场效应管
场效应管介绍
场效应管原理场效应管是只有一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的半导体器件。
有N沟道器件和P沟道器件。
有结型场效应三极管JFET(Junction Field Effect Transister)和绝缘栅型场效应三极管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。
IGFET也称金属-氧化物-半导体三极管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）。
1.1 1.1.1MOS场效应管MOS场效应管有增强型（Enhancement MOS 或EMOS）和耗尽型(Depletion)MOS或DMOS）两大类，每一类有N沟道和P沟道两种导电类型。
场效应管有三个电极：D(Drain) 称为漏极，相当双极型三极管的集电极；G(Gate) 称为栅极，相当于双极型三极管的基极；S(Source) 称为源极，相当于双极型三极管的发射极。
增强型MOS(EMOS)场效应管一、工作原理1．沟道形成原理当VGS=0 V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。
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，所以仍然不足以形成漏极电流ID。
进一步增加VGS，当VGS＞VGS(th)时（VGS(th) 称为开启电压），由于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1线性电子电路教案道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层（inversion layer）。
随着VGS的继续增加，ID将不断增加。
场效应管
1.4 场效应三极管（JFET ）场效应三极管参与导电的有一种极性的载流子：多子，因此叫单极型三极管，又因这种管子是利用电场效应来控制电流的，所以又称为场效应三极管，它是一种电压控制器件，通过栅源电压GS u 来控制漏极电流D i ，在放大区，D i 的值主要取决于GS u ，而基本上与u DS 无关，常常通过跨导 来描述双极型三极管的放大作用；因场效应管只有多子参与导电，且多子的浓度不易受温度光照等环境影响，所以与双极型三极管相比，噪声小，不易受外界温度和辐射影响；场效应管因D 极与S 极PN 结反偏，输入电阻很高，栅极几乎不摄取电流，因此输入电阻很大，结型场效应管一般在107Ω以上，MOS 场效应管则高达1010Ω。
双极型三极管参与导电的有两种极性的载流子：多子和少子。
场效应管根据结构和工作原理不同可分为两大类，一类是结型场效应管，另一类是绝缘栅型场效应管。
它们都只有一种载流子(多子)参与导电,所以场效应管被称为单极型器件。
结型场效应管1.4.1结型场效应管的结构结型场效应管(Junction Field Effect Transistor)简称JFET ，有N 沟道JFET 和P 沟道JFET 之分。
图给出了JFET 的结构示意图及其表示符号。
N(P)沟道JFET ，是在一根N （P ）型半导体棒两侧通过高浓度扩散制造两个重掺杂P +型（N +）区，则在P +（N +）区和N （P ）区的交界处形成两个PN 结，将两个P +（N +）区接在一起引出一个电极，称为栅极(Gate)，在两个PN 结之间的N （P ）型半导体构成导电沟道，一端引出源极，另一端引出漏极（源极和漏极可以互换）。
在源极和漏极两个电极间加上一定电压，便在沟道中形成电场，在此电场作用下，形成由多数载流子——自由电子产生的漂移电流。
将电子发源端称为源极(Source)，接收端称为漏极(Drain)。
根据导电沟道的不同，分为N 沟道结型场效应管（其导电沟道是N 型） 和P 沟道结型场效应管（其导电沟道是P 型）1.4.2结型场效应管的原理（N 沟道结型场效应管的U GS 与P 沟道结型场效应管的U GS 方向相反） 1、U GS 对I D 的控制作用在G 极和S 极之间加上反向电压U GS ，使G 极和导电沟道之间的两个PN 结反向偏置，就可以通过改变U GS 大小来改变耗尽层的宽度。
什么是场效应管
什么是场效应管场效应管（Field Effect Transistor，简称FET）是一种用于电子设备中的半导体器件。
场效应管利用静电场控制电流流动，其工作原理与晶体管相似。
本文将介绍场效应管的定义、工作原理、类型以及应用领域。
定义：场效应管是一种三极管，由栅极（Gate）、源极（Source）和漏极（Drain）组成。
其中，栅极是控制电流的电极，源极是电流进入管子的电极，漏极是电流从管子流出的电极。
工作原理：场效应管的工作原理基于氧化物半导体场效应。
在FET内部，栅极和基底之间存在一层绝缘氧化物。
当栅极上施加电压时，电压在绝缘氧化物上产生电场，控制了栅极和基底之间的电流。
根据电压的极性和大小，场效应管可以分为两种类型：1. N沟道型场效应管（N-channel FET）：N沟道型FET的基底为P型半导体，漏极和源极之间存在一个N型的沟道。
当栅极电压为正值时，电场将吸引阳极中电子，导致电子从源极流向漏极，形成电流。
2. P沟道型场效应管（P-channel FET）：P沟道型FET的基底为N型半导体，漏极和源极之间存在一个P型的沟道。
当栅极电压为负值时，电场将吸引阴极中的空穴，导致空穴从源极流向漏极，形成电流。
应用领域：场效应管在电子设备中有广泛的应用，包括：1. 放大器：场效应管可以作为放大器，放大小信号电压或电流，用于音频放大、射频放大等应用。
2. 开关：场效应管可以作为开关，控制电流的通断。
例如，在数字逻辑电路中，场效应管可用于构建数字逻辑门电路。
3. 电源稳定器：场效应管可用于构建电源稳定器，保持电源输出的稳定性，用于电子设备的供电。
4. 数模转换器：场效应管可以将模拟信号转换为数字信号，用于模数转换器中的采样和保持电路。
总结：场效应管是一种重要的半导体器件，通过控制电场实现电流控制。
它具有放大器、开关、电源稳定器等多种应用，广泛用于电子设备和电路中。
了解场效应管的工作原理和应用，有助于理解电子技术中的基本原理和电路设计。
场效应管
MOS管分为四种类型：N沟道耗尽型管、N沟道增强型管、P沟道耗尽型管和 P沟道增强型管。
MOS管的特点
输入阻抗高、栅源电压可正可负、耐高温、易 集成。
N沟道增强型绝缘栅场效应管 （1）结构与符号 增强型的特点
1. 工作原理
绝缘栅场效应管利用 UGS 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
一、结型场效应管(JFET)
1 结构与工作原理 （1）构成 结型场效应管又有N沟道和P沟道两种类型。
N沟道结型场效应管的结构示意图
结型场效应管的符号
(a)N沟道管
(b) P沟道管
（2）工作原理 N· JFET的结构及符号
在同一块N型半导体上制作两 个高掺杂的P区，并将它们连 接在一起，引出的电极称为栅 极G，N型半导体的两端引出 两个电极，一个称为漏极D， 一个称为源极S。P区与N区交 界面形成耗尽层，漏极和源极 间的非耗尽层区域称为导电沟 道。
直流输入电阻 RGS ：其等于栅源电压与栅极电流之比，结型管的 RGS 大于10^7 欧，而MOS管的大于10^9欧。
二、交流参数
1. 低频跨导 gm 用以描述栅源之间的电压 UGS 对漏极电流 ID 的控 制作用。 ΔI D gm ΔU GS U DS 常数 单位：ID 毫安(mA)；UGS 伏(V)；gm 毫西门子(mS)
绝缘栅
B端为衬底，与源极短接在一起。
N沟道耗尽型MOS管的结构与符号
（2）N沟道的形成 N沟道的形成与外电场对N沟道的影响 控制原理分四种情况讨论：
① uGS 0时，来源于外电场UGS正极的正电荷使SiO2中原有的正电荷数目增加， 由于静电感应，N沟道中的电子随之作同等数量的增加，沟道变宽，沟道电阻减 小，漏电流成指数规律的增加。
场效应管(建议看)
0V –1V –2V uGS = – 3 V
uDS
IDSS
可 变 电 阻 区
预夹断轨迹，uGD＝UGS（off）
恒 流 区
击 穿 区
i D gm U GS
夹断电压
夹断区（截止区）
夹断电压为负
∴栅源电压越负，电流iD越小。
①夹断区： i D 0 UGS<UGS(off) ②可变电阻区(预夹断轨迹左边区域）：
之间的函数关系，即
iD f (uGS ) |U DS 常数
N沟道结型场效应管UGS=0时，存在导电沟道，电流最大；
栅源之间加负向电压UGS＜0直至沟道消失，电流为零。
UGS=0V -1V -2V -3V 夹断电压
U GS ( off ) 0
栅源电压越负，电流越小 恒流区条件：
U GS U GS (off )
3、特性曲线与电流方程
转移特性 输出特性曲线
N沟道增强型MOS管在UGS=0时，无导电沟道，电流为零。
UGS加正向电压至开启电压后，电流随UGS的增大而增大。
VDS 为正的
6V 5V 4V 3V 开启电压
U GS ( th ) 0
栅源电压越正，电流越大 恒流区条件：
U GS U GS (th )
增强型N沟道
耗尽型N沟道
增强型P沟道 耗尽型P沟道
说明：
1、栅极用短线和沟道隔开，表示绝缘栅； 2、箭头：由P区指向N区； 3、虚线：增强型MOS管； 实线：耗尽型MOS管。
二、N沟道增强型MOS管的工作原理
在通常情况下，源极一般都与衬底相连，即UBS=0。 为保证N沟道增强型MOS管正常工作，应保证： ① UGS=0时，漏源之间是两只背向的PN结，不管UDS 极性 如何，其中总有一个PN结反偏，所以不存在导电 沟道。UGS必须大于0（UGS>0）管子才能工作。 ②漏极对源极的电压UDS必须为正值(UDS>0)。这样在漏 极电压作用下，源区电子沿导电沟道行进到漏区，产 生自漏极流向源极的电流。
六种场效应管
六种场效应管场效应管（Field-Effect Transistor，简称FET）是一种非常重要的电子器件，它能够通过控制输入电场来调节输出电流。
场效应管分为MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）和JFET（结型场效应管）两大类，每类中又分为增强型和耗尽型。
第一种场效应管是N沟道增强型MOSFET（N-Channel Enhanced MOSFET）。
N沟道增强型MOSFET是一种双极性器件，其栅极和漏极之间的电场控制输出电流。
当栅极电压为正值时，它吸引正极性的载流子，导致漏极电流增加。
N沟道增强型MOSFET通常用于低功率应用，如放大器和开关电路。
第二种场效应管是N沟道耗尽型MOSFET（N-Channel Depletion MOSFET）。
N沟道耗尽型MOSFET的工作原理与N沟道增强型MOSFET类似，但是它的栅极电压为0伏时有输出漏极电流，因此被称为耗尽型。
N沟道耗尽型MOSFET通常用于特定应用，如电压参考电路和电流源。
第三种场效应管是P沟道增强型MOSFET（P-Channel Enhanced MOSFET）。
P沟道增强型MOSFET与N沟道增强型MOSFET原理相同，但是它使用了P型半导体材料。
当栅极电压为负值时，它吸引负极性的载流子，导致漏极电流增加。
P沟道增强型MOSFET通常用于低功率应用和负电压电路。
第四种场效应管是P沟道耗尽型MOSFET（P-Channel Depletion MOSFET）。
P沟道耗尽型MOSFET与P沟道增强型MOSFET原理相同，只是栅极电压为0伏时有输出漏极电流。
P沟道耗尽型MOSFET通常用于特定应用，如负电压参考电路和负电流源。
第五种场效应管是结型场效应管（Junction Field-Effect Transistor，简称JFET）。
JFET是一种单极性器件，通过控制栅源电压来调节输出电流。
JFET分为N沟道和P沟道两种类型，其工作原理均基于P-N结的特性。
六种场效应管
六种场效应管一、结型场效应管结型场效应管是一种单极场效应管，其工作原理是基于栅极电压改变二氧化硅（SiO2）层中电荷分布来实现对漏极电流的控制。
它的工作特点是在工作过程中不需要很大的功耗，并且具有良好的噪声特性。
在电子设备中，结型场效应管通常用于放大、振荡、开关等电路中。
二、绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管是一种单极场效应管，其工作原理是通过在二氧化硅（SiO2）绝缘层上覆盖金属薄膜来实现对源极和漏极之间的控制。
由于没有栅极氧化层与半导体之间的电容，因此其输入电阻非常高，并且具有低噪声特性。
在电子设备中，绝缘栅型场效应管通常用于放大、振荡、开关等电路中。
三、MOS型场效应管MOS型场效应管是一种单极场效应管，其工作原理是通过在金属-氧化物-半导体（MOS）结构上施加电压来改变电荷分布实现对漏极电流的控制。
它的优点是输入电阻高、驱动电流小、功耗低、易于集成等。
在电子设备中，MOS型场效应管通常用于放大、振荡、开关等电路中。
四、高电子饱和迁移率型场效应管高电子饱和迁移率型场效应管是一种具有高电子饱和迁移率的单极场效应管。
它的工作原理是通过改变栅极电压来改变半导体内部的电子饱和迁移率实现对漏极电流的控制。
它的优点是具有高速响应和低功耗特性，适用于高速数字电路和模拟电路中。
五、高电子饱和迁移率型场效应管高电子饱和迁移率型场效应管是一种具有高电子饱和迁移率的双极场效应管。
它的工作原理是通过改变栅极电压来改变半导体内部的电子饱和迁移率实现对漏极电流的控制。
它的优点是具有高速响应和低功耗特性，适用于高速数字电路和模拟电路中。
六、结型双极型场效应管结型双极型场效应管是一种双极场效应管，其工作原理是基于栅极电压改变半导体内部的电子和空穴浓度实现对漏极电流的控制。
它的优点是具有高速响应和低功耗特性，适用于高速数字电路和模拟电路中。
同时，它还具有较好的噪声特性和稳定性，适用于各种复杂的电子设备中。
常用场效应管的种类与识别
常用场效应管的种类与识别一、什么是场效应管场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）简称场效应管。
这种晶体管由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管，它属于电压控制型半导体元件。
具有输入阻抗高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点。
场效应管分结型、绝缘栅型两大类。
结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名；绝缘栅型场效应管（JGFET）则因栅极（闸极）与其他电极完全绝缘而得名。
按沟道半导体材料的不同，场效应管又分为N沟道和P沟道两种。
P沟道场效应管的工作原理与N沟道场效应管完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已，这如同三极管有NPN型和PNP型一样。
同普通三极管一样，场效应管也有三个引脚，分别是门极（又称栅极）、源极、漏极3个端子。
场效应管可看做一只普通三极管，栅极（闸极）G对应基极B，漏极D对应集电极C，源极S对应发射极E（N沟道对应NPN型晶体管，P沟道对应PNP晶体管）。
二、常用场效应管的种类与识别目前应用最为广泛的是绝缘栅型场效应管，简称MOS管或简称MOSFET（Met al Oxide Semiconductor FET，即金属-氧化物-半导体场效应管），这里就侧重介绍绝缘栅型场效应管的相关知识与测量方法。
1、常用场效应管的种类（1）小功率场效应管常用的小功率场效应管主要有TO-92封装和SOT-23、SOT-223等封装形式。
采用TO-92封装的场效应管型号常用的有2N7002、BSP254、BS170、1N60等。
这种场效应管主要用在放大、电子开关电路中。
TO-92封装场效应管的实物如图1所示。
图1 TO-92封装场效应管采用SOT-23封装的有代码为K1N、K72、K7A、K7B的2N7002（N沟道）、代码为335的FDN335N（N沟道）、NDS356AP（P沟道）等型号。
这种场效应管主要用在放大、电子开关电路中。
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D1、D2 一方面限制 VGS 间 最大电压，同时对感 生电 荷起旁路作用。
第3章
场效应管
NEMOS 管转移特性曲线
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/mA VDS = 5 V ID/mA VDS = VGS – VGS(th)
0. 5 V 0V
ID/mA
0. 5 V
1V 1. 5 V
O
1. 8 V
VDS /V
VGS(th)
O
VGS /V
外部工作条件：
VDS > 0，VGS 正、负、零均可。
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。
l Ron n C OXW 1 VGS VGS(th)
注意：非饱和区相当于三极管的饱和区。
第3章
场效应管
ID/mA VDS = VGS – VGS(th)
VGS = 5 V 4.5 V 4V 3.5 V
饱和区
沟道预夹断后对应的工作区。 条件： 特点：
VGS > VGS(th)
V DS > VGS – VGS(th)
O
VDS /V
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。 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(又称有源区)对应三极管的放大区。
第3章
场效应管
数学模型：
第3章
场效应管
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：
ID VGS一定
O V –V GS GS(th)
VDS
曲线形状类似三极管输出特性。
第3章
场效应管
MOSFET 工作原理：
O
VGS = 5 V
4.5 V 4V 3.5 V VDS /V
相当于 MOS 管三个电极断开。
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。
第3章
场效应管
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：
工作在饱和区时，MOS 管的正向受控作用，服从 平方律关系式： nCOXW ID (VGS VGS(th) ) 2 2l 若考虑沟道长度调制效应，则 ID 的修正方程：
2l nCOXW (VGS VGS(th) ) 2 1 VDS 2l 其中， 称沟道长度调制系数，其值与 l 有关。
)
第3章
场效应管
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
3.1.2 耗尽型 MOS 场效应管
DMOS 管结构
S U P+ N+ P G N+ D
D
ID
U
N 沟道 DMOS
G
S
VGS = 0 时，导电沟道已存在 对比增强型？
S U N+ P+ N G P+ D
沟道线是实线
D
ID
U
P 沟道 DMOS
G
S
第3章
场效应管
NDMOS 管伏安特性
ID/mA VDS = VGS –VGS(th) VGS = 1 V
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 。 • 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。
第3章
场效应管 ID
伏安特性
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： 输出特性： 转移特性： ID = f ( VDS )
第3章
场效应管
3.1.1 增强型 MOS 场效应管
N 沟道 EMOSFET 结构示意图
S(Source) 源极
衬底极
U S G D W
G(Gate) 金属栅极
D(Drain) 漏极
电路符号 D
P+ N+ N+ P+
沟道 宽度
SiO2 绝缘层 P 型硅 衬底
G S
U
l
P
沟道长度
第3章
场效应管
N 沟道 EMOSFET 沟道形成原理
第3章
场效应管
数学模型：
VDS 很小 MOS 管工作在非饱和区时，ID 与 VDS 之间呈线 性关系： C W 2 I D n OX [2(VGS VGS(th) )VDS VDS ] 2l nCOXW (VGS VGS(th) )VDS l 其中，W、l 为沟道的宽度和长度。 COX (= / OX , SiO2 层介电常数与厚度有关)为单位面积的 栅极电容量。 此时 MOS 管可看成阻值受 VGS 控制的线性电阻器：
VGS = 5 V
4.5 V 4V 3.5 V
O
1
2 3 4 VGS(th) = 3V
5 V /V GS
O
VDS = 5 V
VDS /V
转移特性曲线中，ID = 0 时对应的 VGS 值，即开启 电压 VGS(th) 。
第3章
场效应管
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 VDS ID/mA 电位(P 沟道)。 + VUS = 0
第3章
场效应管
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)
id g + vgs s gmvgs + d rds vds ib b + vbe rbe ic + rce vce c
-
-
gmvbe e
-
由于场效应管 IG 0，所以输入电阻 rgs 。
而三极管发射结正偏，故输入电阻 rbe 较小。
IG0
ID
D B
IB +
VBE(on)
IC
C
+ VGS
S
ID(VGS )
E
IB
S
场效应管 G、S 之间开路 ，IG 0。 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： C OXW ID (VGS VGS(th) ) 2 2l 三极管输出端等效为流控电流源，满足 IC = IB 。
第3章
场效应管
• VDS 对沟道的控制(假设 VGS > VGS(th) 且保持不变)
VDS +
U P+ S N+ P
VDS +
D
U N+ P+ S N+ P
VGS +
G
VGS +
G
N+
D
由图 因此
VGD = VGS - VDS VDS→ID 线性 。
VDS 很小时 → VGD VGS 。此时 W 近似不变，即 Ron 不变。
rds 为场效应管输出电阻：
rds 1 /( I DQ ) （ ——沟道长度调制系数， =－1/|VA|） 与三极管输出电阻表达式 rce 1/(ICQ) 相似。
第3章
场效应管
MOS 管跨导
利用
得
i D gm vGS
Q
ID
C OXW
2l
Q
(VGS VGS(th) )2
• 场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。 • 场效应管是单极型器件(三极管是双极型器件)。
第3章
场效应管
3.1
MOS 场效应管
N 沟道(NMOS) P 沟道(PMOS)
增强型(EMOS)
MOSFET 耗尽型(DMOS)
N 沟道(NMOS) P 沟道(PMOS)
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。
U
P+
VUS
S N+
-
VGS
+
G N+
D
+
O
P
-2V -4V
VGS /V
若| VUS | 阻挡层宽度 耗尽层中负离子数
但是由于VGS不变，即栅极上的正电荷量 不变，因而反型层中的自由电子数就必然减 小，从而引起沟道电阻增大，ID减小。 根据衬底电压对 ID 的控制作用，又称 U 极为背栅极。
通常 = (0.005 ~ 0.03 )V-1
ID
n COXW
VDS (VGS VGS(th) ) 1 VA