第三章第一节场效应管

第三章第一节场效应管第一页，共五十六页，编辑于2023年，星期四第三章场效应管第三章前言第一节

MOS场效应管第二节结型场效应管第三节场效应管应用第二页，共五十六页，编辑于2023年，星期四第三章场效应管前言

场效应管(FET)是另一种具有正向受控作用的半导体器件，分MOS场效应管(MOSFET)与结型场效应管(JFET)两种类型。MOSFET与JFET工作原理类似，它们都是利用电场效应控制电流，不同之外仅在于导电沟道形成的原理不同。由于场效应管只有多子参与导电，故常称为单极型器件，相应地，将晶体三极管称为双极型器件。学习本章时，要时刻将声效应管与晶体三极管相对照，这样不仅可以加深对FET工作原理、模型及分析方法的理解，而且还可以找出它们的异同点，便于掌握。第三页，共五十六页，编辑于2023年，星期四教学要求：了解MOS场效应管与结型场效应管的工作原理，重点了解场效应管中预夹断的基本概念。熟悉场效应管的数学模型、直流简化电路模型、曲线模型及小信号电路模型，掌握各种模型的特点及应用场合。熟悉放大模式下各种场效应管的外部工作条件。掌握场效应管放大电路分析方法：估算法及小信号等效电路法。能熟练利用估算法分析电路的直流工作点。熟悉场效应管与三极管之间的异同点。本章3.3节根据教学需要，可作为扩展内容。第四页，共五十六页，编辑于2023年，星期四场效应管：是另一种具有正向受控作用的半导体器件。类型绝缘栅型：MOS场效应管金属——氧化物——半导体P沟道N沟道耗尽型增强型结型N沟道P沟道N沟道P沟道3.1MOS场效应管第五页，共五十六页，编辑于2023年，星期四一、增强型MOS(EMOS)场效应管电路符号GDUS源极漏极栅极衬底第六页，共五十六页，编辑于2023年，星期四N沟道EMOS场效应管结构示意图NDPNPGS耗尽层1、工作原理（1）、导电沟道形成原理：当VDS=VGS=0时结构示意图第七页，共五十六页，编辑于2023年，星期四当

VDS=0，在栅极G与源极S之间外加电压VGS

时：NDPNPGSVGS随着VGS

的增大电场增强第八页，共五十六页，编辑于2023年，星期四NDPNPGSVGS随着VGS

继续增大，电场继续增强NDPNPGSVGS第九页，共五十六页，编辑于2023年，星期四P型半导体，转型为N型半导体，称为反型层。此时如外加VDS电压，将有电流自漏区流向源区。根据结构图看出，反型层的宽窄,可由VGS

的大小来调整。我们将反型层，称为导电沟道，由于反型层是N型半导体，则称为N沟道。NDPNPGSVGS所对应的VGS电压，称为开启电压，用VGS(th)

表示。形成导电沟道时：第十页，共五十六页，编辑于2023年，星期四（2）、VDS对沟道导电能力的控制：当VGS

为一定值，VDS>0时，在VDS的作用下，形成漏极电流ID。NDPNPGSVGSVDS漏极与源极之间，存在着电位差第十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期四BANDPNPGSVGSVDS显然，VD>VA>VG>VB

VGD的大小将沿着沟道而变化，越靠近漏区VGD越小，沟道越窄；越靠近源区VGD越大，沟道越宽。第十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期四当VDS

继续增大，则VGD

相应的减小。直到VGD=VGS(th)

或表示为：或时，靠近漏端的反型层消失。即靠近漏区的沟道被夹断，夹断点A称为预夹断点。ANDPNPGSVGSVDS第十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期四

VDS

继续增大，预夹断点前移，导电沟道变短。ANDPNPGSVGSVDS综合上面的分析，可以画出VGS>VGS(th)

，并且为一定值时，漏极电流ID，随VDS变化的特性。第十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期四(a)、设VDS=0V开始IDVDS0VDS=VGS-VGS(th)当VDS

很小，沟道电阻几乎与VDS

无关，ID随VDS线性增大。(b)、VDS

继续增大，靠近漏区的沟道变窄，沟道电阻增大。ID随VDS增大趋于缓慢。（c）、当时靠近漏区的沟道被夹断，即在A点处。AVDS

继续增大时，第十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期四IDVDS0VDS=VGS(th)A形成漏极指向夹断点的电场，ID几乎不随VDS而变化的恒值。（d）、沟道长度调制效应：预夹断后，继续增大VDS，预夹断点会向源区方向移动，导致沟道长度减小，相应的沟道电阻减小，结果，是ID略有增大。这种效应称为沟道长度调制效应。第十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期四小结:（1）、ENOS场效应管，主要依靠一种载流子多子，参与导电————自由电子。因此，称MOS管为单极型管；而晶体三极管是由多子和少子两种在流子参与导电，可称为双极型管。（2）、通过分析工作原理，可知两个高掺杂的N区与衬底之间的PN结，必须外加反向偏置电压。（3）、电路符号中的衬底箭头方向，是PN结外加正向偏置时的正向电流方向。第十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期四2、伏安特性：输入特性

IG=0输出特性VGS为常数。EMOS管的输出特性曲线ID/mA3.5VVDS/V4.5V4VVGS=5.5V5V0VDS=VGS-VGS(th)

5V10V3V20V15V第十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期四输出特性曲线画分为四个工作区：（1）、非饱和区即

ID

的大小同时受VGS

与VDS

的控制。它们的依存关系为：式中：μn

为自由电子迁移率；Cox

为单位面积的栅极电容量；

l

为沟道长度；W为沟道的宽度。第十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期四当VDS

的值很小时，VDS的二次项可忽略。第二十页，共五十六页，编辑于2023年，星期四ID/mA3.5VVDS/V4.5V4VVGS=5.5V5V0VDS=VGS-VGS(th)

5V10V3V20V15V

VDS

很小时，ID

与VDS

之间呈线性关系。输出特性曲线近似为一组直线：第二十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期四5.5VVDS/mVID/mA3.5V5V4.5V4V0此时，MOS管可看成，阻值受VGS控制的线性电阻器，其阻值用Ron

表示。表明越小，Ron

越大。第二十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期四（2）、饱和区：即若忽略沟道长度调制效应，则可令：代入得漏极电流表达式：第二十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期四在饱和区内，ID

受VGS

的控制，而几乎不受VDS

控制。DID(VGS)SGVGSID

第二十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期四ID

受VGS

的控制关系可用转移特性曲线来描述ID/mA3.5V4.5V4VVGS=5.5V5V0VDS=VGS-VGS(th)

5V10V3V20V15VVDS/VVGS/V33.544.555.5ID/mA0第二十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期四若计入沟道长度调制效应，则可利用厄尔利电压VA

加以修正令称为沟道长度调制系数则λ与沟道长度l

有关，l

越小，相应λ就越大。通常第二十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期四小结：

（a）、不论工作在非饱和区或饱和区，只要VGS

和VDS

为定值时，ID

均与沟道的宽长比（W/l）成正比。（b）、当温度升高时，迁移率μn

减小，而引起ID

下降；同时，衬底中少子自由电子浓度增大，而引起VGS(th)减小，从而使ID

增大，当ID

不太小时，前者影响一般大于后者，结果，ID

具有随温度升高，而下降的负温度特性。（3）、截止区和亚阈区：截止区即

VGS<VGS(th)

时，

ID=0

。实际上，VGS≤VGS(th)

时，ID

不会发生突变到零值，只是其值很小，在μA数量级，一般可忽略不计。第二十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期四亚阈区：ID

很小，管子进入VGS(th)

附近区域内，确定范围内。可以称为弱反型层区。在这个工作区内，ID

与VGS

之间服从指数规律变化。100mVVGSVGS(th)100mV0ID第二十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期四（4）、击穿区：(a)、VDS

增大到足以使漏区与衬底之间的PN结引发雪崩击穿时ID

迅速增大，管子进入击穿区。(b)、还会发生类似晶体管中的穿通击穿。(c)、栅源电压VGS

过大，而引发绝缘层的击穿。第二十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期四3、衬底效应：

ANDPNPGSVGSVDSUVUS对EMOS管来说，为了让管子能正常工作，必须保证衬底与源区、漏区之间的PN结反向偏置，衬底必须接在电路的最低电位上。当源极与衬底不能相连接时，就会存在一个负值电压VUS。第三十页，共五十六页，编辑于2023年，星期四当负值衬底电压VUS

衬底中的空间电荷区向底部扩展空间电荷区的负离子数增多由于VGS不变导电沟道中自由电子减少沟道电阻增大ANDPNPGSVGSVDSUVUSID

减小第三十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期四VGS(V)ID(mA)VUS=0-4V-2V5.5V0VGS(V)ID(mA)VUS=0VUS=-4VVUS=-2V0第三十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期四4、P沟道EMOS场效应管

电路符号GD

US源极漏极栅极衬底PDNPNGSVGSVDS第三十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期四（1）、非饱和区：（2）、饱和区：（3）、截止区：（4）、衬底电压即为正值。第三十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期四二、耗尽型MOS场效应管（DMOS）

结构示意图

NDPNPGSUND漏极U衬底G栅极S源极电路符号N沟道DMOS场效应管第三十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期四PDNPNGSPUD漏极U衬底G栅极S源极电路符号P沟道DMOS场效应管第三十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期四

2、伏安特性：

以N沟道DMOS管为例ID/mA-1.5V-0.5V-1VVGS=0.5V0V0VDS=VGS-VGS(th)

510-1.8V2015VDS/VVGS=1VID/mA-2-1VGS/V00.51第三十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期四第三十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期四四、小信号电路模型1、MOS管（EMOS、DMOS）的衬底与源极相连，并且工作在饱和区条件下。设在直流量上叠加很小的交流量，则有设取

vGS、vDS

为自变量，iG、iD

分别为vGS、vDS的非线性函数输入回路输出回路用幂级数在Q点上对交流量展开，得第三十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期四高次项设交流量很小，高次项可忽略。并且令则有式中

gm

为跨导gds

为输出电导令rds

为输出电阻第四十页，共五十六页，编辑于2023年，星期四根据此方程，可以画出小信号等效电路模型1/gdsgmvgsvgsSDGvds

rdsgmvgsvgsSDGvds第四十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期四计算gm

、gds

因为

第四十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期四所以代入上式第四十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期四通常第四十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期四所以上式可简化为：2、若考虑MOS管（EMOS、DMOS）的衬底与源极不相连时，还存在着vUS

的影响，即则回路方程第四十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期四令称为衬底跨导，表示vus

对id

的控制能力工程上，其值可近似的表示为式中，η为常数，一般为0.1~0.2。第四十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期四根据电路方程画等效电路：

rdsgmvgsvgsSDGvdsgmuvus第四十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期四在考虑高频应用时，还必须计入MOS管极间电容的影响。等效电路为：

rdsgmvgsvgsSDGvdsgmuvusCduCdsCusCguCgsCgdUCgs

为栅源之间的电容；Cgd

为栅漏之间的电容；Cdu

和Csu

分别为漏区与称底和源区与衬底之间PN结的势垒电容；Cgu

为栅极与衬底之间的电容。第四十八页，共