场效应管课件

第5章场效应管（FieldEffectTransistor）及其放大器FET：利用电场效应控制其电流的正向受控器件特点：工艺简单，占用芯片面积小，输入阻抗高（107Ω以上）

MOS型（金属-氧化物-半导体Metal-Oxide-SemiconductorFET或MOSFET）结型（JunctionFET，或JFET）分类内容:（1）场效应管的工作原理、特性和模型

（2）场效应管放大器（直流偏置电路，小信号分析）第5章场效应管（FieldEffectTr5.1MOS场效应管增强型(EnhancementMOS或EMOS)耗尽型(DepletionMOS或DMOS)N沟道(Channel)P沟道分类导电类型5.1MOS场效应管N沟道(Channel)分类导电类一、N沟道EMOS场效应管1、结构一、N沟道EMOS场效应管2、工作原理工作条件：PN结必须反偏（含零偏），源极一般与衬底相连，所以VDS必须为正值。工作过程:(1)沟道的形成①2、工作原理(1)沟道的形成①②VGS>0→指向衬底的电场→吸引电子,排斥空穴→空间电荷(b图)②VGS>0→指向衬底的电场→吸引电子,排斥空穴→空间电荷③VGS↑→电子薄层→N+NN+→导电沟道(N)(c图)开始形成沟道的VGS为开启电压—VGS(th)④VGS↑→沟道宽度↑→导电能力↑→ID↑③VGS↑→电子薄层→N+NN+→导电沟道(N)(c(2)VDS对沟道的控制(VGS>VGS(th))①VDS>0(很小),ID随VDS线性增加(2)VDS对沟道的控制(VGS>VGS(th)②VDS↑→沿沟道有电位梯度→近漏极沟道深度变窄→电阻↑→ID上升斜率↓→ID增加缓慢②VDS↑→沿沟道有电位梯度→近漏极沟道深度变窄→电阻↑→VDS↑→VGD↓(VGD=VGS-VDS)→VGD=VGS(th)→近漏极端的电子层消失→沟道预夹断(A)VDS↑→VGD↓(VGD=VGS-VDS)→VGD=VGS④VDS再增大，电压的大部分将降落在夹断区(此处电阻大)，而对沟道的横向电场影响不大，沟道电压也从此基本恒定下来。所以随VDS的增大，ID基本恒定，从此进入恒流区。

(3)沟道长度调制效应VDS↑→A点略左移→沟道长度↓→电阻↓→ID↑(略)④VDS再增大，电压的大部分将降落在夹断区(此处电阻大)，而3.伏安特性(共源)输出特性它与NPN型晶体三极管共发射极的输出特性相似，它也分为恒流区(饱和区)、可变电阻区(非饱和区)、截止区和击穿区。1.非饱和区预夹断前VGS>VGS(th)VDS<VGS-VGS(th)3.伏安特性(共源)1.非饱和区ID同时受VGS、VDS控制μn——沟道电子运动的迁移率；

Cox——单位面积栅极电容；

W——沟道宽度；

l——沟道长度；W/l——MOS管的宽长比。在MOS集成电路设计中，宽长比是一个极为重要的参数。ID同时受VGS、VDS控制μn——沟道电子运动的迁移率；

简化:VDS很小，忽略二次项ID与VDS呈线性→电阻（受VGS控制）简化:VDS很小，忽略二次项ID与VDS呈线性2.饱和区(放大区、恒流区）预夹断后，VGS>VGS(th)VDS>VGS-VGS(th)·曲线平坦，VGS对ID控制能力强。·VDS对ID的控制能力弱。2.饱和区(放大区、恒流区）正向受控作用：VGS控制ID平方律关系→转移特性转移特性曲线主要特点为：(1)当VGS<VGS（th）时，ID=0。(2)当VGS>VGS（th）时，ID>0，VGS越大，ID也随之增大，二者符合平方律关系，正向受控作用：VGS控制ID平方律关系→转移特性转移特性曲线计沟道长度调制效应计沟道长度调制效应3.截止区：VGS≤VGS（th），导电沟道未形成，ID=0。4.击穿区VDS↑→PN结雪崩击穿→ID↑↑VGS过大→SiO2绝缘层的击穿（永久性损坏）3.截止区：VGS≤VGS（th），导电沟道未形成，ID=0二、N沟道耗尽型MOSFET(DepletionNMOSFET)

1、结构增强型N沟道MOSFET在VGS=0时，管内没有导电沟道。而耗尽型则不同，它在VGS=0时就存在导电沟道。因为这种器件在制造过程中，在栅极下面的SiO2绝缘层中掺入了大量碱金属正离子(如Na++或K++)，这些正离子的作用如同加正栅压一样，在P型衬底表面产生垂直于衬底的自建电场，排斥空穴，吸引电子，从而形成表面导电沟道，称为原始导电沟道。P沟道N沟道二、N沟道耗尽型MOSFET(DepletionNMOSFE2、伏安特性输出特性曲线（a）和转移特性曲线（b）2、伏安特性

由于VGS=0时就存在原始沟道，所以只要此时VDS>0，就有漏极电流。如果VGS>0,指向衬底的电场加强，沟道变宽，漏极电流ID将会增大。反之，若VGS<0，则栅压产生的电场与正离子产生的自建电场方向相反，总电场减弱，沟道变窄，沟道电阻变大，ID减小。当VGS继续变负，等于某一阈值电压时，沟道将全部消失，ID=0，管子进入截止状态。相应的VGS称为夹断电压VGS(th)。第5章场效应管课件5.2结型场效应管

结型场效应管(JunctionFieldEffectTransistor)简称JFET，有N沟道JFET和P沟道JFET之分。下图给出了JFET的结构示意图及其表示符号。N沟道P沟道源极和漏极是可以互换的。5.2结型场效应管N沟道P沟道源极和漏极是可以互换的一、工作原理（以N沟道为例）工作条件：PN结反偏（含零偏），VGS为负→VDS为正1、VGS对ID的控制

因为栅源电压为负，PN结反偏，在栅源间仅存在微弱的反向饱和电流，所以栅极电流IG≈0，这就是结型场效应管输入阻抗很大的原因。(a)VGS=0，沟道最宽，ID最大；一、工作原理（以N沟道为例）1、VGS对ID的控制(b)VGS负压增大，沟道变窄，ID减小；当栅源负压VGS加大时，PN结变厚，并向N区扩张，使导电沟道变窄，沟道电导率变小，电阻变大，在同样的VDS下，ID变小；(b)VGS负压增大，沟道变窄，ID减小；当栅源(c)VGS负压进一步增大，沟道夹断，ID=0当|VGS|加大到某一负压值时，两侧PN结扩张使沟道全部消失，此时，ID将变为零。称此时的栅源电压VGS为“夹断电压”，记为VGS（off）。JFET最重要的工作原理：栅源电压VGS的变化，有效地控制漏极电流的变化。

(c)VGS负压进一步增大，沟道夹断，ID=02、VDS对ID的控制（1）VDS＞0（较小）→ID随VDS线性增加（2）VDS↑→沿沟道有电位梯度→近漏极反偏电压最大→PN结↑→沟道宽度↓→电阻↑→ID增加缓慢（a）图2、VDS对ID的控制（1）VDS＞0（较小）→ID随VDS（3）VDS↑→VDG↑→靠近漏区的PN结变厚，当VGD=VGS（off）→沟道在漏极附近被局部夹断(称为预夹断)，如图(b)所示。（4）VDS再增大，电压主要降到局部夹断区，而对整个沟道的导电能力影响不大。所以VDS的变化对ID影响很小。预夹断点：（3）VDS↑→VDG↑→靠近漏区的PN结变厚，当VGD=V二、伏安特性曲线1.非饱和区（可变电阻区）

当VDS很小，VDS<VGS-VGS（off）时，即预夹断前如图(a)所示，VDS的变化直接影响整个沟道的电场强度，从而影响ID的大小。所以在此区域，随着VDS的增大，ID增大很快。受VGS控制的线性电阻二、伏安特性曲线1.非饱和区（可变电阻区）受VGS控制的线2.恒流区（饱和区）

恒流区相当于双极型晶体管的放大区。其主要特征为：当VGSoff<VGS<0时，ID与VGS符合平方律关系，VGS对ID的控制能力很强。转移特性和转移特性曲线（图b）IDSS——饱和漏电流，表示VGS=0且预夹断时的ID值；2.恒流区（饱和区）转移特性和转移特性曲线（图b）IDSS—3.截止区当VGS<VGS(off)|时，沟道被全部夹断，ID=0，故此区为截止区。若利用JFET作为开关，则工作在截止区，即相当于开关打开。4.击穿区随着VDS增大，靠近漏区的PN结反偏电压VDG(=VDS-VGS)也随之增大，PN结雪崩击穿，ID剧增。3.截止区三、各种类型MOS管的符号及特性对比下图给出各种N沟道和P沟道场效应管的符号。各种管子的输出特性形状是一样的，只是控制电压VGS不同。三、各种类型MOS管的符号及特性对比各种场效应管的转移特性和输出特性对比(a)转移特性各种场效应管的转移特性和输出特性对比(b)输出特性各种管子的输出特性形状是一样的，只是控制电压VGS不同。(b)输出特性5.3场效应管放大器一、偏置电路零偏压自偏压分压式分压式偏置适用于各种场效应管；自偏置和零偏置不适用增强型MOS管；零偏压电路热稳定性差。5.3场效应管放大器零偏压自偏压分压式分压式偏置适用于各种分析方法用两种办法确定直流工作点，一种是图解法，另一种是解析法。联立求解，