电子线性电路第3章场效应管

电子线性电路第3章场效应管2023/5/27电子线性电路第3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。它比BJT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：后述。场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。三极管Ri不高，在许多场合不能满足要求。场效应管是单极型器件（三极管是双极型器件）。FET靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。三极管是两种载流子导电。电子线性电路第3章场效应管

FET优点：输入电阻大（Ri>107Ω～1012Ω）、噪音低、热稳定性好、抗辐射能力强、体积小、工艺简单，便于集成，因此应用广泛。主要用于高输入阻抗放大器的输入级。场效应管：压控电流源器件（ID=gmVGS）。三极管：流控电流源器件（IC=

IB）。FET利用输入回路的电压（电场效应）来控制输出回路电流的器件，故此命名。概述电子线性电路第3章场效应管3.1MOS场效应管P沟道（P-EMOS）

N沟道（N-EMOS）

P沟道（P-DMOS）

N沟道（N-DMOS）

MOSFET增强型（E）

耗尽型（D）

N-MOS管与P-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。JFET结型N沟道P沟道N-JFETP-JFET分类：金属氧化物场效应管（IGFET绝缘栅型）电子线性电路第3章场效应管N+N+P+P+PBSGD3.1.1N沟道增强型MOS场效应管N-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SGBD电路符号l沟道长度W沟道宽度电子线性电路第3章场效应管MOS管外部工作条件:两个PN结反偏。N-EMOS管为：VDS>0

(保证栅漏PN结反偏)。B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)。1、由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管(M-O-S)。2、栅极有SiO2绝缘层，或简称I-G-FET场效应管。电子线性电路第3章场效应管

3.1.1N沟道增强型（EMOS）管说明①MOS管衬底一般与源极相连使用；②栅极和衬底间形成电容。一.工作原理1、沟道形成原理。(1)设VDS=0，当VGS=0时，iD=0。图(a)

3.1绝缘栅型场效应管（MOS管）栅衬之间相当于以SiO2为介质的平板电容器。电子线性电路第3章场效应管(2)当VGS>0时，VGS对沟道导电能力的控制作用。图(b)若VGS>0（正栅源电压）耗尽层，如图(b)所示。(3)开启电压VGS(th)：使沟道刚刚形成的栅源电压。VGS反型层加厚沟道电阻变小。当VGS耗尽层加宽反型层N型导电沟道，如图(C)所示。反型层VGS越大，反型层中n越多，导电能力越强。电子线性电路第3章场效应管2、当VGS>VGS(th)且一定时，VDS对沟道导电能力iD的影响。

VDS

VGD沟道变窄若VGD=VGS(th)预夹断

VDS（假设VGS

>VGS(th)且保持不变）电子线性电路第3章场效应管

VDS夹断区加长，沟道变短

预夹断前：d—s间呈电阻特性

预夹断后：VGD<VGS(th)iD略有增加VDS→ID基本维持不变。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：电子线性电路第3章场效应管3、若考虑沟道长度调制效应则VDS→沟道长度L略→→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。电子线性电路第3章场效应管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（BJT）。

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）导电沟道的宽窄，控制漏极电流ID。MOSFET工作原理：电子线性电路第3章场效应管

总图：N—EMOSFET工作原理电子线性电路第3章场效应管工作原理总结通过上面讨论可以看到(ENMOS)：VGS(th)是沟道刚形成时所需的VGS，与N+和衬底的搀杂浓度,Gate下SiO2的厚度，温度等因素有关；VGS控制MOS管的导电沟道深度，VGS越大，沟道越深，导电能力越强，VGS对沟道电流的控制是MOS管的主要受控作用，也是实现放大器的基础；VGS一定，满足VGS>VGS(th),在VDS<VGSVGS(th)时,随着VDS的增加，由于沟道没有夹断，沟道电阻变化不大，沟道电流呈线性增加，当VDS>VGSVGS(th)时，夹断点到Ｓ的电压不变，沟道长度和形状几乎不变，沟道电流也几乎不变，但考虑沟道长度调制效应，则电流会有略微的上升；NMOS管是依靠多子电子一种载流子导电的，而晶体三极管中有多子和少子两种载流子参与导电；MOS管是对称器件,源漏极可以互换。电子线性电路第3章场效应管3.1.3EMOS场效应特性

一、伏安特性

转移特性曲线输出特性曲线非饱和区：vGS>VGS(th)0<vDS<vGS－VGS(th)

饱和区：vGS>VGS(th)

vDS>vGS－VGS(th)

截止区：iD=0击穿区：vDS过大引起雪崩击穿和穿通击穿，vGS过大引发栅极击穿+TVDSIG0VGSID+--电子线性电路第3章场效应管

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/VOVDS=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。

电子线性电路第3章场效应管数学模型：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。电子线性电路第3章场效应管饱和区特点：

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/VOVDS=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。电子线性电路第3章场效应管数学模型：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电子线性电路第3章场效应管SGDIDVGSSDGIDIG0ID(VGS)+-看成压控电流源电子线性电路第3章场效应管

例在下图所示N沟道EMOS管电路中，已知RG1＝1.2M，RG2＝0.8M，RS＝4k，RD＝10k，VDD＝20V，管子参数为CoxW/(2l)＝0.25

mA/V2，VGS(th)＝2V，试求ID。解

设MOS管工作在饱和区，舍去电子线性电路第3章场效应管截止区特点：相当于MOS管三个电极断开。ID/mAVDS/VOVDS=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。电子线性电路第3章场效应管由于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。电子线性电路第3章场效应管

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/VOVDS=VGS–

VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5VVDS

=5VID/mAVGS/VO12345转移特性曲线中，ID=0时对应的VGS值，即开启电压VGS(th)。电子线性电路第3章场效应管亚阈区：vGSVGS(th)时，iD不会突变到零，但其值很小(A量级)。通常将VGS(th)附近的很小区域(VGS(th)100mV)称为亚阈区或弱反型层区。一般应避免工作在此区域电子线性电路第3章场效应管衬底效应

某些MOS管的源极不能处在电路的最低电位上，则其源极与衬底不能相连，其间就会作用着负值的电压vBS，P型硅衬底中的空间电荷区将向衬底底部扩展，VGS(th)相应增大。因而，在vGS一定时，iD就减小。可见，vBS和vGS一样，也具有对iD的控制作用，故又称衬底电极为背栅极，不过它的控制作用远比vGS小。电子线性电路第3章场效应管

P沟道EMOS管+-VGSVDS+-SGBDNN+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。ID电子线性电路第3章场效应管3.1.4耗尽型MOS场效应管SGUDIDSGUDIDPP+N+SGDUN+N沟道DMOSNN+P+SGDUP+P沟道DMOSDMOS管结构VGS=0时，导电沟道已存在沟道线是实线电子线性电路第3章场效应管

NDMOS管伏安特性ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=1V-1.5V-1V-0.5V0V0.5V-1.8VID/mAVGS/VOVGS(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。电子线性电路第3章场效应管一、直流大信号简化电路模型(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

。SGDIDVGSSDGIDIG0ID(VGS)+-VBE(on)ECBICIBIB+-场效应管等效电路电子线性电路第3章场效应管二、小信号模型

1．饱和区小信号模型

电子线性电路第3章场效应管受控电流源电子线性电路第3章场效应管用戴维宁定理将电流源转换为电压源：电子线性电路第3章场效应管考虑衬底效应：gmb为衬底跨导，也称背栅跨导η为常数，一般为0.1~0.2电子线性电路第3章场效应管高频小信号模型：LOV是根据经验值推导得到的栅极与源极或漏极交叠长度。为栅极与衬底之间电容。分别是漏区与衬底和源区与衬底之间PN结的势垒电容。当源极和衬底相连时，MOS管高频小信号模型可以简化为：源极和衬底相连MOS管截止频率：电子线性电路第3章场效应管2．非饱和区小信号模型

工作于非饱和区的MOS场效应管的低频小信号模型等效为一个电阻

高频小信号模型:电子线性电路第3章场效应管Ｎ沟道：衬底接最低电位，iD为电子电流，

vDS>0，vGS正向增加，iD增加；Ｐ沟道：衬底接最高电位，iD为空穴电流，vDS<0，vGS负向增加，iD增加。二者的大信号和小信号等效模型相同；目前，MOS器件一般采用BSIM3V3模型描述，适用于计算机仿真，该模型已成为一种工业标准。器件小结电子线性电路第3章场效应管四种MOS管比较名称N沟道P沟道EMOSDMOSEMOSDMOS电路符号非饱和区饱和区转移特性电子线性电路第3章场效应管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。

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39电子线性电路第3章场效应管

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：40电子线性电路第3章场效应管例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代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。41电子线性电路第3章场效应管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4章中详细介绍。42电子线性电路第3章场效应管电子线性电路第3章场效应管3.2结型场效应管P沟道JFETN沟道JFET电子线性电路第3章场效应管3.2.1工作原理Ｎ沟道JFET：正常工作时，P+N结反偏，阻挡层主要向低搀杂的Ｎ区扩展，在vDS的作用下形成电流iD。Ｎ搀杂浓度越低，VGS(off)越大（绝对值越小）。随着vDS的增加，近漏端被夹端时，JFET沟道的导电能力受vGS和vDS的控制与MOS相似。非饱和区饱和区沟道未形成沟道形成电子线性电路第3章场效应管3.2.2伏安特性曲线输出特性曲线：一、非饱和区电子线性电路第3章场效应管转移特性曲线二、饱和区计及沟道长度调制效应JFET看作压控电流源

三、截止区四、击穿区vGS<VGS(off)，iD=0随着vDS增加，近漏端PN结发生雪崩击穿，vGS越负，V(BR)DS越小电子线性电路第3章场效应管3.3场效应管应用原理3.3.1有源电阻N沟道EMOS管构成有源电阻：注意区分有源电阻的直流电阻和交流电阻。伏安特性：N沟道DMOS管构成有源电阻：电子线性电路第3章