第 3章 场效应管第 3章 场效应管
*1 场效应管：具有正向受控作用的半导体器件。
是单极型晶体管。
*2 场效应管类型：
结型（ JFET）,P沟道,N沟道金属 -氧化物 -半导体型（ MOSFET）：
增强型（ EMOS）,P沟道,N沟道耗尽型（ DMOS）,P沟道,N沟道
MOS场效应管
1 EMOS场效应管（ N沟道）
1） 结构 符号
W
D
G
S
U
U S G D
P+ N+ N+
P
ll
2 工作原理在 VGS作用下,D-S间形成导电沟道；在 VDS作用下,S区电子沿导电沟道进到 D区。
1） VGS =0 VDS＞ 0
由于 U-D极 PN结是反向偏置的，中间 P型衬底基本没有电子，所以
D极和 S极彼此之间有效地绝缘开了。
此时 NMOS管处于截止状态,ID=0。
U S G D
P+ N+ N+
P
VGS
VDS
ID=0
2） VGS ＞ 0 VDS＝ 0
向下的电场将排斥氧化层下面
P型衬底薄层（表面层）中的空穴，使受主负离子露出开始形成耗尽层。可动载流子很少,ID≈0 U S G D
P+ N+ N+
P
VGS
VDS
E
3） VGS ↑ =VGST VDS＝ 0
VGS ↑→表面层感应负电荷 ↑
→耗尽层 ↑→耗尽层上面的表面层内感应自由电子浓度 n↑
空穴浓度 p↓→形成反型层 →
产生导电沟道。
*1 反型条件：
*2 反型层
*3 开启电压 VGST
U S G D
P+ N+ N+
P
VGS
VDS
n
N
n
n
npNn
A
ii
A
22
4） VGS ＞ VGST VDS＞ 0
在 VDS 作用下,ID ＞ 0
5） VGS ＞ VGST VDS↑＞ VGS –VGST
*1 VGS ＞ VGST 时 VDS↑→
靠近漏极的耗尽层 ↑
*2 当 VDS↑＞ VGS –VGST 时，
耗尽层将夹断靠近漏端的导电沟道。 ——夹断
*3 夹断电压,VDS= VGS –VGST
*4 夹断时，漏极到源极之间仍然导电
U S G D
P+ N+ N+
P
VGS
VDS
*5 当 VGS＞ VGST
如果 VDS＜ VGS –VGST,那么 VDS↑→ID↑
如果 VDS＞ VGS –VGST,那么多余的电压降落在耗尽层上,ID 饱和。
饱和区电阻区
ID
VDS
VDS=VGS–VGST ID
VGSVGST
VGS
3 伏安特性
IG=0
1）电阻区
（ 线性区，非饱和区）
条件,VGS＞ VGST
VDS ＜ VGS- VGST
（ VGD＞ VGST）
饱和区电阻区
ID
VDS
VDS=VGS–VGST
D
G
S
U
常数
GSVDSD
VfI
G S TGSoxnD
DS
on
DSG S TGS
oxn
D
DSDDS
DSDSG S TGS
oxn
D
VVWC
l
I
V
R
VVV
l
WC
I
VIV
VVVV
l
WC
I
1
,
2
2
2
成线性关系与小时当
2）饱和区（放大区）
条件,VGS> VGST
VDS ＞ VGS- VGST（ VGD＜ VGST）
*1 忽略沟道长度调制效应，令 VDS = VGS- VGST代入
2
2
2
2
2
G S TGS
oxn
D
DSDSG S TGS
oxn
D
VV
l
WC
I
VVVV
l
WC
I
得
*2 计及沟道长度调制效应
03.0005.0
1
1
2
1
2
2
2
—其中
A
DSG S TGS
oxn
A
DS
G S TGS
oxn
D
V
VVV
l
WC
V
V
VV
l
WC
I
3）截止区条件,VGS＜ VGST 沟道未形成
ID=0
4）击穿区
VDS ↑→D-U间的 PN结击穿 →ID↑↑
* VGS 过大 →SiO2绝缘层击穿 →管子永久损坏。
保护电路
D
G
S
U
* 衬底效应,N（ P）沟道 MOS管衬底必须接在电路的最低（高）电位上。
保证 U-S,U-D间 PN结反偏,
4 P沟道 EMOS场效应管
D
G
S
U
U S G D
N+ P+ P+
N
ID
VDS
ID
VGS= VGST
-
-
-
VGS
IDV
GST
5 耗尽型 MOS（ DMOS）
1) N沟道
D
G
S
U
U S G D
P+ N+ N+
P
ID
N
VDS (V)
ID (mA)
VGS=0
-0.5
-1.5
0.5
1.5
1.5
VGS (V)
ID (mA)
1.5
VGST
VGST
2） P沟道
D
G
S
U
U S G D
P+N+ P
ID
N
P+
VGS=0
VGS=+
VGS=-
VDS
ID
ID
VGSVGST
6 小信号电路模型（工作在放大区）
dsdsgsmds
Q
DS
D
gs
Q
GS
D
DQDd
ds
Q
DS
D
gs
Q
GS
D
DQDSGSD
dDQDG
dsD S QDSgsG S QGS
vgvgv
v
i
v
v
i
Iii
v
v
i
v
v
i
Ivvfi
iIii
vVvvVv
,
0
rds
μνgsvgs vds
g d
s
rds
gmνgs
vgs
g d
s
vds μ= gm rds
饱和区（放大区）
D S QDQ
oxn
DSG S TGS
oxn
DS
oxn
D S QG S TG S Q
oxn
Q
GS
D
m
DSG S TGS
oxn
D
VI
l
WC
VVV
l
WC
V
l
WC
VVV
l
WC
v
i
g
VVV
l
WC
I
1
2
2
1
2
1
2
2
1
1
2
2
2
D S Q
DQ
DS
DS
G S TG S Q
oxn
G S TG S Q
oxn
Q
DS
D
ds
DSG S TGS
oxn
D
V
I
V
V
VV
l
WC
VV
l
WC
v
i
g
VVV
l
WC
I
1
1
1
1
2
2
若 U-S间不连接，且存在交流量
m
QUS
D
mu
mumudsdsgsmd
usUSUS
g
v
i
g
vgvgvgi
vVv
rds
gmνgs
vgs
g d
s
vds rdsg
mνgs
vgs
g d
s
vds
gmuνus
id
id
。试求管子参数为
，，
，电路中，已知沟道：例
D
G S T
oxn
DD
DSG
G
I
VV
V
mA
l
WC
VV
RRR
RE M O SN
2,25.0
2
,20
1048.0
2.11
2
2
1
VG
VS
7 分析方法 VDD
RG1
RG2
RD
RS
管工作在饱和区，则设解：
M O S
IRIVVVV
VV
RR
R
V
I
DDDGSGGS
DD
GG
G
G
G
48
8
0
21
2
管工作在饱和区的假设符合满足不合理，舍去解得
M O S
VVVVV
VRRIVV
VIVmAI
VIVmAI
mAImAI
II
IVV
l
WC
I
G S TGSDSG S TGS
SDDDDDS
DGSD
DGSD
DD
DD
DG S TGS
oxn
D
6
4481
14825.2
125.2
0365216
24825.0
2
2
22
例 2：假设一个 N沟道 EMOS场效应管，通过测量得到 VGST=2V,VGS=VDS=5V,ID=3mA。
求饱和出现时 VDS值,VDS=1V时 ID值。
解,1）饱和出现时
VDS= VGS - VGST =5V-2V=3V
VDS>3V时 MOS管饱和
22
2
/33.0
2
)25(
2
3
)(
2
VmA
l
Wc
l
Wc
mA
VV
l
Wc
I
oxnoxn
G S TGS
oxn
D
2）当 VDS=1V（ < VGS - VGST ）时,MOS管在电阻区。
mA
VVVV
l
Wc
I
DSDSG S TGS
oxn
D
65.1]11)25(2[33.0
])(2[
2
2
2
3.2 结型场效应管
1 结构 符号
1） N沟道 JFET
P+ P+NG
S
D
D
S
G
2） P沟道 JFET
N+ N+PG
S
D
D
S
G
2 工作原理
* 工作时,VGS＜ 0，使 G-沟道间的 PN结反偏，
IG=0，场效应管呈现高（ 107Ω）的输入电阻。 VDS＞ 0，使 N沟道中的多子（电子）
在电场作用下由 S→D运动，形成 ID 。
ID的大小受 VGS控制。
1） VGS对 ID的控制作用设 VDS=0
若 a) VGS=0
b) VGS（ off)＜ VGS＜ 0
c) VGS≤ VGS（ off)
VGS（ off):夹断电压
P+ P+NG
S
D
P+ P+NG
S
D
P+ P+G
S
D
N
(a)
(b)
(c)
VGS
VGS
2) VDS对 ID的影响（设 VGS=0）
a） VDS=0
b） 0＜ VDS＜ VGS – VGS（ off)（ VGD＞ VGS（ off))
P+ P+NG
S
D
P+ P+NG
S
D
(a) (b)
ID=0
VDS
ID迅速增大
c） VDS= VGS – VGS（ off)（ VGD= VGS（ off))
d） VDS＞ VGS – VGS（ off)（ VGD＜ VGS（ off))
P+ P+
N
G
S
D
(d)
VDS
P+ P+G
S
D
(c)
VDS
ID趋向饱和 ID饱和
N
*1 结论
1） JFET的 G-沟道之间的 PN结是反向偏置的，因此,IG=0，输入电阻很高。
2） JFET是电压控制电流器件,ID受 VGS控制。
3）预夹断前,ID与 VDS呈近似线性关系；预夹断后,ID趋于饱和。
*2 P沟道 JFET工作时，其电源极性与 N沟 JFET
的电源极性相反。
3 伏安特性
1）电阻区
VGS＞ VGS（ off)
VDS＜ VGS – VGS（ off)
VDS= VGS – VGS（ off)
VDS
ID
时的漏极电流。
的二次项很小时，忽略当
)(
)(
2
)(
2
)()()(
,0:
1
2
)1(12
o f fGSDSGSD S S
o f fGSGSD S S
o f fGS
D
DS
on
DSDS
o f fGS
DS
o f fGS
DS
o f fGS
GS
D S SD
VVVI
VVI
V
I
V
R
VV
V
V
V
V
V
V
II
2) 饱和区
VGS＞ VGS（ off)
VDS＞ VGS – VGS（ off) （ VGD＜ VGS（ off)）
2
)(
)(
1
1
o f fGS
GS
D S SD
o f fGSGSDS
V
V
II
VVV ）代入（令
G D
S
VGS V
DS
ID
VGS
+ +
- -
ID(VGS)
ID
3) 截止区
VGS＜ VGS（ off) ID=0
4）击穿区
VDS≥ V（ BR） DS ID↑↑
V（ BR） DS：漏极击穿电压
A
DS
o f fGS
GS
D S SD
V
V
V
V
II 11
2
)(
考虑沟道长度调制效应
4 小信号电路模型
)(
)(
)()(
2
)(
2
2
1
2
1)1
o f fGS
DSS
mo
DSS
DQ
mo
o f fGS
DQDSS
o f fGS
GSQ
o f fGS
DSS
Q
o f fGS
GS
DSS
GSQGS
D
m
V
I
g
I
I
g
V
II
V
V
V
I
V
v
I
vv
i
g
A
DQ
QDS
D
ds
ds
V
I
v
i
r
g
1
)2
G D
S
vgs v
ds
+ +
- -
gmvgs
id
rds
A
DQ
Q
Ao f fGS
GS
D S S
Q
A
DS
o f fGS
GS
D S S
DS
QDS
D
ds
ds
V
I
VV
v
I
V
v
V
v
I
v
v
i
r
g
1
1
11
1
)2
2
)(
2
)(
5 分析方法采用计算法例 1:已知某 ENMOS器件的参数
VGST=2V,W=100μm,l=10 μm，
μnCox=20μA/V2，
源极电位 VS=0V，栅极电位 VG=3.0V，试确定
VD=0.5V,VD=5V时，器件分别 工作在什么状态，并且计算 ID值 (λ=0)。
解,VGS = VG – VS=3V＞ VGST
当 VD = 0.5V时 VGD = VG – VD=2.5V＞ VGST
器件工作在非饱和区（电阻区）
当 VD = 5V时 VGD = VG – VD=2V< VGST
器件工作在饱和区
AVVVV
l
WcI
DSDSGS TGS
oxn
D?
75.0])(2[
2
2
AVV
l
WcI
G S TGS
oxn
D?
100)(
2
2
例 2:电路如图,N沟道 JFET共源放大器电路,已知
VGS(off)=-3.2V,IDSS=4.5mA,rds=∞.
vs=120sinωt(mV),RS=51KΩ.试求,
1) 静态工作点,
2)场效应管的跨导 gm.
+
-
+
- -
+
vs
vo
VDD
RD
RS
Rg
-1V
+18V
3.9K
2.2M
C1
C2
解,1） IG=0 VGS = VG – VS=-1V＞ VGS（ off）
设 T工作在饱和区（放大区）
2）
VRIVV
mA
V
V
II
DDDDDS
o f fGS
GS
D S SD
7.9
1.2)
2.3
1
1(5.41
2
2
)(
VmAV VV Ig
o f fGS
G S Q
o f fGS
D S S
m /9.11
2)1
)()(
3.3 场效应管应用原理
1 有源电阻
1）用 NEMOS管?
ν
+
-
ν
+
-
为非线性关系饱和时，当满足
vi
Vv
l
WC
Vv
l
WC
i
Tvv
vvv
iivvv
G S T
oxn
G S TGS
oxn
G S TGS
G S TGSDS
DDSGS
~
22
22
R
2）用 NDMOS管
ν
+
-
ν
+
-
R
饱和若满足
）（
T
vvvv
vvv
v
iivv
G S TG S TGSDS
G S TG S TGS
GS
DDS
0
0?
-VGST νDS
D
Q
3 )有源电阻构成分压器
V1
+
-
+
-
V2
I1
I2
T1
T2
VDD
1
1
22
,,,,
1
2
1
2
2
21
2
2
2
2
1
1
21
2121
l
W
l
W
V
l
W
l
W
V
V
VVV
VV
l
WC
VV
l
WC
VCTT
VVVII
G S TDD
DD
G S T
oxn
G S T
oxn
G S Toxn
DD
联立求解则）相同工艺参数（
4） 场效应管作为受 VGS控制的线性电阻当场效应管工作在电阻区时
G S TGSoxn
on
o f fGSGSD S S
o f fGS
on
VVWC
RM O S
VVI
V
RJ F E T
11
1
2
)(
2
)(
2 开关
1）理想开关
2）利用三端器件的开关特性实现开关功能
* 管子工作在电阻区，截止区瞬时完成通断通断
00
0
3
3
onH
o f fL
RKvVV
RKiVV
ν
ν
+ -+ +
- -
V3
ν1 ν2
νI VOR
L
+ +
- -
-5V
VG
a） NEMOST构成模拟开关
vI vOR
L
+ +
- -
-5V
VG
)(
)(
1
)(
1
3
7
5~52
GSGHI
G S TIGHoxn
IGHGS
G S TGSoxn
on
GLG
GHG
IG S T
vVv
VvVWC
l
vVv
VvWC
l
R
M O ST
TVVV
TTVVV
VVvVV
导通电阻截止在电阻区）导通（使时当设
Ron
vI
VGH- VGST
5V
b) CMOS管构成模拟开关
vI vO
RL
+ +
- -
-5V
VG
+5V
VG
导通，且在电阻区，
截止，
设
21
21
21
4~4)
)5(52*
)5(51*
5~5
5
5
11
TTVVva
VVVV
TTVVVV
VVv
VVV
VVV
VVVV
I
GG
GG
I
GLG
GHG
G S TG S T
21
22
2
11
1
)(
1
)(
1
ononon
G S TGSoxn
on
G S TGSoxn
on
RRR
VvWC
l
R
VvWC
l
R
Ron
vI
VGH- VGST
5
Ron1Ron2
4-4-5
小小小导通（且在电阻区）截止，
小小导通（且在电阻区）截止，
21
12
12
21
21
5~5
5~4)
5~4)
onononI
ononon
I
ononon
I
RRRVVv
RRR
TTVVvc
RRR
TTVVvb
3) 应用举例开关电容电路 + +
- -
+
-
S1（ νC1） S2（ νC2）
Cν1 ν2
νC1
νC2 t
tT
ν1 ν2
+ +
- -
R?
)(
.)2
)(
.1
,
1
212
12
211
21
2
21
vvCq
CSS
vvCq
CSS
vC
vv
T
f
放电断闭，
充电断闭，）
原被充电为设
充 放
。小值电容实现大值电阻
。调节一定，调节输出端产生从输入端内，在
2*
1*
1)(
)(
21
21
21
RfC
R
fCC
T
i
vv
T
vvC
T
q
i
iqT
qqq
第三章小结
1 场效应管（ MOS,JFET）结构，工作原理。
（ * N沟道）
2 场效应管（ MOS,JFET）伏安特性，转移特性，电路模型。（ *电阻区，放大区）
3 场效应管（ MOS,JFET）分析方法 ——计算方法。
4 场效应管（ MOS,JFET）应用 ——有源电阻模拟开关。
*1 场效应管：具有正向受控作用的半导体器件。
是单极型晶体管。
*2 场效应管类型：
结型（ JFET）,P沟道,N沟道金属 -氧化物 -半导体型（ MOSFET）：
增强型（ EMOS）,P沟道,N沟道耗尽型（ DMOS）,P沟道,N沟道
MOS场效应管
1 EMOS场效应管（ N沟道）
1） 结构 符号
W
D
G
S
U
U S G D
P+ N+ N+
P
ll
2 工作原理在 VGS作用下,D-S间形成导电沟道；在 VDS作用下,S区电子沿导电沟道进到 D区。
1） VGS =0 VDS＞ 0
由于 U-D极 PN结是反向偏置的，中间 P型衬底基本没有电子，所以
D极和 S极彼此之间有效地绝缘开了。
此时 NMOS管处于截止状态,ID=0。
U S G D
P+ N+ N+
P
VGS
VDS
ID=0
2） VGS ＞ 0 VDS＝ 0
向下的电场将排斥氧化层下面
P型衬底薄层（表面层）中的空穴，使受主负离子露出开始形成耗尽层。可动载流子很少,ID≈0 U S G D
P+ N+ N+
P
VGS
VDS
E
3） VGS ↑ =VGST VDS＝ 0
VGS ↑→表面层感应负电荷 ↑
→耗尽层 ↑→耗尽层上面的表面层内感应自由电子浓度 n↑
空穴浓度 p↓→形成反型层 →
产生导电沟道。
*1 反型条件：
*2 反型层
*3 开启电压 VGST
U S G D
P+ N+ N+
P
VGS
VDS
n
N
n
n
npNn
A
ii
A
22
4） VGS ＞ VGST VDS＞ 0
在 VDS 作用下,ID ＞ 0
5） VGS ＞ VGST VDS↑＞ VGS –VGST
*1 VGS ＞ VGST 时 VDS↑→
靠近漏极的耗尽层 ↑
*2 当 VDS↑＞ VGS –VGST 时，
耗尽层将夹断靠近漏端的导电沟道。 ——夹断
*3 夹断电压,VDS= VGS –VGST
*4 夹断时，漏极到源极之间仍然导电
U S G D
P+ N+ N+
P
VGS
VDS
*5 当 VGS＞ VGST
如果 VDS＜ VGS –VGST,那么 VDS↑→ID↑
如果 VDS＞ VGS –VGST,那么多余的电压降落在耗尽层上,ID 饱和。
饱和区电阻区
ID
VDS
VDS=VGS–VGST ID
VGSVGST
VGS
3 伏安特性
IG=0
1）电阻区
（ 线性区，非饱和区）
条件,VGS＞ VGST
VDS ＜ VGS- VGST
（ VGD＞ VGST）
饱和区电阻区
ID
VDS
VDS=VGS–VGST
D
G
S
U
常数
GSVDSD
VfI
G S TGSoxnD
DS
on
DSG S TGS
oxn
D
DSDDS
DSDSG S TGS
oxn
D
VVWC
l
I
V
R
VVV
l
WC
I
VIV
VVVV
l
WC
I
1
,
2
2
2
成线性关系与小时当
2）饱和区（放大区）
条件,VGS> VGST
VDS ＞ VGS- VGST（ VGD＜ VGST）
*1 忽略沟道长度调制效应，令 VDS = VGS- VGST代入
2
2
2
2
2
G S TGS
oxn
D
DSDSG S TGS
oxn
D
VV
l
WC
I
VVVV
l
WC
I
得
*2 计及沟道长度调制效应
03.0005.0
1
1
2
1
2
2
2
—其中
A
DSG S TGS
oxn
A
DS
G S TGS
oxn
D
V
VVV
l
WC
V
V
VV
l
WC
I
3）截止区条件,VGS＜ VGST 沟道未形成
ID=0
4）击穿区
VDS ↑→D-U间的 PN结击穿 →ID↑↑
* VGS 过大 →SiO2绝缘层击穿 →管子永久损坏。
保护电路
D
G
S
U
* 衬底效应,N（ P）沟道 MOS管衬底必须接在电路的最低（高）电位上。
保证 U-S,U-D间 PN结反偏,
4 P沟道 EMOS场效应管
D
G
S
U
U S G D
N+ P+ P+
N
ID
VDS
ID
VGS= VGST
-
-
-
VGS
IDV
GST
5 耗尽型 MOS（ DMOS）
1) N沟道
D
G
S
U
U S G D
P+ N+ N+
P
ID
N
VDS (V)
ID (mA)
VGS=0
-0.5
-1.5
0.5
1.5
1.5
VGS (V)
ID (mA)
1.5
VGST
VGST
2） P沟道
D
G
S
U
U S G D
P+N+ P
ID
N
P+
VGS=0
VGS=+
VGS=-
VDS
ID
ID
VGSVGST
6 小信号电路模型（工作在放大区）
dsdsgsmds
Q
DS
D
gs
Q
GS
D
DQDd
ds
Q
DS
D
gs
Q
GS
D
DQDSGSD
dDQDG
dsD S QDSgsG S QGS
vgvgv
v
i
v
v
i
Iii
v
v
i
v
v
i
Ivvfi
iIii
vVvvVv
,
0
rds
μνgsvgs vds
g d
s
rds
gmνgs
vgs
g d
s
vds μ= gm rds
饱和区（放大区）
D S QDQ
oxn
DSG S TGS
oxn
DS
oxn
D S QG S TG S Q
oxn
Q
GS
D
m
DSG S TGS
oxn
D
VI
l
WC
VVV
l
WC
V
l
WC
VVV
l
WC
v
i
g
VVV
l
WC
I
1
2
2
1
2
1
2
2
1
1
2
2
2
D S Q
DQ
DS
DS
G S TG S Q
oxn
G S TG S Q
oxn
Q
DS
D
ds
DSG S TGS
oxn
D
V
I
V
V
VV
l
WC
VV
l
WC
v
i
g
VVV
l
WC
I
1
1
1
1
2
2
若 U-S间不连接，且存在交流量
m
QUS
D
mu
mumudsdsgsmd
usUSUS
g
v
i
g
vgvgvgi
vVv
rds
gmνgs
vgs
g d
s
vds rdsg
mνgs
vgs
g d
s
vds
gmuνus
id
id
。试求管子参数为
，，
，电路中，已知沟道：例
D
G S T
oxn
DD
DSG
G
I
VV
V
mA
l
WC
VV
RRR
RE M O SN
2,25.0
2
,20
1048.0
2.11
2
2
1
VG
VS
7 分析方法 VDD
RG1
RG2
RD
RS
管工作在饱和区，则设解：
M O S
IRIVVVV
VV
RR
R
V
I
DDDGSGGS
DD
GG
G
G
G
48
8
0
21
2
管工作在饱和区的假设符合满足不合理，舍去解得
M O S
VVVVV
VRRIVV
VIVmAI
VIVmAI
mAImAI
II
IVV
l
WC
I
G S TGSDSG S TGS
SDDDDDS
DGSD
DGSD
DD
DD
DG S TGS
oxn
D
6
4481
14825.2
125.2
0365216
24825.0
2
2
22
例 2：假设一个 N沟道 EMOS场效应管，通过测量得到 VGST=2V,VGS=VDS=5V,ID=3mA。
求饱和出现时 VDS值,VDS=1V时 ID值。
解,1）饱和出现时
VDS= VGS - VGST =5V-2V=3V
VDS>3V时 MOS管饱和
22
2
/33.0
2
)25(
2
3
)(
2
VmA
l
Wc
l
Wc
mA
VV
l
Wc
I
oxnoxn
G S TGS
oxn
D
2）当 VDS=1V（ < VGS - VGST ）时,MOS管在电阻区。
mA
VVVV
l
Wc
I
DSDSG S TGS
oxn
D
65.1]11)25(2[33.0
])(2[
2
2
2
3.2 结型场效应管
1 结构 符号
1） N沟道 JFET
P+ P+NG
S
D
D
S
G
2） P沟道 JFET
N+ N+PG
S
D
D
S
G
2 工作原理
* 工作时,VGS＜ 0，使 G-沟道间的 PN结反偏，
IG=0，场效应管呈现高（ 107Ω）的输入电阻。 VDS＞ 0，使 N沟道中的多子（电子）
在电场作用下由 S→D运动，形成 ID 。
ID的大小受 VGS控制。
1） VGS对 ID的控制作用设 VDS=0
若 a) VGS=0
b) VGS（ off)＜ VGS＜ 0
c) VGS≤ VGS（ off)
VGS（ off):夹断电压
P+ P+NG
S
D
P+ P+NG
S
D
P+ P+G
S
D
N
(a)
(b)
(c)
VGS
VGS
2) VDS对 ID的影响（设 VGS=0）
a） VDS=0
b） 0＜ VDS＜ VGS – VGS（ off)（ VGD＞ VGS（ off))
P+ P+NG
S
D
P+ P+NG
S
D
(a) (b)
ID=0
VDS
ID迅速增大
c） VDS= VGS – VGS（ off)（ VGD= VGS（ off))
d） VDS＞ VGS – VGS（ off)（ VGD＜ VGS（ off))
P+ P+
N
G
S
D
(d)
VDS
P+ P+G
S
D
(c)
VDS
ID趋向饱和 ID饱和
N
*1 结论
1） JFET的 G-沟道之间的 PN结是反向偏置的，因此,IG=0，输入电阻很高。
2） JFET是电压控制电流器件,ID受 VGS控制。
3）预夹断前,ID与 VDS呈近似线性关系；预夹断后,ID趋于饱和。
*2 P沟道 JFET工作时，其电源极性与 N沟 JFET
的电源极性相反。
3 伏安特性
1）电阻区
VGS＞ VGS（ off)
VDS＜ VGS – VGS（ off)
VDS= VGS – VGS（ off)
VDS
ID
时的漏极电流。
的二次项很小时，忽略当
)(
)(
2
)(
2
)()()(
,0:
1
2
)1(12
o f fGSDSGSD S S
o f fGSGSD S S
o f fGS
D
DS
on
DSDS
o f fGS
DS
o f fGS
DS
o f fGS
GS
D S SD
VVVI
VVI
V
I
V
R
VV
V
V
V
V
V
V
II
2) 饱和区
VGS＞ VGS（ off)
VDS＞ VGS – VGS（ off) （ VGD＜ VGS（ off)）
2
)(
)(
1
1
o f fGS
GS
D S SD
o f fGSGSDS
V
V
II
VVV ）代入（令
G D
S
VGS V
DS
ID
VGS
+ +
- -
ID(VGS)
ID
3) 截止区
VGS＜ VGS（ off) ID=0
4）击穿区
VDS≥ V（ BR） DS ID↑↑
V（ BR） DS：漏极击穿电压
A
DS
o f fGS
GS
D S SD
V
V
V
V
II 11
2
)(
考虑沟道长度调制效应
4 小信号电路模型
)(
)(
)()(
2
)(
2
2
1
2
1)1
o f fGS
DSS
mo
DSS
DQ
mo
o f fGS
DQDSS
o f fGS
GSQ
o f fGS
DSS
Q
o f fGS
GS
DSS
GSQGS
D
m
V
I
g
I
I
g
V
II
V
V
V
I
V
v
I
vv
i
g
A
DQ
QDS
D
ds
ds
V
I
v
i
r
g
1
)2
G D
S
vgs v
ds
+ +
- -
gmvgs
id
rds
A
DQ
Q
Ao f fGS
GS
D S S
Q
A
DS
o f fGS
GS
D S S
DS
QDS
D
ds
ds
V
I
VV
v
I
V
v
V
v
I
v
v
i
r
g
1
1
11
1
)2
2
)(
2
)(
5 分析方法采用计算法例 1:已知某 ENMOS器件的参数
VGST=2V,W=100μm,l=10 μm，
μnCox=20μA/V2，
源极电位 VS=0V，栅极电位 VG=3.0V，试确定
VD=0.5V,VD=5V时，器件分别 工作在什么状态，并且计算 ID值 (λ=0)。
解,VGS = VG – VS=3V＞ VGST
当 VD = 0.5V时 VGD = VG – VD=2.5V＞ VGST
器件工作在非饱和区（电阻区）
当 VD = 5V时 VGD = VG – VD=2V< VGST
器件工作在饱和区
AVVVV
l
WcI
DSDSGS TGS
oxn
D?
75.0])(2[
2
2
AVV
l
WcI
G S TGS
oxn
D?
100)(
2
2
例 2:电路如图,N沟道 JFET共源放大器电路,已知
VGS(off)=-3.2V,IDSS=4.5mA,rds=∞.
vs=120sinωt(mV),RS=51KΩ.试求,
1) 静态工作点,
2)场效应管的跨导 gm.
+
-
+
- -
+
vs
vo
VDD
RD
RS
Rg
-1V
+18V
3.9K
2.2M
C1
C2
解,1） IG=0 VGS = VG – VS=-1V＞ VGS（ off）
设 T工作在饱和区（放大区）
2）
VRIVV
mA
V
V
II
DDDDDS
o f fGS
GS
D S SD
7.9
1.2)
2.3
1
1(5.41
2
2
)(
VmAV VV Ig
o f fGS
G S Q
o f fGS
D S S
m /9.11
2)1
)()(
3.3 场效应管应用原理
1 有源电阻
1）用 NEMOS管?
ν
+
-
ν
+
-
为非线性关系饱和时，当满足
vi
Vv
l
WC
Vv
l
WC
i
Tvv
vvv
iivvv
G S T
oxn
G S TGS
oxn
G S TGS
G S TGSDS
DDSGS
~
22
22
R
2）用 NDMOS管
ν
+
-
ν
+
-
R
饱和若满足
）（
T
vvvv
vvv
v
iivv
G S TG S TGSDS
G S TG S TGS
GS
DDS
0
0?
-VGST νDS
D
Q
3 )有源电阻构成分压器
V1
+
-
+
-
V2
I1
I2
T1
T2
VDD
1
1
22
,,,,
1
2
1
2
2
21
2
2
2
2
1
1
21
2121
l
W
l
W
V
l
W
l
W
V
V
VVV
VV
l
WC
VV
l
WC
VCTT
VVVII
G S TDD
DD
G S T
oxn
G S T
oxn
G S Toxn
DD
联立求解则）相同工艺参数（
4） 场效应管作为受 VGS控制的线性电阻当场效应管工作在电阻区时
G S TGSoxn
on
o f fGSGSD S S
o f fGS
on
VVWC
RM O S
VVI
V
RJ F E T
11
1
2
)(
2
)(
2 开关
1）理想开关
2）利用三端器件的开关特性实现开关功能
* 管子工作在电阻区，截止区瞬时完成通断通断
00
0
3
3
onH
o f fL
RKvVV
RKiVV
ν
ν
+ -+ +
- -
V3
ν1 ν2
νI VOR
L
+ +
- -
-5V
VG
a） NEMOST构成模拟开关
vI vOR
L
+ +
- -
-5V
VG
)(
)(
1
)(
1
3
7
5~52
GSGHI
G S TIGHoxn
IGHGS
G S TGSoxn
on
GLG
GHG
IG S T
vVv
VvVWC
l
vVv
VvWC
l
R
M O ST
TVVV
TTVVV
VVvVV
导通电阻截止在电阻区）导通（使时当设
Ron
vI
VGH- VGST
5V
b) CMOS管构成模拟开关
vI vO
RL
+ +
- -
-5V
VG
+5V
VG
导通，且在电阻区，
截止，
设
21
21
21
4~4)
)5(52*
)5(51*
5~5
5
5
11
TTVVva
VVVV
TTVVVV
VVv
VVV
VVV
VVVV
I
GG
GG
I
GLG
GHG
G S TG S T
21
22
2
11
1
)(
1
)(
1
ononon
G S TGSoxn
on
G S TGSoxn
on
RRR
VvWC
l
R
VvWC
l
R
Ron
vI
VGH- VGST
5
Ron1Ron2
4-4-5
小小小导通（且在电阻区）截止，
小小导通（且在电阻区）截止，
21
12
12
21
21
5~5
5~4)
5~4)
onononI
ononon
I
ononon
I
RRRVVv
RRR
TTVVvc
RRR
TTVVvb
3) 应用举例开关电容电路 + +
- -
+
-
S1（ νC1） S2（ νC2）
Cν1 ν2
νC1
νC2 t
tT
ν1 ν2
+ +
- -
R?
)(
.)2
)(
.1
,
1
212
12
211
21
2
21
vvCq
CSS
vvCq
CSS
vC
vv
T
f
放电断闭，
充电断闭，）
原被充电为设
充 放
。小值电容实现大值电阻
。调节一定，调节输出端产生从输入端内，在
2*
1*
1)(
)(
21
21
21
RfC
R
fCC
T
i
vv
T
vvC
T
q
i
iqT
qqq
第三章小结
1 场效应管（ MOS,JFET）结构，工作原理。
（ * N沟道）
2 场效应管（ MOS,JFET）伏安特性，转移特性，电路模型。（ *电阻区，放大区）
3 场效应管（ MOS,JFET）分析方法 ——计算方法。
4 场效应管（ MOS,JFET）应用 ——有源电阻模拟开关。
