各种场效应管的原理和特性曲线讲解

关于各种场效应管的原理和特性曲线讲解第三章场效应管3.0概述

场效应管是一种利用电场效应来控制电流的半导体器件,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）。

场效应管受温度的影响小（只有多子漂移运动形成电流）第2页,共36页，2024年2月25日，星期天一、场效应管的种类第三章场效应管按结构不同分为绝缘栅型场效应管MOSFET结型场效应管JFETP沟道N沟道P沟道N沟道P沟道N沟道MOSFET（按工作方式不同）耗尽型（DMOS）增强型（EMOS）

沟道：指载流子流通的渠道、路径。N沟道是指以N型材料构成的区域作为载流子流通的路径；P沟道指以P型材料构成的区域作为载流子流通的路径。第3页,共36页，2024年2月25日，星期天第三章场效应管二、场效应管的结构示意图及其电路符号

JFET结构示意图及电路符号SGDSGDP+P+NGSDN沟道JFETP沟道JFETN+N+PGSD返回第4页,共36页，2024年2月25日，星期天耗尽型场管的结构示意图及其电路符号第三章场效应管SGUDIDSGUDIDPP+N+SGDUN+N沟道DMOSNN+P+SGDUP+P沟道DMOS

DMOS管结构VGS=0时，导电沟道已存在返回第5页,共36页，2024年2月25日，星期天第三章场效应管增强型场管的结构示意图及其电路符号PP+N+N+SGDUNN+P+SGDUP+SGUDSGUD返回第6页,共36页，2024年2月25日，星期天场效应管的电路符号第三章场效应管SGDSGDSGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOSMOS场效应管MOSFET结型场效应管JFET返回总结第7页,共36页，2024年2月25日，星期天总结：第三章场效应管

场效应管的电路符号可知：无论是JFET或是MOSFET，它都有三个电极：栅极G、源极S、漏极D。它们与三极管的三个电极一一对应（其实它们之间的对应关系除了电极有对应关系外，由它们构成的电路的特性也有对应关系，这些我们在第四再给大家讲）：

G---BS---ED----CN沟道管子箭头是指向沟道的，而P沟道管子的箭头是背离沟道的。返回第8页,共36页，2024年2月25日，星期天3.1

场效应管的工作原理第三章场效应管

JFET与MOSFET工作原理相似，它们都是利用电场效应来控制电流，即都是利用改变栅源电压vGS，来改变导电沟道的宽度和高度，从而改变沟道电阻，最终达到对漏极电流iD的控制作用。不同之处仅在于导电沟道形成的原理不同。(下面我们以N沟道JFET、N沟道增强型为例进行分析）

返回第9页,共36页，2024年2月25日，星期天第三章场效应管3.1.1

JFET管工作原理

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)P+P+NGSD

+

VGSVDS+-PN结反偏才能有效控制导电沟道的宽度和高度，从而才能有效控制电流。VGS对沟道宽度的影响VDS对沟道宽度的影响返回第10页,共36页，2024年2月25日，星期天第三章场效应管

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Ron

返回第11页,共36页，2024年2月25日，星期天第三章场效应管

VDS对沟道的控制（假设VGS一定）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NGSD

+VGSP+P+VDS+-此时W近似不变即Ron不变VDS对沟道宽度的影响第12页,共36页，2024年2月25日，星期天第三章场效应管

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），

VDS的增加主要加在D、A之间形成很强的电场，由S向D行进的多子越过耗尽区到达漏极形成电流NGSD

+VGSP+P+VDS+-ANGSD

+VGSP+P+VDS+-A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。

返回第13页,共36页，2024年2月25日，星期天第三章场效应管

N沟道EMOS管工作原理

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栅衬之间相当于以SiO2为介质的平板电容器。增强型管子沟道形成原理第14页,共36页，2024年2月25日，星期天第三章场效应管

3.1.2N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。反型层返回第15页,共36页，2024年2月25日，星期天第三章场效应管3.2

场效应管的伏安特性曲线（以NEMOSFET为例）

由于场效应管的栅极电流为零，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：+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。NDMOSFET的特性曲线NJFET的特性曲线第16页,共36页，2024年2月25日，星期天输出特性曲线可划分四个区域：

ID只受UGS控制，而与UDS近似无关，表现出类似三极管的正向受控作用。

非饱和区（又称可变电阻区）特点：ID同时受UGS与UDS的控制。ID/mAUDS/V0UDS=UGS–UTUGS=5V3.5V4V4.5VNEMOS管输出特性曲线非饱和区、饱和区、截止区、击穿区。

饱和区（又称恒流区）特点：VGS(th)—开启电压，开始有ID时对应的VGS值

截止区（ID

=0以下的区域）

击穿区IG≈0，ID≈0第一章半导体器件返回第17页,共36页，2024年2月25日，星期天第三章场效应管

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/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V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。（对应三极管的饱和区）

3.2.1NEMOS管输出特性曲线返回第18页,共36页，2024年2月25日，星期天第三章场效应管特点：

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（又称恒流区）对应三极管的放大区。

饱和区饱和区工作时的数学模型返回第19页,共36页，2024年2月25日，星期天第三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返回第20页,共36页，2024年2月25日，星期天第三章场效应管特点：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。

截止区返回返回第21页,共36页，2024年2月25日，星期天第三章场效应管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）

。

3.2.2

NEMOS管转移特性曲线返回第22页,共36页，2024年2月25日，星期天第三章场效应管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。

NDMOS管伏安特性返回第23页,共36页，2024年2月25日，星期天第三章场效应管

NJFET管伏安特性ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5VID=0时对应的VGS值

夹断电压VGS（off）。VGS=0时对应的ID值

饱和漏电流IDSS。PJFET与NJFET的差别仅在于电压极性与电流方向相反在饱和区时的数学模型：返回第24页,共36页，2024年2月25日，星期天第三章场效应管

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

饱和区（放大区）外加电压极性及数学模型结型FET管：VGS与VDS极性相反。MOSFET:JFET:第25页,共36页，2024年2月25日，星期天几种FET管子的转移特性曲线比较:第三章场效应管N沟道：VDS>0ID(mA)VGS(V)VGS(th)VGS(th)VGS(off)VGS(th)VGS(th)VGS(off)P沟道：VDS<0

ID(mA)VGS(V)结型结型耗尽型耗尽型增强型增强型增强型MOS管：

VGS

与VDS

极性相同。耗尽型MOS管：

VGS

取值任意。结型FET管：

VGS与VDS极性相反。返回第26页,共36页，2024年2月25日，星期天第三章场效应管3.3场效应管的使用注意事项

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。第27页,共36页，2024年2月25日，星期天第三章场效应管3.4场效应管的等效电路

3.4.1FET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，ID受VGS控制。三极管输出端等效为流控电流源，满足IC=

IB。SGDIDVGSSDGIDIG0ID(VGS)+-VBE(on)ECBICIBIB

+-具体电路分析小信号等效电路第28页,共36页，2024年2月25日，星期天第三章场效应管例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)1.2M

4k

TSRG1RG2RDRS0.8M

10k

GID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。返回第29页,共36页，2024年2月25日，星期天3.4.2

小信号电路模型第三章场效应管FET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）栅漏极间平板电容简化的小信号等效电路第30页,共36页，2024年2月25日，星期天第三章场效应管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+--+vbevceβibMOS管简化小信号电路模型(与三极管对照)

返回gm的含义第31页,共36