电子电路：第三章 场效应管

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1.

场效应管放大器(FET)

场效应管有两大类：结型场效应管(简称JFET)和绝缘栅型场效应管(简称IGFET或MOS)，每类又分N沟道和P沟道，绝缘栅型场效应管又分增强型(E型)和耗尽型(D型)，具体分法如下：场效应管全部用硅材料制造。3.1MOS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+PUSGD3.1.1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SGUD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)PP+N+N+SGDUVDS-+-+

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PP+N+N+SGDUVDS=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>>pVGS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

→

VGDVGS。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。PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+PP+N+N+SGDUVDS-+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：PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+APP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+AVDS→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：IDVDS0VGS–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)VDS=常数转移特性：ID=f

(VDS)VGS=常数输出特性：

伏安特性+TVDSIG0VGSID+--

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，VDSID近似线性，表现为一种电阻特性；ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V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。

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：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。

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/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V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：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/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V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：TD2D1D1D2一方面限制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)=3VVDS

=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/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5VVDS

=5VID/mAVGS/V012345

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）IDVUS

=0ID/mAVGS/VO-2V-4V根据衬底电压对ID的控制作用，又称U极为背栅极。PP+N+N+SGDUVDSVGS-+-+阻挡层宽度表面层中电子数

P沟道EMOS管+-

VGSVDS+-SGUDNN+P+SGDUP+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。ID3.1.2耗尽型MOS场效应管SGUDIDSGUDIDPP+N+SGDUN+N沟道DMOSNN+P+SGDUP+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/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=1V-1.5V-1V-0.5V0V0.5V-1.8VID/mAVGS/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SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOS

转移特性IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(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

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，IG0。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。SGDIDVGSSDGIDIG0ID(VGS)+-VBE(on)ECBICIBIB+-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)

gmvgsrdsgdsicvgs-vds++-

rds为场效应管输出电阻：

由于场效应管IG0，所以输入电阻rgs。而三极管发射结正偏，故输入电阻rbe较小。与三极管输出电阻表达式相似。rbercebceibic+--+vbevcegmvbeMOS管跨导利用得三极管跨导

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。

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。gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-gmuvusgmu称背栅跨导，工程上为常数，一般=0.1~0.2MOS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。gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-CdsCgdCgs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：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)1.2M4kTSRG1RG2RDRS0.8M10kGID带入已知条件解上述方程组得：ID=1mAVGS=4V及ID=2.25mAVGS=-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SGDSGDP+P+NGSDN沟道JFETP沟道JFETN+N+PGSD

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)3.2.1JFET管工作原理P+P+NGSD

+

VGSVDS+-

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=0NGSD

+

VGSP+P+N型沟道宽度沟道电阻RonVDS很小时

→

VGDVGS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）NGSD

+VGSP+P+VDS+-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。

NGSD

+VGSP+P+VDS+-ANGSD

+VGSP+P+VDS+-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伏安特性曲线线性电阻:ID/mAVDS/V0VDS=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/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V数学模型：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/mAVDS/V0VDS=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/mAVGS/V0IDSS

(N沟道JFET)ID/mAVGS/V0IDSSVGS(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VGSSDGIDIG0ID(VGS)+-gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-SIDGD（共源极）（直流电路模型）（小信号模型）利用得

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1.2.3

各种场效应管的特性比较及使用注意事项

各种场效应管的特性比较（讲稿总结）对NFET对PFET+VDD，+ID；VDD，ID。

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上面对各种N沟道FET进行了讨论，根据对偶原理，这些分析也适用于P沟道FET。由于N沟道FET是利用电子导电，P沟道FET是利用空穴导电，故各电极电源和电流极性都要改变。为了便于比较，将各种类型场效应管的转移特性曲线表示在图3.2.7中。

3

主要参数

(1)

夹断电压VP当VDS=10V，ID=50mA时的VGS值。(2)

饱和漏极电流IDSS当VDS=10V，VGS=0V时的ID值。对结型场效应管，IDSS是能输出的最大漏极电流。(3)

最大漏源电压V(BR)DS与VGS有关，VGS愈负，其值愈小。(4)

最大栅源电压V(BR)GS为PN结的反向击穿电压。(5)

直流输入电阻RGS正常运用时PN结反偏，其值可达107W以上。(6)

低频互导(跨导)gm定义为

(3.1.5)它表明了输入栅源电压vGS对输出漏极电流iD的控制能力，相当于转移特性上Q点的斜率，如图3.1.8所示。gm是表征场效应管放大能力的重要参数，单位为mA/V=ms，其值一般为十分之几~几mS(比三极管小一个数量级)。对式(3.1.3)微分，可得

(3.1.6)式中(3.1.7)为VGS=0时的跨导。

例3.1由图3.1.4查得IDSS=10mA，VP=5V，试计算VGS=2V时的gm。解：

(7)

输出电阻rd定义为 类似于三极管的rce，其值一般在几十到几百K。(8)

最大耗散功率PDM定义为 PDM受最高工作温度限制。2、使用注意事项

(1)在MOS管中有的产品将衬底引出(这种管子有四个管脚)可让使用者视电路的需要任意连接。一般来说，对N沟道接低电位，对P沟道接高电位。如果源极的电位很高或很低时，为了减轻源衬间电压对管子导电性能的影响，可将源极与衬底连在一起。(2)各种FET的漏极与源极可以互换使用，但有些MOS管在产品出厂时已将源极与衬底连在一起，这时源极与漏极不能互换。(3)

MOS管的输入电阻很大(>109Ω)，绝缘层很薄，当栅极上感应少量电荷会产生很高的电压将绝缘层击穿，使管子损坏。为了防止MOS管在未使用前损坏，保存时应将各极引线短接，焊接时应将电烙铁外壳接地，焊接完好后才能将短接线去掉。

3、

三极管和场效应管的比较

(1)在三极管中，空穴和自由电子都参与导电，称为双极型器件，用BJT表示；而场效应管只用多子导电，称为单极型器件，用FET表示。由于多子浓度不受外界温度、光照、辐射的影响，在环境变化剧烈的条件下，选用FET比较合适。(2)在放大状态工作时，三极管发射结