds Ir ??
rb?e rce
b c
e
ib ic
+
- -
+v
be vceg
mvb?e
?MOS管 跨导
Q
GS
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
三极管 跨导
CQ
eQEB
C 5.38 I
rv
ig
m ???
??
?
?
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。
? 计及衬底效应的 MOS管简化电路模型
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
mQ
us
D
mu gv
ig ??
?
??
?为常数,一般 ? = 0.1~ 0.2
? MOS管高频小信号电路模型
当高频应用, 需计及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
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
? 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：
2
G S ( th )GSOXD )(2 VVl
WCI ?? ?
例 1 已知 ?nCOXW/(2l)=0.25mA/V2,VGS(th)= 2V,求 ID
解,假设 T工作在放大模式
VDD (+20V)
1.2M?
4k?
T
S
RG1
RG2
RD
RS0.8M?
10k?
G
ID
SD
G2G1
DDG2
SGGS RIRR
VRVVV ?
????
2
G S ( t h )GS
OX
D )(2 VVl
WCI ?? ?
带入已知条件解上述方程组得：
ID= 1mA
VGS= 4V 及
ID= 2.25mA
VGS= -1V（舍去）
VDS= VDD-ID （ RD + RS） = 6V因此
验证得知,VDS > VGS–VGS(th),VGS > VGS(th),假设成立。
? 小信号等效电路法
场效应管小信号等效电路分法与三极管相似。
? 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：具体分析将在第四章中详细介绍。
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
? 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
+
-
? 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?
?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
?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
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 。
? 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 ( of f )GSD S S
2
G S ( of f )
on
1
2 VVI
V
R
线性电阻,
ID/mA
VDS /V0
VDS = VGS –VGS(off)
VGS =0V
-2V
-1,5V
-1V
-0,5V
? 饱和区 (放大区 )
特点：
ID只受 VGS控制，而与 VDS近似无关。
ID/mA
VDS /V0
VDS = VGS –VGS(off)
VGS =0V
-2V
-1,5V
-1V
-0,5V
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。
? 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 /V0
VDS = VGS –VGS(off)
VGS =0V
-2V
-1,5V
-1V
-0,5V
?造成 ID剧增。
VGS 越负 ?则 VGD 越负 ?相应 击穿电压 V(BR)DS越小
? 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 /V0
IDSS
(N沟道 JFET)
ID/mA
VGS /V0
IDSS
VGS(off)
(P沟道 JFET )
VGS=0 时对应的 ID 值 ? 饱和漏电流 IDSS。
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
)(
)1(
o ffGS
GS
D S SD V
VII ??
得
D S S
DQ
m0
D S S
DQ
G S ( of f )
D S S
Q
GS
D
m
2
I
Ig
I
I
V
I
v
ig ???
?
??
? 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
? 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
? 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
? 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
? 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 = I2V
1 + 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。
3.3 场效管应用原理
3.1 MOS场效应管
第三章 场效应管
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
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 。
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
? 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。
? 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
? 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 ?→ 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
- +
?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。
? 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
VDS0 V
GS –VGS(th)
VGS一定
曲线形状类似三极管输出特性。
? 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：
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 ) V
GS = 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。
? 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,VDS??ID近似线性 ?，表现为一种电阻特性；
ID/mA
VDS /V0
VDS = VGS –VGS(th)
VGS =5V
3.5V
4V
4.5V
当 VDS为常数时,VGS ??ID ?，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。
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）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 )GS
OXn )( VVV
l
WC ?? ?
? 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 /V0
VDS = VGS –VGS(th)
VGS =5V
3.5V
4V
4.5V
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 。
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
? 截止区
特点：
相当于 MOS管三个电极断开。
ID/mA
VDS /V0
VDS = VGS –VGS(th)
VGS =5V
3.5V
4V
4.5V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。
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。
? NEMOS管转移特性曲线
VGS(th) = 3V VDS = 5V
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 /V0
VDS = VGS –VGS(th)
VGS =5V
3.5V
4V
4.5V
VDS = 5V
ID/mA
VGS /V0 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） 。
? 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 ? ?
? P沟道 EMOS管
+ -VGS
VDS+ -
S
G U
D
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。
ID
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 沟道线是实线
? NDMOS管 伏安特性
ID/mA
VDS /V0
VDS = VGS –VGS(th)
VGS =1V
-1,5V
- 1V
-0,5V
0V
0,5V
-1,8V
ID/mA
VGS /V0VGS(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。
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
VGS0 VGS(th)
ID
VGS0VGS(th)
ID
VGS0VGS(th)
ID
VGS0VGS(th
)
? 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 ?? ?
? 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 ?? ?
? 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?
+
-
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
ic
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。
)/(1 CQce Ir ??与三极管 输出电阻表达式 相似。
)/(1 DQds Ir ??
rb?e rce
b c
e
ib ic
+
- -
+v
be vceg
mvb?e
?MOS管 跨导
Q
GS
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
三极管 跨导
CQ
eQEB
C 5.38 I
rv
ig
m ???
??
?
?
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。
? 计及衬底效应的 MOS管简化电路模型
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
mQ
us
D
mu gv
ig ??
?
??
?为常数,一般 ? = 0.1~ 0.2
? MOS管高频小信号电路模型
当高频应用, 需计及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
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
? 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：
2
G S ( th )GSOXD )(2 VVl
WCI ?? ?
例 1 已知 ?nCOXW/(2l)=0.25mA/V2,VGS(th)= 2V,求 ID
解,假设 T工作在放大模式
VDD (+20V)
1.2M?
4k?
T
S
RG1
RG2
RD
RS0.8M?
10k?
G
ID
SD
G2G1
DDG2
SGGS RIRR
VRVVV ?
????
2
G S ( t h )GS
OX
D )(2 VVl
WCI ?? ?
带入已知条件解上述方程组得：
ID= 1mA
VGS= 4V 及
ID= 2.25mA
VGS= -1V（舍去）
VDS= VDD-ID （ RD + RS） = 6V因此
验证得知,VDS > VGS–VGS(th),VGS > VGS(th),假设成立。
? 小信号等效电路法
场效应管小信号等效电路分法与三极管相似。
? 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：具体分析将在第四章中详细介绍。
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
? 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
+
-
? 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?
?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
?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
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 。
? 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 ( of f )GSD S S
2
G S ( of f )
on
1
2 VVI
V
R
线性电阻,
ID/mA
VDS /V0
VDS = VGS –VGS(off)
VGS =0V
-2V
-1,5V
-1V
-0,5V
? 饱和区 (放大区 )
特点：
ID只受 VGS控制，而与 VDS近似无关。
ID/mA
VDS /V0
VDS = VGS –VGS(off)
VGS =0V
-2V
-1,5V
-1V
-0,5V
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。
? 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 /V0
VDS = VGS –VGS(off)
VGS =0V
-2V
-1,5V
-1V
-0,5V
?造成 ID剧增。
VGS 越负 ?则 VGD 越负 ?相应 击穿电压 V(BR)DS越小
? 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 /V0
IDSS
(N沟道 JFET)
ID/mA
VGS /V0
IDSS
VGS(off)
(P沟道 JFET )
VGS=0 时对应的 ID 值 ? 饱和漏电流 IDSS。
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
)(
)1(
o ffGS
GS
D S SD V
VII ??
得
D S S
DQ
m0
D S S
DQ
G S ( of f )
D S S
Q
GS
D
m
2
I
Ig
I
I
V
I
v
ig ???
?
??
? 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
? 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
? 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
? 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
? 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 = I2V
1 + 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。
