第三章第一节场效应管

电子线路线性部分（第四版）新疆大学信息科学与工程学院电子系课件制作：地里木拉提.吐尔逊许植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。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。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场效应管一、增强型MOS(EMOS)场效应管电路符号GDUS源极漏极栅极衬底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NDPNPGSVGS随着VGS

继续增大，电场继续增强NDPNPGSVGSP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：（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。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

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。(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，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。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。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。当VDS

的值很小时，VDS的二次项可忽略。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：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。（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：在饱和区内，ID

受VGS

的控制，而几乎不受VDS

控制。DID(VGS)SGVGSID

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。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（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。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。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VGS(V)ID(mA)VUS=0-4V-2V5.5V0VGS(V)ID(mA)VUS=0VUS=-4VVUS=-2V04、P沟道EMOS场效应管

电路符号GD

US源极漏极栅极衬底PD