模拟电子线路3.1 MOS场效应管

3.1MOS场效应管P沟道（PMOS）

N沟道（NMOS）

P沟道（PMOS）

N沟道（NMOS）

MOSFET增强型（EMOS）

耗尽型（DMOS）

Metal-OxideSemiconductorFieldEffectTransistor

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，或简称MOS场效应管。特点：输入电阻可达109以上。VGS=0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；VGS=0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。N沟道MOS管与P沟道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。3.1.1增强型MOS场效应管N沟道EMOSFET结构示意图N+N+P+P+PUSGD源极漏极衬底极SiO2绝缘层金属栅极P型硅衬底SGUD电路符号l沟道长度W沟道宽度源极S(Source)漏极D（Drain）衬底引线U栅极G(Gate)N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图

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

N沟道EMOS管工作原理栅衬之间相当于以SiO2为介质的平板电容器。

绝缘栅场效应管利用VGS

来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流ID。工作原理分析：(1)VGS=0

漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。SUD

N沟道EMOSFET沟道形成原理

假设VDS=0，讨论VGS作用VGG(2)

VDS=0，0<VGS<VGS(th)

当栅极加有电压时，若0＜VGS＜VGS(th)时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流ID。(3)

VDS=0，VGS≥VGS(th)

进一步增加VGS，当VGS＞VGS(th)时（称为开启电压)，此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层。VGGVGS升高，N沟道变宽。因为VDS=0，所以ID=0。VGS(th)为开始形成反型层所需的VGS，称开启电压。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VDS对沟道的控制（假设VGS>VGS(th)

且保持不变）VDS很小时

→

VGDVGS。此时沟道深度近似不变，即Ron不变。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。PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+

当VDS增加到使VGD=VGS(th)时→A点出现预夹断

若VDS继续→A点左移→出现夹断区此时VAS=VAG+VGS=-VGS(th)+VGS（恒定）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：PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+APP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+AVDS→ID基本维持不变。

若考虑沟道长度调制效应则VDS→沟道长度l→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。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。

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，从而改变感生沟道的宽窄，控制漏极电流ID。MOSFET工作原理：

由于MOS管栅极电流为零，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：

伏安特性+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。

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/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。

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。

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/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（又称放大区）对应三极管的放大区。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

截止区特点：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。

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。

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/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）。

衬底效应

集成电路中，许多MOS管做在同一衬底上，为保证U与S、D之间PN结反偏，衬底应接电路最低电位（N沟道）或最高电位（P沟道）。若|VUS|-+VUS耗尽层中负离子数因VGS不变（G极正电荷量不变）IDVUS

=0ID/mAVGS/VO-2V-4V根据衬底电压对ID的控制作用，又称U极为背栅极。PP+N+N+SGDUVDSVGS-+-+阻挡层宽度表面层中电子数

P沟道EMOS管+-

VGSVDS+-SGUDNN+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。ID3.1.2耗尽型MOS场效应管SGUDIDSGUDIDPP+N+SGDUN+N沟道DMOSNN+P+SGDUP+P沟道DMOS

DMOS管结构VGS=0时，导电沟道已存在沟道线是实线

NDMOS管伏安特性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。3.1.3四种MOS场效应管比较

电路符号及电流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOS

转移特性IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)

饱和区（放大区）外加电压极性及数学模型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。

饱和区数学模型与管子类型无关

临界饱和工作条件

非饱和区（可变电阻区）工作条件|VDS|=|VGS–VGS(th)||VGS|>|VGS(th)|，|VDS|>|VGS–VGS(th)||VGS|>|VGS(th)|，

饱和区（放大区）工作条件|VDS|<|VGS–VGS(th)||VGS|>|VGS(th)|，

非饱和区（可变电阻区）数学模型FET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，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+-3.1.4小信号电路模型MOS管简化小信号电路模型(与三极管对照)

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+--+vbevcegmvbeMOS管跨导利用得三极管跨导

通常MOS管的跨导比三极管的跨导要小一个数量级以上，即MOS管放大能力比三极管弱。

计及衬底效应的MOS管简化电路模型

考虑到衬底电压vus对漏极电流id的控制作用，小信号等效电路中需增加一个压控电流源gmuvus。gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-gmuvusgmu称背栅跨导，工程上为常数，一般=0.1~0.2MOS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

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。3.1.5MOS管电路分析方法

场效应管估算法分析思路与三极管相同，