场效应管及其电路分析

JFET通过vGS改变半导体内耗尽层厚度（沟道的截 面积）控制iD，称为体内场效应器件； MOSFET主要通过改变衬底表层沟道的厚度来控制 iD，称为表面场效应器件。
JFET的伏安特性 （以N沟道JFET为例）
伏安特性曲线和电流方程与耗尽型MOSFET相似。 但要求VGS不能正偏。
vGS＞VT时，vGS对iD的控制作用。
vGS 将 在 栅 极 与 衬 底 这 间 产 生 一个垂直电场(方向为由栅极 指向衬底)，它使漏-源之间的 P型硅表面感应出电子层(反型 层)使两个N+区连通，形成N型 导电沟道。d、s间呈低阻，所 以 在 vDS 的 作 用 下 产 生 一 定 的 漏极电流iD。
①vGS=0, vDS较小：没有导电 沟道(漏源间只是两个“背 向”串联的PN结)， 所以ds间呈现高阻，iD ≈ 0。
② 当 vGS ＞ 0 ， 且 当 vGS 增 强 到 足 够 大 ： d-s 之 间 便 开 始 形 成导电沟道。
开始形成导电沟道所需的 最小电压称为开启电压 VGS(th)( 习 惯 上 常 表 示 为 VT) 。
受vGS控制的压控电阻RDS。
RDS
vDS大区
又称恒流区、饱和区。条件是： vGS VT , vGS vDS VT
特 征 是 iC 主 要 受 vGS 控 制 ， 与 vDS 几 乎 无 关 ， 表 现 为 较 好的恒流特性。
➢ 夹断区
又称截止区。指管子未导通( vGS＜VT )时的状态。
二、结型效应管（JFET）
结构与符号
N沟道
P沟道
在N区两侧扩散两个P＋区，形成两个PN结。 两个P＋区相连，引出g极，没有衬底B极。 N区作为N型导电沟道，引出s极和d极。
工作原理
• vGS＝0时，存在N型导电沟道 （N型区）。
• vGS＜0时，耗尽层增厚，导电 沟道变薄。
所 以 属 于 耗 尽 型 FET ， 原 理 和 特 性 与 耗 尽 型 MOSFET相似。所不同的是JFET正常工作时，两个 PN结必须反偏，如对N沟道JFET，要求vGS≤0。
在P型衬底上加2个N+ MOS 管 的 栅 极 与 其 它
区，P型表面加SiO2绝 缘层，在N +区加铝极。
电极绝缘，所以输入电 阻近似为， iG≈0 。
PMOS增强型
PMOS与NMOS的工作原 理完全相同，只是电流 和电压方向不同。
箭头表示沟道的 实际电流方向。
增强型MOS管工作原理 (以NMOS为例）
(1) 增强型NMOS管的转移特性 在一定vDS下，栅-源电压vGS与漏极电流iD之间的
关系 iD f (vGS ) |vDS const
iD
I
DO
(
vGS VT
1)2
IDO是vGS=2VT时的
IDO
漏极电流。
(2) 输出特性(漏极特性)
表示漏极电流iD与漏-源电压vDS之间的关系
iD f (vDS ) |vGS const
• 当 vDS再增加时（即vDS＞ vGS-VT）：iD将不再增加， 趋向饱和。因为vDS再增加 时，近漏端上的预夹断点 向s极延伸，使vDS的增加部 分降落在预夹断区，以维 持iD的大小。
vGS vDS VT vDS vGS VT
vGS vDS VT vDS vGS VT
伏安特性与电流方程
当vGS＝0时没有导电沟道，而当vGS 增强到＞VT时 才形成沟道，所以称为增强型MOS管。并且vGS越 大，导电沟道越厚，等效电阻越小，iD越大。
③ vGS＞VT且为定值时，vDS对iD的影响
漏-源电压vDS产生横向电场：由于沟道电阻的存在， iD沿沟道方向所产生的电压降使沟道上的电场产生 不均匀分布。近s端电压较高，为vGS；近d端电压 较低，为vGD＝vGS-vDS，所以沟道呈楔形分布。
▪ 增强型MOS （Enhancement） 每一种又可分为 ▪ 耗尽型MOS （Depletion） N沟道和P沟道。
• 结型JFET （Junction Type）
▪ 本质上是耗尽型，分为N沟道和P沟道。
一、绝缘栅场效应管（IGFET）
➢ NMOS增强型
s：Source 源极 d：Drain 漏极 g：Gate 栅极 B：Base 衬底
• 当 vDS较小时： vDS对导电 沟道的影响不大，沟道主
要受vGS控制， 所以在为 定值时，沟道电阻保持不
变，iD随vDS 增加而线性 增加。
vGS vDS VT 0 vDS vGS VT
• 当 vDS增加到vGS-vDS＝VT时 （ 即 vDS ＝ vGS-VT ） ： 漏 端 沟道消失，称为“预夹 断”。
• 外加负栅压(vGS＜0)时，沟道变薄，沟道电阻增大， iD减小。
• vGS负到某一定值VGS(off)(常以VP表示，称为夹断电 压)，导电沟道消失，整个沟道被夹断，iD≈0，管 子截止 。
耗尽型NMOS的伏安特性
NMOS
PMOS
放大区的电流方程：
iD
I DSS
(1
vGS VP
)2
IDSS为饱和漏极电流， 是vGS=0时耗尽型MOS 管的漏极电流。
第三章 场效应晶体管及其电路分析
1.3.1 场效应管的结构、特性与参数
场效应管用FET表示（Field Effect Transistor）。具 有输入电阻高、热稳定性好、工艺简单、易于集成 等优点。
场效应管分类：
Metal-Oxide-Semiconductor
• 绝缘栅型IGFET(或MOS) （Insulted Gate Type）
iD 0
➢ 耗尽型MOS管
• 制造过程人为地在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入 了大量的K+(钾)或Na+(钠)正离子 。
• vGS=0，靠正离子作用，使P型衬底表面感应出N型 反型层，将两个N+区连通，形成原始的N型导电 沟道。
• vDS一定，外加正栅压(vGS＞0)，导电沟道变厚，沟 道等效电阻下降，漏极电流iD增大；
特性与三极管相似，分为 3个工作区，但工作区的 作用有所不同。
• 可变电阻区 • 放大区(恒流区、饱和区) • 截止区(夹断区)
➢ 可变电阻区
管子导通，但尚未预夹断，即满足的条件为：
vGS VT , vGS vDS VT
可变电阻区的特征是iD不仅 受vGS的控制，而且随vDS增 大而线性增大。可模拟为