场效应管及其基本电路详解
第七章 场效应管及其基本放大电路
N沟道增强型MOS管的输出特性曲线
7
（3） uDS和uGS同时作用时
uDS一定，uGS变化时 给定一个uGS ，就有一条不同的 iD – uDS 曲线。
iD / mA 预夹断临界点轨迹 uDS = uGS - Uth 可变电阻区 7V
8 6 4 2 0 饱和区 6V 5V 4V uGS = 3V 截止区 0 5 10 15 20 uDS / V
低频跨导：
gm iD u GS
U
DS
夹断区（截止区）
常量
不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。
20
7.3场效应管的分类
工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性
N 沟道 ( u GS ＜ 0， u DS ＞ 0 ) 结型 P 沟道 ( u GS ＞ 0， u DS ＜ 0 ) N 沟道 ( u GS ＞ 0， u DS ＞ 0 ) 场效应管 增强型 P 沟道 ( u GS ＜ 0， u DS ＜ 0 ) 绝缘栅型 N 沟道 ( u GS 极性任意， u DS ＞ 0 ) 耗尽型 P 沟道 ( u GS 极性任意， u DS ＜ 0 )
场效应管工作在恒流区的条件是什么？
17
3. JFET特性
iD / mA 可变电 阻区 -1V 恒流区 -2V -3V -4V -5V 0 (a) 输出特性曲线 夹断区 uDS / V UP -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 uGS / V (b) 转移特性曲线 预夹断轨迹 uGS = 0V iD / mA IDSS
各种场效应管的特性比较（2）
结构类型
工作 方式 增 强 型
电路符号
转移特性曲线
场效应管的工作原理详解
场效应管工作原理MOS场效应管电源开关电路。
这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS 场效应管的工作原理。
MOS 场效应管也被称为MOS FET，既Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor（金属氧化物半导体场效应管）的缩写。
它一般有耗尽型和增强型两种。
本文使用的为增强型MOS场效应管，其内部结构见图5。
它可分为NPN型PNP型。
NPN型通常称为N沟道型，PNP型也叫P沟道型。
由图可看出，对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。
我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。
但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。
为解释MOS场效应管的工作原理，我们先了解一下仅含有一个P—N结的二极管的工作过程。
如图6所示，我们知道在二极管加上正向电压（P端接正极，N端接负极）时，二极管导通，其PN结有电流通过。
这是因为在P型半导体端为正电压时，N型半导体内的负电子被吸引而涌向加有正电压的P型半导体端，而P 型半导体端内的正电子则朝N型半导体端运动，从而形成导通电流。
同理，当二极管加上反向电压（P端接负极，N端接正极）时，这时在P型半导体端为负电压，正电子被聚集在P型半导体端，负电子则聚集在N型半导体端，电子不移动，其PN结没有电流通过，二极管截止。
对于场效应管（见图7），在栅极没有电压时，由前面分析可知，在源极与漏极之间不会有电流流过，此时场效应管处与截止状态（图7a）。
当有一个正电压加在N沟道的MOS场效应管栅极上时，由于电场的作用，此时N型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而涌向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电子聚集在两个N沟道之间的P型半导体中（见图7b），从而形成电流，使源极和漏极之间导通。
场效应管的原理和基础知识
场效应管的原理和基础知识基本概念场效应管是⼀种受电场控制地半导体器件(普通三极管地⼯作是受电流控制地器件).场效应管应具有⾼输⼊阻抗,较好地热稳定性、抗辐射性和较低地噪声.对夹断电压适中地场效应管,可以找到⼀个⼏乎不受温度影响地零温度系数⼯作点,利⽤这⼀特性,可使电路地温度稳定性达到最佳状态.电⼦电路中常⽤场效应管作放⼤电路地缓冲级、模拟开关和恒流源电路.场效应管按结构可分为结型场效应管(缩写为)和绝缘栅场效应管(缩写为),从导电⽅式看,场效应管分为型沟道型与型沟道型.绝缘栅型场效应管有增强型和耗尽型两种,⽽只有耗尽型.⼀、基本结构场效应管是利⽤改变电场来控制半导体材料地导电特性,不是像三极管那样⽤电流控制结地电流.因此,场效应管可以⼯作在极⾼地频率和较⼤地功率.此外,场效应管地制作⼯艺简单,是集成电路地基本单元.场效应管有结型和绝缘栅型两种主要类型.每种类型地场效应管都有栅极、源极和漏极三个⼯作电极,同时,每种类型地场效应管都有沟道和沟道两种导电结构.绝缘栅型场效应管⼜叫做管.根据在外加电压时是否存在导电沟道,绝缘栅场效应管⼜可分为上增强型和耗尽型.增强型管在外加电压时不存在导电沟道,⽽耗尽型地氧化绝缘层中加⼊了⼤量地正离⼦,即使在时也存在导电沟道.沟道绝缘栅型为栅极为源极为漏极衬底结型场效应管地结构与绝缘栅场效应管地结构基本相同,主要地区别在于栅极与通道半导体之间没有绝缘.沟道和沟道结型从场效应管地基本结构可以看出,⽆论是绝缘栅型还是结型,场效应管都是两个背靠背地结.电流通路不是由结形成地,⽽是依靠漏极和源极之间半导体地导电状态来决定地.⼆、电路符号基本参数场效应管地主要技术参数,可分为直流参数和交流参数两⼤类.⼀、夹断电压和开启电压⼀般是对结型管⽽⾔,当栅源之间地反向电压增加到⼀定数以后,不管漏源电压⼤⼩都不存在漏电流.这个使开始为零地电压叫作管⼦地夹断电压⼀般是对管⽽⾔,表⽰开始出现时地栅源电压值.对沟道增强型、沟道耗尽型为正值,对沟道耗尽型、沟道增强型为负值.⼆、饱和漏电流当⽽⾜够⼤时,漏电流地饱和值,就是管⼦地饱和漏电流,常⽤符号表⽰.三、栅极电流当栅极加上⼀定地反向电压时,会有极⼩地栅极电流,⽤符号表⽰.对结型场效应管在之间;对于⽽⾔⼀般⼩于安.正是由于栅极电流极⼩,所以场效应管具有极⾼地阻抗.四、通导电阻五、截⽌漏电流六、跨导七、漏源动态电阻基本特性⼀、转移特性和输出特性⼯程应⽤中最常⽤地是共源极电路地输⼊和输出关系曲线,场效应管地共源极连接是把源极作为公共端、栅极作为输⼊端、漏极作为输出端.由于共源极场效应管地输⼊电流⼏乎为零,因此,其输⼊曲线反映地是栅极电压与漏极电流地关系,叫做转移特性.反映间电压与之间关系地叫做输出曲线.场效应管共源极电路转移特性曲线和输出特性曲线场效应管输出特性有可变电阻(也叫夹断区)、放⼤(也叫恒流区)、截⽌区和击穿区四个⼯作区.这与三极管地饱和、截⽌、放⼤和击穿相似.⼆、截⽌与电阻导通特性场效应管间不导通状态叫做截⽌,此时接近,场效应管没有电流传导地能⼒,相当于开关断开.产⽣截⽌现象地原因,是此时场效应管没有形成导电沟道.场效应管输出特性曲线中与之间呈线性关系地区域叫做电阻区,⼆者之间地关系可近似为其中为导通电阻,⼀般都很⼩.在电阻区,场效应管地之间近似为⼀个不变电阻.⽆论是在电阻区还是截⽌区,场效应管地电流控制能⼒很微弱,这是在应⽤设计中必须⼗分注意地问题.在设计模拟信号电路时,⼀定要使电路⼯作在场效应管地放⼤区,避免进⼊电阻区和截⽌区.在设计开关电路时,要使电路能很快地在电阻和截⽌状态之间转换,避免进⼊放⼤区.使⽤场效应管时,应当注意以下⼏个问题:()为了防⽌栅极击穿,要求⼀切测试仪器、电路本⾝、电烙铁都必须良好接地.焊接时,⽤⼩功率烙铁迅速焊接,或拔去电源⽤余热焊接,并应先焊源极,后焊栅极.()场效应管输送阻抗较⾼,故在不使⽤时,必须将引出线短路,以防感应电势将栅极击穿则不可短路.()要求⾼输⼊阻抗地线路,须采取防潮措施,以免使输⼊阻抗显著降低.()场效应管栅极有地可加正压或负压,⽽常⽤地结型场效应管因是沟道耗尽型,栅极只能加负压.()场效应管地漏极和源极通常制成对称地,除源极和衬底制造时连在⼀起地管⼦外,漏极和源极可互换使⽤.。
场效应管及其基本电路
ri RG R1 // R2
1.0375M
ro=RD=10k
Uo gm U gs (RD // RL )
Au g m R'L
2.6.3 源极输出器
一、静态分析
+UDD R1 150k
D
G S C2
R1 UG U DD 5V R1 R2
绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。
3.2 绝缘栅场效应管: 3.2.1N沟道增强型场效应管
一、结构和电路符号
S
G
D
金属铝
D
两个N区 N N G S
P
P型基底 SiO2绝缘层 导电沟道 N沟道增强型
S
G
D D
N P
予埋了导 电沟道
N
G
S
N 沟道耗尽型
D S
G
D
G
P N
P
S
P 沟道增强型
S
G
漏极输出电阻
场效应管的微变等效电路为：
iD D
G
uDS
ugs
D
gmugs rDS uds
G uGS
S
S G
ugs
D
gmugs uds
很大， 可忽略。
S
场效应管的分压式自偏压放大电路
UDD=20V R1 C1 G RG ui R2 1M 50k S RS 10k 10k RL uo 150k RD 10k C2 D
压VP）,耗 尽区碰到一起，DS 间被夹断，这时，即 使UDS 0V，漏极电 D 流ID=0A。
UDS=0时
ID P N UDS
G
N
UGS
S
越靠近漏端，PN 结反压越大
《模拟电子技术》课件第4章场效应管及其基本放大电路
iD(mA)
vGS=7V vGS=5V
vGS=3V
vDS/V
N沟道增强型MOSFET
3） V-I 特性曲线及大信号特性方程 （1）输出特性
N沟道增强型MOSFET
iD f (vDS ) vGSconst.
① 截止区 当vGS＜VT时，导电沟道尚未形 成，iD＝0，为截止工作状态。 ② 可变电阻区
p+
p+p+ p+
沟道电阻增大。 3）当│vGS│↑到一定值时 ，
VGVGGG VGG
NN N
沟道夹断。
ss
s
当沟道夹断时，对应的栅源电压
vGS称为夹断电压VP 。
N沟道的JFET，VP <01。5
N沟道JFET工作原理
② vDS对iD的影响 （vGS =0）
1）当vDS=0时，iD=0。
2） vDS iD
短由线于表栅示极在未与加源适极当、栅漏压极前漏均极无与电源接极触之，间无故导称电绝沟缘道栅。极。
§4.1 场效应管
一、金属氧化物-半导体（MOS）场效应管 1.N沟道增强型MOSFET
1）结构（N沟道）L ：沟道长度 W ：沟道宽度 tox ：绝缘层厚度 通常 W > L
3
2）工作原理
s 二氧化硅
§4.1 场效应管
场效应管（Field Effect Transistor简称FET）是一
种电压控制器件，工作时，只有一种载流子参与导电，
因此它是单极型器件。
MOSFET 增强型
绝缘栅型场效应管 耗尽型
FET分类：
JFET
N沟道
结型场效应管 P沟道
N沟道 P沟道
N沟道 P沟道
第4章 场效应管及其基本放大电路
恒流区
IDSS/V
G
D S
+
-
VGG
+
V uGS
VDD
-
O
UGS = 0V -1 -2 -3 -4 -5 -6 夹断区 -7 U P 8V
击穿区
uDS /V
特性曲线测试电路
漏极特性
漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。
各类场效应管的符号和特性曲线 种类 结型 耗 尽 N 沟道 型 结型 耗 尽 P 沟道 型 绝缘 增 栅型 强 N 沟道 型 符号
S
S
VGG
(c) UGS ＜UGS(off)
(b) UGS(off) < UGS < 0
（2） 漏源电压uDS 对漏极电流iD的控制作用
uGD ＝ uGS －uDS (a)
P+
D
iD
(b)
D
iD
G
N
P+
VDD
+ P+ GP N
P+
VDD
S iS uGS = 0，uGD > UGS（Off) ，iD 较大。
uDS /V
O
UT 2UT
uGS /V
二、N 沟道耗尽型 MOSFET
制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子， 这些正离子电场在 P 型衬底中“感应”负电荷，形成“反 型层”。即使 UGS = 0 也会形成 N 型导电沟道。 UGS = 0，UDS > 0，产生 较大的漏极电流； UGS < 0，绝缘层中正离 子感应的负电荷减少，导电 沟道变窄，iD 减小； UGS = UP , 感应电荷被 “耗尽”，iD 0。
导电沟道是 N 型的， 称 N 沟道结型场效应管。
场效应管恒流源电路
场效应管恒流源电路
场效应管恒流源电路是一种基础的电路，在现代电子电路中使用广泛，其主要作用是提供恒定的电流输出。
在本文中，将分步骤阐述场效应
管恒流源电路的构成、工作原理和相关应用。
一、电路构成
场效应管恒流源电路由场效应管、电阻和负载组成。
其中场效应管主
要作用是作为功率管，通过调节它的栅极电压来调整输出电流。
电阻
主要作用是提供稳定的电压，确保场效应管的工作。
负载则是电路的
输出部分，它可以是任意的负载，例如LED、音响等。
二、电路工作原理
场效应管恒流源电路的工作原理基于场效应管特有的工作性质。
当场
效应管的栅极电压为负数时，可以让场效应管表现出电流放大器的特性。
此时，当输入电压为负数时，输出电流就会放大。
而当输入电压
为零时，输出电流就是固定的。
因此，通过调节场效应管的栅极电压，就可以调整电路的输出电流。
当输入电压为零时，输出电流可以保持恒定。
三、应用领域
场效应管恒流源电路可以应用在各种电子电路中。
其中一些典型的应
用包括：
1. 电流源：由于恒流源电路输出的电流是固定的，因此它经常用于要
求恒定电流驱动的电子电路。
2. LED驱动器：由于LED需要非常稳定的电流来工作，因此场效应管恒流源电路非常适合作为LED驱动器使用。
3. 音响放大器：电子音响放大器中的功率管常常使用场效应管恒流源电路来保证输出功率的稳定性和可靠性。
总之，场效应管恒流源电路是一种非常基础的电路，可以在各种电子电路中广泛应用。
同时，它也是掌握电子电路基本知识的重要一步。
功率场效应管的结构,工作原理及应用
功率场效应管(MOSFET)的结构,工作原理及应用本文将介绍功率场效应管(MOSFET)的结构、工作原理及基本工作电路。
什么是场效应管(MOSFET)“场效应管(MOSFET)”是英文MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor的缩写，译成中文是“金属氧化物半导体场效应管”。
它是由金属、氧化物(SiO2或SiN)及半导体三种材料制成的器件。
所谓功率场效应管(MOSFET)(Power 场效应管(MOSFET))是指它能输出较大的工作电流(几安到几十安)，用于功率输出级的器件。
场效应管(MOSFET)的结构图1是典型平面N沟道增强型场效应管(MOSFET)的剖面图。
它用一块P型硅半导体材料作衬底(图la)，在其面上扩散了两个N型区(图lb)，再在上面覆盖一层二氧化硅(SiQ2)绝缘层(图lc)，最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔，用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极：G(栅极)、S(源极)及D(漏极)，如图1d所示。
从图1中可以看出栅极G与漏极D及源极S是绝缘的，D与S之间有两个PN结。
一般情况下，衬底与源极在内部连接在一起。
图1是N沟道增强型场效应管(MOSFET)的基本结构图。
为了改善某些参数的特性，如提高工作电流、提高工作电压、降低导通电阻、提高开关特性等有不同的结构及工艺，构成所谓VMOS、DMOS、TMOS等结构。
图2是一种N沟道增强型功率场效应管(MOSFET)的结构图。
虽然有不同的结构，但其工作原理是相同的，这里就不一一介绍了。
场效应管(MOSFET)的工作原理要使增强型N沟道场效应管(MOSFET)工作，要在G、S之间加正电压VGS及在D、S 之间加正电压VDS，则产生正向工作电流ID。
改变VGS的电压可控制工作电流ID。
如图3所示（上面↑）。
若先不接VGS(即VGS＝0)，在D与S极之间加一正电压VDS，漏极D与衬底之间的PN结处于反向，因此漏源之间不能导电。
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模拟电子技术
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D
P
P
横向电场作用： ︱UGS︱↑ → PN结耗尽层宽度↑
→沟道宽度↓
UGS
S
(b) UGS负压增大，沟道变窄 图3―2栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图
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D
P
P
UGSoff——夹断电压
UGS
S
(c) UGS负压进一步增大，沟道夹断 图3―2栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图
场效应晶体管（场效应管）利用多数载流子的 漂移运动形成电流。
场效应管FET (Field Effect Transistor)
结型场效应管JFET (Junction FET)
绝缘栅场效应管IGFET (Insulated Gate FET)
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3―1 结型场效应管
S
N＋
GD
N＋
PN结(耗尽层)
P型衬底
UGS=0，导电沟道未形成
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S UGS
N＋
GD
N＋
PN 结(耗尽层) P 型衬底
B
(a) UGS<UGSth，导电沟道未形成
开启电压：UGSth 图3―6 N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号
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绝缘体一般为二氧化硅（SiO2），这种IGFET称 为 金 属 —— 氧 化 物 —— 半 导 体 场 效 应 管 ， 用 符 号
MOSFET表示（Metal Oxide Semiconductor Field
Effect Transistor）。此外，还有以氮化硅为绝缘
体的MNSFET等。
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S
(a)
(c)
图3―10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号
(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号
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3―2―4各种类型MOS管的符号及特性对比
JFET
N 沟道 D
P 沟道 D
G
G
S
S
图3―11各种场效应管的符号对比
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栅源电压VGS对沟道的影响.avi
D
UGS
N＋
N＋
G
B
导电沟道（反型层）
P型衬底 B
(b) UGS>UGSth，导电沟道已形成
S (c )符号
衬底的箭头方向表示 PN结若加正向电压时 的电流方向
图3―6 N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号
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iD/mA
uDS uGS UGSoff ＋ 6V
4 UGS＝＋ 3V
3 0V
2 －3V
1
0
5
10
15
20 uDS/V
(b)
图3―10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号
(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号
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iD D
ID0
B
G
UGSoff
0
uGS
·曲线间隔均匀，uGS对iD控制能力强。 ·uDS对iD的控制能力弱，曲线平坦。
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三、转移特性
iD≥0 (1)当uGS<UGSth时，iD=0。 (2)当uGS>UGSth时，iD >0，二者符合平方律关系。
iD
unCox 2
W L
(uGS
U GSth ) 2
恒流区中：
iD
I
DSS
(1
uGS UGSoff
)2
式中：IDSS——饱和电流，表示uGS=0时的iD值； UGSoff——夹断电压，表示uGS=UGSoff时iD为零。
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iD /mA
IDSS
5
4 为保证场效应管正
3 常工作，PN结必须加 反向偏置电压
2
1
－3 UGSoff
30
iD
uDS uGS UGSth
可
变
恒
电
阻
流
区 区
0 截止区
UGS ＝ 6V 5V 4V 3V 2V
击 穿 区
uDS
(a)输出特性 图3―8输出特性
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31
(3)恒流区 预夹断后所对应的区域。 uGS>UGSth uGD<UGSth（或uDS>uGS-UGSth）
uGS
FET
iD
D 输出 电流
S
S
MOSFET：利用栅源电压（ 输入电压）对半导体
表面感生电荷量的控制来改变导电沟道的宽度，从
而实现对漏极电流（输出电流）的控制。
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N沟道：iD 0
iD MOS
耗尽型 增强型 N沟 N沟 IDSS
结型N 沟
ID0 UGSth
图 uDS增大，沟道预夹断后情况
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二、输出特性
uDS≥0 (1)截止区
uGS<UGSth 导电沟道未形成，iD=0。 (2)可变电阻区
预夹断前所对应的区域。 uGS>UGSth uGD>UGSth（或uDS<uGS-UGSth）
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uGS≤0， uDS≥0 1. 可变电阻区
预夹断前所对应的区域。 uGS>UGSoff uGD>UGSoff（或uDS<uGS-UGSoff）
iD的大小同时受uGS 和uDS的控制。
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iD /mA
漏极输出特性曲线.avi
可 变 u DS ＝ u G S－UGSoff
k(uGS UGSth)2
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iD/mA 5 4 3 2 1
0
12 3
uGS /V
UGS th
图3―7 NMOSFET的转移特性曲线
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3―2―3 N沟道耗尽型 MOSFET (Depletion NMOSFET)
iD
当uDS较大时， uDS对沟道的影响就不能忽略， 致使输出特性曲线呈弯曲状。
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模拟电子技术
16
2.恒流区 预夹断后所对应的区域。
uGS>UGSoff uGD<UGSoff（或uDS>uGS-UGSoff）
iD的大小几乎不受uDS的控制。
(1)当UGSoff<uGS<0时，uGS变化，曲线平移，iD与uGS 符合平方律关系， uGS对iD的控制能力很强。 (2) uGS固定，uDS增大，iD增大极小。
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ID＞0 D
沟道预夹断
ID >0 D
G P
P UDS
G P
P UDS
UGS
S
UGS S
(a)uGD>UGSoff（预夹断前）
uGD=UGSoff（预夹断时）
纵向电场作用：在沟道造成楔型结构（上宽下窄）
图3―4 uDS
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12
电 4阻
UGS ＝0V
区 3
恒
－0.5V
击 穿
2
流
－1V
区
区
－1.5V
1
－2V
UGSoff
0
5
10
15
20 uDS /V
截止区
(b)输出特性曲线
图3―3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线
2020年4月16日星期四
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15
当uDS很小时， uDS对沟道的影响可以忽略， 沟道的宽度及相应的电阻值仅受uGS的控制。输 出特性可近似为一组直线，此时，JFET可看成一 个受uGS控制的可变线性电阻器（称为JFET的输 出电阻）；
I D 几乎不变 沟道局部夹断
D
G P
P UDS
UGS S
(b) uGD<UGSoff（预夹断后）
由于夹断点与源极间的沟道长度略有缩短，呈现
的沟道电阻值也就略有减小，且夹断点与源极间的电
压不变。
结型场效应三极管漏源电压对沟道的控制作用.avi
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模拟电子技术
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3―1―2 结型场效应管的特性曲线 一、输出特性曲线
模拟电子技术
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二、分类 MOSFET
N沟道 P沟道
增强型 N-EMOSFET 耗尽型 N-DMOSFET 增强型 P-EMOSFET 耗尽型 P-DMOSFET
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模拟电子技术
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3―2―1 绝缘栅场效应管的结构 3―2―2 N沟道增强型MOSFET
(Enhancement NMOSFET) 一、导电沟道的形成及工作原理
I
D
0
(1
uGS U GSoff
)2
ID0表示uGS=0时所对应的漏极电流。