各种场效应管的原理和特性曲线讲解
模拟电子电路及技术基础(第三版) MOS场效应管工作原理及特性(2)
B
UGS = 0
B
UGS< 0 沟道变窄 UGS= UGSoff 沟道夹断
B
UGS> 0 沟道展宽
可见在控制沟时，栅源电压既可小于0，也可大于0。
漏源电压UDS对导电沟道的控制作用(UGS=0)
UDS
பைடு நூலகம்
++ +++
N+
N+
氧氧氧氧
P氧 氧 氧
B
UDS≥0，漏端电位升 高，电场减弱。沟道不均
匀变窄而倾斜。
恒流区的转移特性如图所示
iD UDS>UGS-UGSth
当uGS<UGSth时，iD=0；
≥ 当uGS UGSth时，
iD 随uGS呈平方律关系。
0 UGSth
uGS
MOSFET的特性，除与所用的材料和制作工艺有 关外，还与管形的版图设计参数有密切关系。下面对 某些管参数作定量分析。
分析表明，对ENMOSFET有如下的定量关系式：
(1). 恒流区
iD
nCox
2
W L
(uGS
UGSth )2
(1
uDS
)
其中λ称为沟道长度调制系数，其值为图示厄尔利电
压（Early）UA的倒数，即
1
UA
A UA
iD
可 可 可
0
UG S u DS
由于λ很小，约为（0.005~0.03）V－1，通常可忽略。
增强型N沟道MOS管电流方程---平方律关系方程
iD
iD
nCox
2
W L
[2(uGS
UGSth )uDS
uD2S
]
场效应管的分类及特点
概念
场效应管是一种由输入信号电压来控制其 电流大小的半导体器件。是根据三极管的 原理开发出的新一代放大元件，有3个极性， 栅极，漏极，源极。属于电压控制型半导 体器件。
PN结的概念
如上图所示是一块两边掺入不同元素的 半导体。由于P型区和N型区两边的载 流子性质及浓度均不相同，P型区的空 穴浓度大，而N型区的电子浓度大，于 是在交界面处产生了扩散运动。
P沟道场效应管工作时， 极性N沟道绝缘栅型场效应管与P沟道绝 缘栅型场效应管的区别
场效应晶体管可分为结场效应晶体管和绝缘栅型 场效应晶体管，而绝缘栅型场效应晶体管又分为 N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。
两种沟道都是利用多数载流子的定向移动来导电。 N沟道的多数载流子是电子，P沟道是空穴。当沟 道中有电场时，就会有大量载流子，形成通路， 电场消失，沟道消失。 增强型场效应管是高电平导通（高电平时形成沟 道），耗尽型是低电平导通。
（一）场效应管的分类
场效应管分结型、绝缘栅型(MOS)两大类
一、结型场效应管
结型场效应管是一种 利用耗尽层宽度改变 导电沟道的宽窄来控 制漏极电流的大小的 器件。
它是在N型半导体 硅片的两侧各制造一 个PN结，形成两个 PN结夹着一个N型沟 道的结构。
结型场效应管的工作原理
N沟道场效应管工作时，在栅极与源极之间加负 电，栅极与沟道之间的PN结为反偏。在源极、 漏极之间加一定正电压，使N沟道中的多数载流 子（电子）由源极向漏极漂移，形成 ，其大小 受 的控制。
场效应管是一种由多数载流子参与导电的半导体 器件，故又称为单极型三极管。从参与导电的载 流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件 和空穴作为载流子的P沟道器件。
各种场效应管的原理和特性曲线讲解教案资料
3.2 场效应管的伏安特性曲线（以NEMOSFET为例）
ID
由于场效应管的栅极
电流为零，故不讨论输 入特性曲线。
共源组态特性曲线：
IG0 VG+-S
+
T VDS
-
输出特性：
ID= f ( VDS )
VGS = 常数
转移特性：
ID= f ( VGS )
VDS = 常数
转移特性与输出特性反映场效应管同一物理过程，
结型FET管： VGS与VDS极性相反。
▪ 饱和区数学模型
MOSFET: ID C 2 O lW X(VGS VGS()t2h
JFET:
2
ID IDSS1VVGGS(Soff)
几种FET管子的转移特性曲线比较:
ID(mA)
耗尽型
结型
增强型
耗尽型 ID(mA)
增强型
结型
VGS(off ) VGS(th) VGS(th)
假定MOS管工作在放大模式：
a)由直流通路写出管外电路VGS与ID之间关系式。 b)利用饱和区数学模型： ID C 2 O lW X(VGS VGS()t2h) c)联立解上述方程，选出合理的一组解。
d)判断电路工作模式：
若|VDS| < |VGS–VGS(th)| 若|VDS| > |VGS–VGS(th)|
3.1 场效应管的工作原理
JFET与MOSFET工作原理相似，它们都 是利用电场效应来控制电流，即都是利用改变 栅源电压vGS，来改变导电沟道的宽度和高度， 从而改变沟道电阻，最终达到对漏极电流iD 的 控制作用。不同之处仅在于导电沟道形成的原 理不同。(下面我们以N沟道JFET、N沟道增强 型为例进行分析）
各种场效应管的原理和特性曲线讲解
0
VDS = VGS –VGS(th)
VGS =5V
3.5V
4V
4.5V
沟道未形成时的工作区
条件：
VGS < VGS(th)
ID=0以下的工作区域。
IG≈0，ID≈0
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。
截止区
D
场效应管的电路符号
S
G
D
S
G
D
S
G
U
D
ID
S
G
U
D
ID
U
S
G
D
ID
S
G
U
D
ID
NEMOS
NDMOS
PDMOS
PEMOS
MOS场效应管MOSFET
结型场效应管JFET
第三章 场效应管
总结：
场效应管的电路符号可知：无论是JFET或是MOSFET，它都有三个电极：栅极G、源极S、漏极D。它们与三极管的三个电极一一对应（其实它们之间的对应关系除了电极有对应关系外，由它们构成的电路的特性也有对应关系，这些我们在第四再给大家讲） ： G---B S---E D----C N沟道管子箭头是指向沟道的，而P沟道管子的箭头是背离沟道的。
3.0 概述
主要内容
3.1 场效应管的工作原理
3.2 场效应管特性曲线
3.3 场效应管的使用注意事项
3.4 场效应管的等效电路
3.5 场效应管电路的分析方法
第三章 场效应管
场效应管是一种利用电场效应来控制电流的半导体器件,也是一种具有正向受控作用的半导体器件。它体积小、工艺简单，器件特性便于控制，是目前制造大规模集成电路的主要有源器件。
VDMOS的工作原理与特性曲线
电力场效应管电力场效应管 又名电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型通常主要指绝缘栅型中的 MOS 型（Metal Oxide 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（ 特点 ——用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小。
开关速度快，工作频率高。
热稳定性优于 GTR 。
电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过 电力MOSFE 的种类按导电沟道可分为 P 沟道和N 沟道。
耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。
增强型一一对于N （ P ）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。
电力MOSFE 主要是N 沟道增强型。
电力MOSFE 的结构小功率MOS 管是横向导电器件。
电力MOSFE 大都采用垂直导电结构，又称为 VMOSFETVertical MOSFET ）。
按垂直导电结构的差异，分为利用 V 型槽实现垂直导电的 VVMOSFE 和具有垂直导电双扩散 MOS 结构的VDMOSFE （TVertical Double-diffused MOSFET）。
这里主要以VDMO 器件为例进行讨论。
电力MOSFET 勺工作原理（N 沟道增强型 VDMOS 截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零P 基区与N 漂移区之间形成的PN 结J1反偏，漏源极之间无电流流过 导电：在栅源极间加正电压 UGSSemiconductor FET ,简称电力 MOSFETPower MOSFEJT Static Induction Transistor —— SIT ）。
10kW 的电力电子装置当UGS大于UT时，P型半导体反型成 N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。
电力MOSFET勺基本特性(1)静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET^转移特性。
ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。
(2)MOSFET的漏极伏安特性(即输出特性)：截止区(对应于GTR的截止区)饱和区(对应于GTR的放大区)非饱和区(对应 GTR的饱和区)工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。
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。
MOS 场效应管的工作原理及特点
MOS 场效应管的工作原理及特点场效应管是只有一种载流子参与导电，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）。
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)场效应管道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。
在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。
P型半导体称为衬底(substrat)，用符号B表示。
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（VGS(th) 称为开启电压），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，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。
MOS场效应管特性曲线及主要参数
12
Lec 05
华中科技大学电信系 张林
MOSFET是如何实现信号放大的？
与BJT类似，FET也有器件参数，选用时必须以此为依据
二、交流参数
iD
1. 输出电阻rds
rds
vDS iD
VG S
rds=
1 斜率
Q VGSQ
由 iD Kn (vGS VT )2 (1 vDS )
得
vDS
rds
[ λKn (vGS
vDS＝vGS－VT(或 vGD＝vGS－vDS＝VT)
可变电阻区
3V
2 (非饱和区)
① 截止区
1.5
当vGS＜VT时，导电沟道 1
尚 未 形 成 ， iD ＝ 0 ， 为 截
止工作状态。
0.5
饱和区 2.5V
2V vGS＝1.5V
截止区
0 2.5 5 7.5 10
vDS/V
2
Lec 05
华中科技大学电信系 张林
MOSFET是如何实现信号放大的？
其它类型的MOSFET —— N沟道耗尽型MOSFET
二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子，已存在导电沟道
可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流
s
g 掺杂后具有正 d
离子的绝缘层 二氧化硅
d
＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋
N＋
N＋
耗尽层 N 型沟道 P
衬底 g
B
s
B 衬底引线
特性方程 iD Kn (vGS VT )2 （非线性， ＝0）
可变电阻区工作条件 vGS >VT ， vDS <（vGS－VT）
特性方程 iD 2Kn (vGS VT ) vDS
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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 ：
D1 D2
T D1 D2一方面限制 VGS间 最大电压，同时对感 生
? VGS(th) ) 2
c)联立解上述方程，选出合理的一组解 。
d)判断电路工作模式 ：
若|VDS| < |VGS–VGS(th)| 若|VDS| > |VGS–VGS(th)|
非饱和模式（需重新计算Q点） 放大模式
? 小信号等效电路法
场效应管小信号等效电路分法与三极管相似。
?画交流通路 ?将FET用小信号电路模型代替 ?计算微变参数 gm、rds ?利用微变等效电路分析交流指标。
返回
? 3.1.2 N沟道EMOSFET沟道形成原理
? 假设VDS =0，讨论VGS作用
VGS?
衬底表面层中 负离子? 、电子?
形成空间电荷区 并与PN结相通
VDS =0
VGS S- +G
U
反型层
D
P+
N+
N+
P
VGS ? 开启电压VGS(th) 表面层 n>>p 形成N型导电沟道
VGS越大，反型层中n 越多，导电能力越强 。 返回
N沟道
耗尽型（ DMOS ） P沟道
不同） 增强型（EMOS） P沟道
沟道：指载流子流通的渠道、路径。 N沟道是指 以N型材料构成的区域 作为载流子流通的路径； P沟道
指以P型材料构成的区域 作为载流子流通的路径。
3.1 场效应管的工作原理
JFET 与 MOSFET 工作原理相似，它们都 是利用电场效应来控制电流，即都是利用改变 栅源电压vGS，来改变导电沟道的宽度和高度， 从而改变沟道电阻，最终达到对漏极电流 iD 的 控制作用。不同之处仅在于导电沟道形成的原 理不同。 (下面我们以 N沟道JFET、N沟道增强 型为例进行分析）
具体电路分析
小信号等效电路
3.5 场效应管电路的分析方法
场效应管电路分析方法与三极管电路分析方 法相似，可以采用 估算法 分析电路直流工作点； 采用小信号等效电路法 分析电路动态指标。
? 估算法
场效应管估算法分析思路与三极管相同，只是 由于两种管子工作原理不同，从而使外部工作条件 有明显差异。因此用估算法分析场效应管电路时，
电荷起旁路作用。
3.4 场效应管的等效电路
? 3.4.1 FET直流简化电路模型 (与三极管相对照 )
ID
IG? 0
DG
+
ID
D
IB
B
+
IC
C
G
VGS ID(VGS )
VBE(on)
-
? IB
-
S
S
E
?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， ID受VGS控制。 三极管输出端等效为流控电流源，满足IC=? IB 。
结型FET管： VGS与VDS极性相反。
?饱和区数学模型
MOSFET:
ID
?
? COXW
2l
(VGS
?
VGS(th) ) 2
JFET:
2
ID
?
? IDSS ??1 ?
?
VGS VGS(off)
? ? ??
几种FET管子的转移特性曲线比较 :
ID(mA)
耗尽型
结型
增强型
耗尽型 ID(mA)
增强型
结型
它们之间可以相互转换。
NDMOSFET的特性曲线
NJFET的特性曲线
? 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。
一定要注意自身特点。
?MOS管截止模式判断方法
截止条件
N沟道管：VGS < VGS(th) P沟道管： VGS > VGS(th)
?非饱和与饱和（放大）模式判断方法
假定MOS管工作在放大模式 ：
a)由直流通路写出管外电路 VGS与ID之间关系式。
b)利用饱和区数学模型 ：
ID
?
?
COXW 2l
(VGS
主要内容
3.0 概述 3.1 场效应管的工作原理 3.2 场效应管特性曲线 3.3 场效应管的使用注意事项 3.4 场效应管的等效电路 3.5 场效应管电路的分析方法
3.0 概 述
场效应管是一种利用电场效应来控制电流的半导体 器件,也是一种具有正向受控作用的半导体器件。它 体积小、工艺简单，器件特性便于控制，是目前制造
大规模集成电路的主要有源器件。
场效应管与三极管主要区别：
? 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）。 ? 场效应管受温度的影响小（ 只有多子漂移运动形成电流）
一、场效应管的种类
按结构不同分为
绝缘栅型场效应管 MOSFET N沟道
结型场效应管 JFET P沟道
注：具体分析将在第四章中详细介绍。
返回
? 场效应管与三极管性能比较
项目 器件
电极名称
工作区
导输 电 入跨 类 电导 型阻
三 极 管
ebc 极极极
放 大 区
饱 和 区
双 极 小大 型
场效 应管
s gd 极极极
饱 和 区
非饱 和区
单 极 型
大小
VGS(off ) VGS(th) VGS(th)
VGS (V)
VGS(th)
VGS(th)
VGS(off ) VGS(V)
N沟道：VDS > 0
P沟道：VDS < 0
增强型MOS管： VGS 与VDS 极性相同 。
耗尽型MOS管： VGS 取值任意。
结型FET管： VGS与VDS极性相反。
返回
3.3 场效应管的使用注意事项
3.2 场效应管的伏安特性曲线（以NEMOSFET为例）
ID
由于场效应管的栅极
电流为零，故不讨论输 入特性曲线。
共源组态特性曲线：
IG? 0 VG+S
-
+
T VDS
-
输出特性：
ID= f ( VDS ) VGS = 常数
转移特性：
ID= f ( VGS ) VDS = 常数
转移特性与输出特性反映场效应管同一物理过程，