场效应晶体管全面解析

1、线性电子电路主要内容 场效应管是一种利用电场效应来控制电流的半导体场效应管是一种利用电场效应来控制电流的半导体器件器件, ,也是一种具有正向受控作用的半导体器件。它也是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。大规模集成电路的主要有源器件。 场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。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（场效应管是单极型器件（三极管是双极型器件三极管是双极型器件）。）。 场效应管受温度的影响小（场效应管受温度的影响小（只有多子漂移运动形成电流只

2、有多子漂移运动形成电流）绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOSFET结型场效应管结型场效应管JFETP P沟道沟道N N沟道沟道P P沟道沟道N N沟道沟道P P沟道沟道N N沟道沟道耗尽型（耗尽型（DMOS）增强型（增强型（EMOS） 沟道沟道：指载流子流通的渠道、路径。指载流子流通的渠道、路径。N沟道沟道是指是指以以N型材料构成的区域型材料构成的区域作为载流子流通的路径；作为载流子流通的路径；P沟道沟道指以指以P型材料构成的区域型材料构成的区域作为载流子流通的路径。作为载流子流通的路径。SGDSGDP+P+NGSDN沟道沟道JFETP沟道沟道JFETN+N+PGSDSGUDIDSGUDID

3、PP+N+SGDUN+NN+P+SGDUP+P沟道沟道DMOSq DMOSVGS=0时，导电沟道已存在时，导电沟道已存在PP+N+N+SGDUNN+P+SGDUP+SGUDSGUDSGDSGDSGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOSMOSMOS场效应管场效应管MOSFETMOSFET3.1 场效应管的工作原理场效应管的工作原理P+P+NGSD- + + VGSVDS+ + - -|VGS | |VGS | VGS =VGS (off)若若VDS=0NGSD- + + VGSP+P+N Ron q VDS对沟道的控制对沟道的控制（假设（假设VGS

4、一定一定） VDS很小时很小时 VGD VGS由图由图 VGD = VGS - - VDS因此因此 VDS ID线性线性 若若VDS 则则VGD 近漏端沟道近漏端沟道 Ron增大增大。此时此时 Ron ID 变慢变慢NGSD- + + VGSP+P+VDS+- -此时此时W近似不变近似不变即即Ron不变不变NGSD- + + VGSP+P+VDS+- -ANGSD- + + VGSP+P+VDS+- -A VDS 0 ( (保证栅漏保证栅漏PN结反偏结反偏) )。 U接电路最低电位或与接电路最低电位或与S极相连极相连( (保证源衬保证源衬PN结反偏结反偏) )。 VGS 0 ( (形成导电沟道

5、形成导电沟道) )PP+N+N+SGDUVDS- + - + - +- + VGS栅栅 衬之间衬之间相当相当于以于以SiO2为介质为介质的平板电容器的平板电容器。 假设假设VDS =0，讨论讨论VGS作用作用PP+N+N+SGDUVDS =0- + - + VGSID= f ( VGS )VDS = 常数常数：ID= f ( VDS )VGS = 常数常数：+TVDSIG 0VGSID+- - -输出特性曲线可划分四个区域：输出特性曲线可划分四个区域： ID只受只受UGS控制，而与控制，而与UDS近似无关，表现出类似三极管近似无关，表现出类似三极管 的正向受控作用。的正向受控作用。 q 非饱和

6、区非饱和区（又称可变电阻区）（又称可变电阻区）特点：特点：ID同时受同时受UGS与与UDS的控制的控制。ID/mAUDS /V0UDS = UGS UTUGS =5V3.5V4V4.5V非饱和区非饱和区、饱和区饱和区、截止区截止区、击穿区击穿区。q 饱和区饱和区（又称恒流区）（又称恒流区）特点：特点：VGS(th)开启电压，开始有开启电压，开始有ID时对应的时对应的VGS值值q 截止区截止区（ID =0以下的区域）以下的区域）q 击穿区击穿区IG0，ID02GS(th)GSOXnD)(2VVlWCI特点特点：ID同时受同时受VGS与与VDS的控制的控制。ID/mAVDS /V0VDS = VG

7、S VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5V条件条件：VGS VGS(th) V DS VGS(th) V DS VGSVGS(th)2GS(th)GSOXnD)(2VVlWCIADS2GS(th)GSOXnD1)(2VVVVlWCIDS2GS(th)GSOXn1)(2VVVlWC特点特点：相当于相当于MOS管三个电极断开管三个电极断开。 ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5V沟道未形成时的工作区沟道未形成时的工作区条件条件： VGS 0，VGS 正、负、零均可正、负、零均可。外部工作条件外部工作条件：ID表达式表达式相同相同。ID

8、/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(off)VGS =0V- -2V- -1. 5V- -1V- -0. 5VID = =0 时对应的时对应的VGS值值 夹断电压夹断电压VGS（off） 。VGS= =0 时对应的时对应的ID 值值 饱和漏电流饱和漏电流IDSS。PJFET与与NJFET的差别仅在于电压极性与电流方向相反的差别仅在于电压极性与电流方向相反在饱和区时的在饱和区时的数学模型数学模型：2GS(off)GSDSSD1VVII2GS(th)GSOXD)(2VVlWCI2GS(off)GSDSSD1VVIIN：VDS 0ID(mA)VGS(V)VGS(th)VGS(th)VGS

9、(off )VGS(th)VGS(th)VGS(off )P：VDS VGSVGS(th) ，VGS VGS(th)，假设成立假设成立。q FET管高频小信号电路模型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。用如下高频等效电路模型。gmvgsrdsgdsidvgs- -vds+- -CdsCgdCgs栅源极间栅源极间平板电容平板电容漏源极间电容漏源极间电容（漏衬与（漏衬与源衬之间的势垒电容）源衬之间的势垒电容）栅漏极间栅漏极间平板电容平板电容gmvgsrdsgdsicvgs- -vds+- - rds为为场

10、效应管场效应管输出电阻输出电阻： 由于场效应管由于场效应管IG 0，所以输入电阻所以输入电阻rgs 。而三极管发射结正偏，而三极管发射结正偏，故输入电阻故输入电阻rbe较小较小。)/(1CQceIr与三极管与三极管输出电阻表达式输出电阻表达式 相似相似。)/(1DQdsIrrbercebceibic+- - -+vbevceibq MOS MOS) ) FET跨导跨导QGSDmvigDQOXQGSDm22IlWCvig得得 通常通常MOS管的跨导比三极管的跨导要小一个数管的跨导比三极管的跨导要小一个数量级以上，即量级以上，即MOS管放大能力比三极管弱。管放大能力比三极管弱。(MOSFET(MO

11、SFET管管）DSSDQm0DSSDQGS(off)DSS)(GS(off)DSSQGSDm2)1 (2IIgIIVIVVVIvigoffGSGSQ(JFET(JFET） 场效应管电路分析方法与三极管电路分析方场效应管电路分析方法与三极管电路分析方法相似，可以采用法相似，可以采用估算法估算法分析电路直流工作点；分析电路直流工作点；采用采用小信号等效电路法小信号等效电路法分析电路动态指标。分析电路动态指标。 场效应管估算法分析思路与三极管相同，只是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

12、法分析场效应管电路时，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。一定要注意自身特点。 MOS管截止模式判断方法管截止模式判断方法假定假定MOS管工作在放大模式管工作在放大模式：放大模式放大模式非饱和模式非饱和模式（需重新计算（需重新计算Q点点）N沟道管沟道管：VGS VGS(th)截止条件截止条件a)a)由直流通路写出管外电路由直流通路写出管外电路VGS与与ID之间关系式之间关系式。c)c)联立解上述方程，选出合理的一组解联立解上述方程，选出合理的一组解。d)d)判断电路工作模式判断电路工作模式：若若|VDS| |VGSVGS(th)| 若若|VDS| |VGSVGS(th)| b)b)利用饱和区数学模型利用饱和区数学模型：2GS(th)GSOXD)(2VVlWCI场效应管小信号等效电路分法与三极管相似。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。利用微变等效电路分析交流指标。 画交流通路画交流通路 将将FETFET用小信号电路模型代替用小信号电路模型代替 计