2.3 场效应管及其应用与分析

栅源电压为零时存在原始导电沟道的场效应管称为耗尽型场 效应管；无原始导电沟道，只有在uGS绝对值大于开启电压 uGS(th)绝对值后才能形成导电沟道的，称为增强型场效应管。
2. 伏安特性
饱和漏极电流 夹断电压
饱和漏极电流
Ｏ
夹断电压
uGS 取正、负、零都可以，因此使用更方便。
当DNMOS管工作于放大区时，
– 3 O uGS /V
P 沟道结型FET
iD
/mA uGS
=
0
V
1V
2V
iD /mA IDSS UGS(off)
3V
O
－ uDS /V
O 3 uGS /V
当工作于放大区时,
iD
K (uGS
UGS(off) )2
IDSS (1
uGS U GS(off)
)2
例2.3.1
有四种场效应管，其输出特性或饱和区转移特性分别如 图所示，试判断它们各为何种类型管子？对增强型管， 求开启电压UGS(th) ；对耗尽型管，求夹断电压UGS ( off ) 和饱和漏极电流IDSS 。
型即 Metal－Oxide－Semiconductor
增强型
type Field Effect Transistor）
P沟道
耗尽型
2.3.1 MOS场效应管的结构、工作原理及伏安特性
一、N 沟道增强型 MOSFET 1. 结构与符号
简称NEMOS管
简化的结构示意图
2.3.1 MOS场效应管的结构、工作原理及伏安特性
IDQ=4mA 和IDQ＝1mA
由IDQ=4mA，得UGSQ= 4mA×2k= 8V，其值小于UGS(off) ， 对应的IDQ应为零，可见不合理，应舍弃。方程解应为
IDQ＝1mA
UGSQ = (1×2)V = 2V
例1×(12+2)]V= 6V
由于
（2）uDS 对输出电流 iD的控制作用
预夹断发生之前， uDS近似与 iD成正比 预夹断发生之后，当uDS增大时， iD 不变
因为预夹断发生之后： uAS为常数，且A、S间 的沟道电阻近似为常数
3. 伏安特性
(1) 输出特性
iD f (uDS ) uGS 常数
放大区(饱和区) 恒流、线性放大
DO
(
uGS U GS(th)
1)2
电导常数， 单位mA/V2
导电沟道中的电子迁移 率，反映了电子在电场 作用下运动的快慢程度。
栅极氧化 层单位面 积电容。
K
nCox
2
W L
沟通宽度 沟通长度
适用于ENMOS管 工作于放大区时
（2) 转移特性 iD f (uGS ) uDS 常数
iD
K (uGS
6. 漏源击穿电压U(BR)DS
7. 栅源击穿电压U(BR)GS
8. 最大漏极功耗 PDM
PD = uDS iD
*FET小结
FET 是利用栅源电压改变导电沟道的宽窄来控 制漏极电流的。由于输入电流极小，故称为电压控制 型器件，而BJT则称为电流控制型器件。
FET有耗尽型和增强型之分，耗尽型存在原始导 电沟道，而增强型只有在栅源电压绝对值大于开启电 压绝对值后，才会形成导电沟道。各类场效应管均有 N沟道和P 沟道之分，故共有六种类型场效应管。注 意比较它们的符号、伏安特性、工作电压极性要求。
IDSS IDQ
增强型管放大工作时
2 gm 2K (UGSQ UGS(th) ) 2 KIDQ UGS(th)
IDO是 uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值
IDO IDQ
2.3.3 场效应管的主要参数
5. 漏源动态电阻 rds
rds
uDS id
Q
饱和时 rds 一般为几十千欧 ～几百千欧
2.3.4 场效应管基本应用电路及其分析方法
基本应用：放大电路、电流源电路、 压控电阻、开关电路
FET 放大电路分析方法：公式法计算 Q点， 小信号模型法动态分析。
一、场效应管基本放大电路工作原理
共源放大电路
直流通路
放大过程图解
二、场效应管的小信号模型
小信号模型
简化小信号模型
三、场效应管电路分析举例
例2.3.1 解：
N沟道DMOS管 UGS( off ) = 4V，IDSS＝2mA
P沟道EMOS管 UGS( th) = 2V
例2.3.1 解续：
N沟道结型场效应管
N沟道DMOS管
UGS( off) = 4V，IDSS＝4mA UGS( off) = 4V， IDSS＝2mA
作业： P99~ 2.9a b 2.10c d
零
零
当场效应管工作于饱和区时，对于耗尽型管有
iD
I DSS (1
uGS U GS(off)
)2
2 gm U GS(off) I DSS I DQ
对于增强型管有
iD
I
DO
(
uGS UGS(th)
1)2
gm
2 U GS(th)
I DO I DQ
IDO是 uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值
一、N 沟道增强型 MOSFET 1. 结构与符号
简称NEMOS管
栅极绝缘，输入电阻 很高，输入电流为零。
2. 工作原理
（1) uGS 对输出电流iD 的控制作用 a. uGS = 0 ，无导电沟道。
=0
2. 工作原理
（1) uGS 对输出电流iD 的控制作用
a. uGS = 0 ，无导电沟道。 b. uGS 加正电压，当uGS UGS(th) 时，栅极表面层形成导电沟道
K
pCox
2
W L
2.3.2 结型场效应管的结构、工作原理及伏安特性
一、结构与符号 为耗尽型FET
NJFET
二、工作原理
PJFET
栅源电压必须使 PN结反偏，以保证 输入电阻很高。
三、伏安特性
N 沟道结型FET
iD
/mA uGS
=0V
-1 V
-2 V
-3 V
O
uDS /V
iD /mA UGS(off) IDSS
> 108
2.3.3 场效应管的主要参数
4. 低频跨导 gm
gm
iD uGS
Q
反映了uGS 对 iD 的控制能力， 单位 S(西门子)，一般为几毫西 (mS)。
iD /mA Q uGS /V
耗尽型管放大工作时
gm 2K (UGSQ UGS(off) ) 2
O
2
KI DQ
U GS(off)
二、N 沟道耗尽型 MOSFET
1. 结构、符号与工作原理
制造时在SiＯ2 绝缘层中掺入正离子，故在 uGS = 0 时已形成 沟道。改变uGS可控制导电沟道的宽窄，当uGS UGS(off) 时， 沟道全夹断。
耗尽型场效应管导电沟道全夹断时对应的的栅源电压称为 夹断电压（ UGS(off) ）。
UDSQ＞ UGSQ UGS(off) = 2V+4V = 2V
因此假设正确，计算结果有效，故 UGSQ = 2V ，IDQ＝1mA ，UDSQ = 6V
N 沟道增强型MOSFET
iD /mA uGS = 8 V
6V
4V
iD /mA UGS(th)
2V
O
uDS /V
2 uGS /V
N 沟道耗尽型MOSFET
iD
/mA uGS
=
2
V
iD /mA
0V -2 V
UGS(off)
IDSS
-4 V
O
uDS /V – 4 O uGS /V
P 沟道增强型MOSFET
可变电阻区（非饱和区） 压控电阻
临界线为uDS = uGS UGS(th)， uDS >uGS UGS(th),放大区， uDS <uGS UGS(th),可变电阻区。
截止区 uGS UGS(th) 沟道全夹断 iD = 0
提示： 1. FET和BJT两者的饱和
区含义、特性不同。 2. 全夹断与预夹断不同。
P 沟道耗尽型MOSFET
iD /mA uGS = – 8 V
–6V –4V
iD /mA UGS(th)
–2V
O
－ uDS /V – 2 O uGS /V
iD /mA
iD /mA
uGS = – 2 V
0V 2V
IDSS
UGS(off)
4V
O
－ uDS /V O 4 uGS /V
MOSFET 伏安特性的比较
当EPMOS管工作于放大区时，电流方程为
iD
K (uGS
UGS(th) )2
I
DO
(
uGS U GS(th)
1)2
当DPMOS管工作于放大区时，电流方程为
iD
K (uGS
UGS(off) )2
IDSS (1
uGS )2 U GS(off)
导电沟道中的空穴迁移 率，通常约等于电子迁 移率的一半。
2.3.3 场效应管的主要参数
1. 开启电压 UGS(th)(增强型) 夹断电压 UGS(off)(耗尽型)
2. 饱和漏极电流 IDSS 耗尽型场效应管在 uGS = 0 时 所对应的饱和漏极电流。
IDSS iD /mA
uGS /V UGS(off) O UGS(th)
3. 直流输入电阻 RGS 指漏源间短路的情况下，栅、源间加一定电压时的 栅源直流电阻。
开始形成导电沟道所需的栅源电压称为开启电压（ UGS(th) ） c. 增大uGS ，则导电沟道加厚。
+
2. 工作原理