场效应晶体管全面解析

线性电子电路第三章场效应管主要内容3.0

概述3.1

场效应管的工作原理3.2

场效应管特性曲线3.3场效应管的使用注意事项3.4场效应管的等效电路3.5场效应管电路的分析方法第三章场效应管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）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返回第三章场效应管

VDS对沟道的控制（假设VGS一定）VDS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，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。（对应三极管的饱和区）

3.2.1NEMOS管输出特性曲线返回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: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)1.2M4kTSRG1RG2RDRS0.8M10kGID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。返回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的含义第三章场效应管FET跨导得

通常