北京航空航天大学电子电路i第一章 14 fet zqv

2026/5/15北京航空航天大学202教研室1BECIBIEICPNDGSBJT场效应管FETJFETGSDMOSFET2026/5/15北京航空航天大学202教研室2内容组织二极管BJTFETNPNPNPJFETMOSNP耗尽增强NPNP1.组成结构2.原理条件,状态3.曲线-大信号曲线表达式4.小信号模型模型等效参数5.参数2026/5/15北京航空航天大学202教研室31.5场效应晶体管（FET）分类：结型场效应管JFET

绝缘栅型FET-金属－氧化物－半导体构成的绝缘栅场效应管MOSFET。1.5.1FET及其分类与BJT区别：

FET：多子导电，单极型晶体管

BJT：多子少子均导电，双极型晶体管。2026/5/15北京航空航天大学202教研室4N基底：N型半导体PP两边是P区G(栅极)S(源极)D(漏极)JFET结构：导电沟道1.5.2JFET的结构、工作原理和特性2026/5/15北京航空航天大学202教研室5NPPG(栅极)S源极D漏极N沟道结型场效应管JFET符号：DGS根据图标判断N或P沟道的方法：①找出沟道；②找到方向2026/5/15北京航空航天大学202教研室6PNNG(栅极)S源极D漏极P沟道结型场效应管JFET符号：DGS2026/5/15北京航空航天大学202教研室7NGSDVDSVGSNNIDVDS=0V时PP但当VGS较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。JFET工作原理（以N沟道为例）：PN结反偏，|VGS|越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。2026/5/15北京航空航天大学202教研室8VDS=0时NGSDVDSVGSPPID|VGS|达到一定值时（夹断电压VGS(off)）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使VDS

0V，漏极电流ID=0A。JFET工作原理（以N沟道为例）：2026/5/15北京航空航天大学202教研室9NGSDVDSVGSPP越靠近漏端，PN结反压越大。IDVDS>0且|VGS|<VGS(off)

、VGD<VGS(off)时耗尽区的形状。JFET工作原理（以N沟道为例）：沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。VGD=

VGS+VSD2026/5/15北京航空航天大学202教研室10JFET工作原理（以N沟道为例）：GSDVDSVGS|VGS|<VGS(off)VGD=VGS(off)时PPIDVDS增大则被夹断区向下延伸。漏端的沟道被夹断，称为预夹断。VGD=

VGS+VSD此时，电流ID由未被夹断区域中的载流子形成，VDS变化时，未夹断区的长度有少量变化，但两端的电压不变，电场强度变化不大，因此ID基本不随VDS的增加而增加，呈恒流特性。2026/5/15北京航空航天大学202教研室11N沟道JFET在vGS=0时的输出特性曲线：电阻区沟道预夹断恒流区击穿区2026/5/15北京航空航天大学202教研室12N沟道JFET，VDS对沟道影响

VDS=0，VGS增加时，沟道变化；

VGS=0，VDS增加时，沟道变化；2026/5/15北京航空航天大学202教研室13N沟道JFET伏安特性曲线(a)转移特性曲线(b)输出特性曲线2026/5/15北京航空航天大学202教研室14转移特性描述的是：vDS一定时，vGS对iD的控制特性。转移特性方程（不考虑沟道长度调制效应）：式中：IDSS

表示饱和漏极电流。是vGS=0，vDS=|VGS(off)|

时的漏极电流。

VGS(off)表示夹断电压。是沟道夹断所需的VGS值。结论：iD和vGS成平方律关系，与BJT的输出特性不同。

转移特性曲线2026/5/15北京航空航天大学202教研室15

输出特性曲线四个区：I区－可变电阻区；

II区－放大区（恒流区）；

III区－截止区；

IV区－击穿区；1.可变电阻区DS极间，预夹断前

的沟道体电阻，该体电阻

值由vGS控制。2026/5/15北京航空航天大学202教研室162.放大区（恒流区）和JFET的大信号特征方程输出特性曲线上接近平直但稍微斜升的区域。IDUDS0VGS=0-1V-3V-4V放大区iD随vDS基本不变，但

受沟道长度调制效应影

响，略呈斜升状。2026/5/15北京航空航天大学202教研室17考虑沟道长度调制效应以后的JFET大信号特性方程：N沟道JFET：P沟道JFET：上面两式适用于JFET（属于耗尽型）工作在恒流区。2026/5/15北京航空航天大学202教研室18关于λ的解释：JFET的各输出特性曲线

（与BJT类似）也可向外

延伸，共vDS轴交于一点

该点电压记做1/λ。

对N沟道JFET，1/λ在

iD－vDS横坐标负轴上。

对P沟道JFET，1/λ在

iD－vDS横坐标正轴上。

λ的典型值为:10－2/V2026/5/15北京航空航天大学202教研室19

结型场效应管的缺点：1.栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。3.栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。绝缘栅场效应管（MOSFET）可以很好地解决这些问题。2.在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。2026/5/15北京航空航天大学202教研室20MOSFET，是由金属（M），氧化物（O），半导体（S）

构成场效应管（FET），故命名为：MOSFET。

MOSFET按照导电沟道的载流子类型可分为N（电子型）

沟道MOSFET（简称NMOS管）和P（空穴型）沟道MOSFET

（简称PMOS管）；按照导电沟道形成机理，NMOS管和PMOS

管有各有增强型（简称E型）和耗尽型（简称D型）两种。因此，就有四种类型的MOSFET，分别叫做：

①E型NMOS管

②D型NMOS管

③E型PMOS管

④D型PMOS管1.4金属-氧化物-场效应晶体管MOSFET2026/5/15北京航空航天大学202教研室21PNNGSDP型基底两个N区SiO2绝缘层导电沟道金属铝GSDE型NMOS管结构图：DGS根据图标判断N或P型的方法：①找出沟道；②找到方向1.4.1MOSFET的结构（增强型N沟道）2026/5/15北京航空航天大学202教研室22PNNGSD预埋了导电沟道GSDD型NMOS管结构图：2026/5/15北京航空航天大学202教研室23NPPGSDN型基底两个P区SiO2绝缘层导电沟道金属铝E型PMOS管结构图：GSD2026/5/15北京航空航天大学202教研室24NPPGSD预埋了导电沟道D型NMOS管结构图：GSD2026/5/15北京航空航天大学202教研室25内容组织二极管BJTFETNPNPNPJFETMOSNP耗尽增强NPNP1.组成结构2.原理条件,状态3.曲线-大信号曲线表达式4.小信号模型模型等效参数5.参数2026/5/15北京航空航天大学202教研室261.4.2MOSFET的工作原理：1.4.2.1vGS的控制作用自由电子受正电荷吸引向上运动

复合掉P型半导体中的空穴，形成空间电荷区vGS增大超过VGS(th)后自由电子的浓度大于空穴浓度，形成N型层（反型层）图1.4.70<vGS<vTH图1.4.8vTH<vGS条件：vDS=02026/5/15北京航空航天大学202教研室27VGS(th)是增强型MOSFET开始形成反型层所需的vGS值，

称为开启电压。对E型NMOS管，VGS(th)为正值，对E型

PMOS管，VGS(th)为负值。

反型层出现后，SD极间出现导电沟道，vGS越大，导电沟

道越厚，载流子浓度越大，导电能力越强，沟道电阻越小。

在满足vDS>(vGS-VGS(th))，且vDS为定值的条件下，vGS通过调节导电沟道电阻值控制iD的值，就是转移特性。

转移特性的考察均是在恒流区！！！P49页(表1)：NMOS为例包括D型和E型2026/5/15北京航空航天大学202教研室28vGS的控制作用-栅源对沟道的影响演示2026/5/15北京航空航天大学202教研室29E型NMOS管的转移特性曲线：PNNGSDUDSUGSvGS越大，导电沟道越厚，电阻越小，iD越大P50页(表1)：E型NMOS转移特性2026/5/15北京航空航天大学202教研室301.4.2.2vDS的控制作用vDS使沟道内产生电位梯度从而使沟道的厚度不均匀。沟通已经产生，条件：vGS>VGS(th)vDS增加到vGS－VGS(th)时，近D端反型层消失，称为预夹断。继续增大vDS，夹断点向S极延伸，夹断点和S极的电压不变。图1.4.90<vDS<vGS-vTH图1.4.10

vDS=vGS-vTH图1.4.11

vDS>vGS-vTH2026/5/15北京航空航天大学202教研室31vDS的控制作用（漏源对沟道的影响演示）

2026/5/15北京航空航天大学202教研室32E型NMOS管的输出特性曲线：I区－线性区

II区－饱和区(恒流区)

III区－截止区IV区－击穿区保持vGS为不同固定值时，得到iD随vDS变化的一族曲线P50页(表1)：E型NMOS输出特性2026/5/15北京航空航天大学202教研室33

耗尽型NMOS管和增强型PMOS管工作原理D型NMOSFET工作原理D型NMOS管

和E型NMOS

管结构基本相

同，区别仅在

于导电沟道事

先存在，在

vGS=0的时候，

iD也不等于0。

当vGS=VGS(off)

时，导电沟道

消失，iD=0。vGS=0时iD>0E型vGS+4结论：①D型-平移关系-E型。转移曲线右移、输出曲线下移。②N、P沟道均一样！（见课本表1。）2026/5/15北京航空航天大学202教研室34E型PMOSFET工作原理E型PMOS管和NMOS管

的vGS和vDS电压极性相

反，iD方向也相反。输出

特性曲线的形状相似输出特性曲线处于第三象限E型NMOSN、P原点对称！D型NMOSD、E平移！总结：①D型-平移关系-E型。②N、P沟道原点对称。(见表1)思考题：画出D型PMOS的转移曲线和输出曲线！2026/5/15北京航空航天大学202教研室351.4.3MOS管的伏安特性曲线和大信号特性方程一、一阶V/I特性（以E型NMOSFET为例）(2)线性区条件：vGS≥VTH,0≤vDS≤(vGS-VTH)电流方程：式中：βn是管子的增益系数，单位为mA/V2式中：μn是NMOS管沟道中电子的迁移率；Cox是

氧化层单位面积电容量；W/L是沟道宽度与长度之比（式1.4.2）

P35(1)截止区条件：vGS<VTH2026/5/15北京航空航天大学202教研室36vDS很小时（例如vDS<0.1V），可简化为：可见，vDS一定时，

iD和vGS成线性关系。这些特性曲线都近似为直线，直线的斜率由vGS控制2026/5/15北京航空航天大学202教研室373.饱和区（恒流区）条件：vGS≥VTH,vDS≥(vGS-VTH)可见iD和vGS成平方率关系。（式1.4.9）参见P37图1.4.16中相应虚线。4.击穿区E型NMOS输出特性2026/5/15北京航空航天大学202教研室38E型PMOSFET的一阶V/I特性(2)线性区条件：|vGS|≥|VTH|,0≤|vDS|≤|vGS|-|VTH|式中：μp是PMOS管沟道中空穴的迁移率；Cox是

氧化层单位面积电容量；W/L是沟道宽度与长度之比（式1.4.11）（式1.4.12）(1)截止区条件：|vGS|<|VTH|(2)饱和区条件：|vGS|≥|VTH|,|vDS|≥|vGS|-|VTH|2026/5/15北京航空航天大学202教研室39与和JFET相同的是，IDSS和VGS(off)是描述它们特性的重要

参数。JFET和D型NMOS管都是耗尽型，故用相同的符号

VGS(off)表示夹断电压。增强型管用VGS(th)表示开启电压。D型NMOSFETD型PMOSFET2026/5/15北京航空航天大学202教研室40四种MOS的关系：曲线关系！E型PMOS。输出特性曲线处于第三象限E型NMOSN、P原点对称！D型NMOSD、E平移！思考题：四种MOS管的表达式有何关系？课后整理成表格形式！2026/5/15北京航空航天大学202教研室41二、二阶效应

在vBS≠0的情况下，vBS对导电沟道也有一定的控制能力，

这种现象称为体效应或衬底调制效应。vBS通过改变VGS(th)的值改变

iD的值，因而vBS对iD有控制作

用，B极又称为背栅。背栅如：当vBS<0时，加BS间反偏电压，使PN结耗尽区扩展增厚，使得VGS(th)的值增加。1.背栅控制特性2026/5/15北京航空航天大学202教研室422.沟道长度调制效应

饱和区（恒流区）iD随vDS增加而稍有斜升（式1.4.19）P40式中：λ是沟道调制系数，典型值为0.01V-1条件：vGS≥VTH,vDS≥(vGS-VTH)2026/5/15北京航空航天大学202教研室431.4.4aFET的小信号模型JFET的小信号模型(补充)小信号条件：Vgsm≤0.1VGS(off)式中：gm是JFET在小信号下工作在放大区时的正向传输跨导。

rds是JFET在放大区的小信号输出电阻。2026/5/15北京航空航天大学202教研室44式中：gm0是VGS=0时的跨导。可见，gm是IDSS、VGS(off)和静态工作电流ID决定的。若：ID=1mA，设λ=0.01V－1

则rds=100kΩ因PN结反偏，rgs数值非常大，108～1012Ω2026/5/15北京航空航天大学202教研室45JFET的低频小信号模型：栅源电阻非常大，可近似认为开路数值上为gmvgs的受控电流源输出电阻，沟道长度调制效应引起。2026/5/15北京航空航天大学202教研室461.4.4MOSFET的小信号等效模型2026/5/15北京航空航天大学202教研室47饱和区（恒流区）增大gm的方法：增大工艺参数W/L和工作电流ID一、跨导gm忽略沟道长度调制效应2026/5/15北京航空航天大学202教研室48线性区一、跨导gm2026/5/15北京航空航天大学202教研室49（式1.4.25）

P42式中：ID0称为特征电流。