第3章：场效应管详解
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场效应管的原理和应用
在uDS一定时, 漏极电流iD与栅源电压uGS之间旳关系 称为转移特征。 即
i u f ( D
)gs
常数
uds
(3. 1)
iD d
－ UGG
＋
g
－
P
uGS ＋
P N
S
＋
Rd
＋
uDS
－ UDD
－
图3.2 N沟道结型场效应管工作原理
iD / mA
IDSS 5 4
3
uDS=12 V 2
1 UGS(off)
－4 －3 －2 －1 0
uGS/V
图3.3 N沟道结型场效应管转移特征曲线
在UGS(off)≤uGS≤0旳范围内, 漏极电流iD与栅极电
压uGS旳关系为
u (1
i I U D
DSS
GS )2
GS (off )
(3. 2)
2)
输出特征是指栅源电压uGS一定, 漏极电流iD与 漏极电压uDS之间旳关系, 即
场效应管放大电路旳静态工作点可用式（3.4）或 式（3.5）与式（3.7）或式（3.8）联立求出UGSQ和IDQ, 漏源电压UDSQ由下式求得:
U U I R R ( )
DSQ
DD
DQ
d
s
2. 放大电路旳动态参数可由微变等效电路求出。
1）
2）
(3. 9)
g＋ ugs －
id
d
＋
uds
－ s
2
1
8 uGS / V
0
5V
24
4V
3V 6 8 10 12 14 16 18 uDS / V
(b)
图3.7N （a） 转移特征;
（b） 输出特征
i u f ( D
)gs
常数
uds
(3. 1)
iD d
－ UGG
＋
g
－
P
uGS ＋
P N
S
＋
Rd
＋
uDS
－ UDD
－
图3.2 N沟道结型场效应管工作原理
iD / mA
IDSS 5 4
3
uDS=12 V 2
1 UGS(off)
－4 －3 －2 －1 0
uGS/V
图3.3 N沟道结型场效应管转移特征曲线
在UGS(off)≤uGS≤0旳范围内, 漏极电流iD与栅极电
压uGS旳关系为
u (1
i I U D
DSS
GS )2
GS (off )
(3. 2)
2)
输出特征是指栅源电压uGS一定, 漏极电流iD与 漏极电压uDS之间旳关系, 即
场效应管放大电路旳静态工作点可用式（3.4）或 式（3.5）与式（3.7）或式（3.8）联立求出UGSQ和IDQ, 漏源电压UDSQ由下式求得:
U U I R R ( )
DSQ
DD
DQ
d
s
2. 放大电路旳动态参数可由微变等效电路求出。
1）
2）
(3. 9)
g＋ ugs －
id
d
＋
uds
－ s
2
1
8 uGS / V
0
5V
24
4V
3V 6 8 10 12 14 16 18 uDS / V
(b)
图3.7N （a） 转移特征;
（b） 输出特征
第3章场效应管
2阻 区
0
放大区
10
20
截止区
电子技术基础
各区的特点：
6
可
变
① 可变电阻区
电4
阻
区2
a. uDS较小，沟道尚未夹断
0
10
b. uDS ＜ uGS- |UGS(th)|
c.管子相当于受uGS控制的压控电阻
2020年4月13日星期一
第 3章
20
电子技术基础
第 3章
② 放大区(饱和区、恒流区)
a. 沟道予夹断
2020年4月13日星期一
电子技术基础
第 3章
2. N沟道增强型管的工作原理
由结构图可见，N+型漏区和N+型源区之间被P型
衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结。
S
D
当栅源电压UGS = 0 时， 不管漏极和源极之间所 加电压的极性如何，其 中总有一个PN结是反向 偏置的，反向电阻很高， 漏极电流近似为零。
8(1
UGS 4
)2
C1 +
+
T
ui _
RG
+UGS_ RS
uo IS +CS _
解出 UGS1 = –2V、UGS2 = –8V、ID1=2mA、ID2=8mA 因UGS2 <UGS(off) 故舍去 ，
所求静态解为UGS = –2V ID=2mA、 UDS= 20 – 2（ 3 + 1 ）= 12 V
–
S
–
+G
+
D
iD>0
N+
N+
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uDS
P
0
放大区
10
20
截止区
电子技术基础
各区的特点：
6
可
变
① 可变电阻区
电4
阻
区2
a. uDS较小，沟道尚未夹断
0
10
b. uDS ＜ uGS- |UGS(th)|
c.管子相当于受uGS控制的压控电阻
2020年4月13日星期一
第 3章
20
电子技术基础
第 3章
② 放大区(饱和区、恒流区)
a. 沟道予夹断
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电子技术基础
第 3章
2. N沟道增强型管的工作原理
由结构图可见，N+型漏区和N+型源区之间被P型
衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结。
S
D
当栅源电压UGS = 0 时， 不管漏极和源极之间所 加电压的极性如何，其 中总有一个PN结是反向 偏置的，反向电阻很高， 漏极电流近似为零。
8(1
UGS 4
)2
C1 +
+
T
ui _
RG
+UGS_ RS
uo IS +CS _
解出 UGS1 = –2V、UGS2 = –8V、ID1=2mA、ID2=8mA 因UGS2 <UGS(off) 故舍去 ，
所求静态解为UGS = –2V ID=2mA、 UDS= 20 – 2（ 3 + 1 ）= 12 V
–
S
–
+G
+
D
iD>0
N+
N+
2020年4月13日星期一
uDS
P
第3章 场效应管
VGS = 4 V, VDS = 6 V
ID = 1 mA
例2. 单电源供电的N沟道DMOS管电路，已知，RG＝1MΩ， RS＝4kΩ，RD＝5kΩ，VDD＝5V，管子参数为µnCoxW/（2l） ＝0.25mA/V2，VGS(th)＝-2V，求ID。
VS = I DQ RS = 4I D
VGS = VG − VS = −4I D
ID =
µn CoxW
2l = 0.25(−4 I D + 2) 2
(VGS − VGS(th) ) 2
解得ID＝0.25mA和1mA。显然ID＝1mA应舍去。 取ID＝0.25mA，求得 VGS = 0 − I DQ RS = 0 − 0.25 × 4 = −1
VDS = VDD − I DQ ( RD + RS ) = 5 − 0.25 × 9 = 2.75
µ n CoxW
2l
例 在下图所示N沟道EMOS管电路中，已知RG1＝1.2 MΩ， RG2＝0.8 MΩ，RS＝4 kΩ，RD＝10 kΩ，VDD＝20 V，管子 参数为µCoxW/(2l)＝0.25 mA/V2，VGS(th)＝2 V，试求ID。 解
IG = 0
VG = VDD RG2 0.8 = 20 × = 8 (V) RG1 + RG2 1.2 + 0.8
三、vGS>VGS(th)，vDS>vGS－VGS(th)
当 vDS=vGS-VGS(th)时，近漏端沟道夹断。夹断后， vGA＝vGS(th)，夹断 点到源极的电压vAS也就恒为(vGS－VGS(th))，沟道电流iD不再随vDS的 变化而变化，只受vGS控制。这种沟道夹断与vGS<VGS(th) 整个沟道夹 断iD=0的情况不同。通常由vDS引起近漏极端的夹断称为预夹断。预 夹断后对应的工作区称为饱和区又称放大区。 但若考虑沟道长度调制效应(夹断点A会随着vDS的增加而向源极移 动)，当vGS 一定时，iD会随着vDS的增加而略微增加。
第三章 场效应管放大电路讲解
起来。
d
结构图
B衬底 g
s
电路符号
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因此在栅源电压为零时，在正的vDS作用下，也有较 大的漏极电流iD由漏极流向源极。
当vGS>0时，由于绝缘层的存在，并不会产生栅极电 流 iG ，而是在沟道中感应出更多的负电荷，使沟道变 宽。在vDS作用下，iD将具有更大的数值。
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3.1.2 N沟道耗尽型MOSFET
⒈ 结构和工作原理简述 这种管子在制造时，
SiO2绝缘层 中掺有大量
正离子
由于二氧化硅绝缘层中掺
有大量的正离子，即使在
vGS= 0时，由于正离子的 作用，也和增强型接入正
N型沟道
栅源电压并使vGS>VTh时相 似，能在P型衬底上感应 出较多的电子，形成N型 沟道，将源区和漏区连通
② 可变电阻区 （vDS≤vGS-VTh ）
iD Kn 2 vGS VTh vDS vD2S
iD/mA
可变电阻区 饱和区
电导常数Kn单位是mA/V2。
8 6
在特性曲线原点附近，vDS很 4
7V A
6V B
5V C
4V
小，则
2
D
vGS=3V
iD 2Kn vGS VTh vDS
E 截止区
5 10 15 20 vDS/V
电压vGS对漏极电流iD的控制
特性，即 iD f vGS vDS常数
由于饱和区内，iD受vDS的影
iD/mA 8
A
B
6 VDS =10V C
4
D
响很小，因此饱和区内不同vDS 下的转移特性基本重合。
d
结构图
B衬底 g
s
电路符号
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因此在栅源电压为零时，在正的vDS作用下，也有较 大的漏极电流iD由漏极流向源极。
当vGS>0时，由于绝缘层的存在，并不会产生栅极电 流 iG ，而是在沟道中感应出更多的负电荷，使沟道变 宽。在vDS作用下，iD将具有更大的数值。
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3.1.2 N沟道耗尽型MOSFET
⒈ 结构和工作原理简述 这种管子在制造时，
SiO2绝缘层 中掺有大量
正离子
由于二氧化硅绝缘层中掺
有大量的正离子，即使在
vGS= 0时，由于正离子的 作用，也和增强型接入正
N型沟道
栅源电压并使vGS>VTh时相 似，能在P型衬底上感应 出较多的电子，形成N型 沟道，将源区和漏区连通
② 可变电阻区 （vDS≤vGS-VTh ）
iD Kn 2 vGS VTh vDS vD2S
iD/mA
可变电阻区 饱和区
电导常数Kn单位是mA/V2。
8 6
在特性曲线原点附近，vDS很 4
7V A
6V B
5V C
4V
小，则
2
D
vGS=3V
iD 2Kn vGS VTh vDS
E 截止区
5 10 15 20 vDS/V
电压vGS对漏极电流iD的控制
特性，即 iD f vGS vDS常数
由于饱和区内，iD受vDS的影
iD/mA 8
A
B
6 VDS =10V C
4
D
响很小，因此饱和区内不同vDS 下的转移特性基本重合。
场效应管讲解
例5.2.1 P212
设VDS VGS VT，工作于饱和区
VGS
Rg 2 Rg1 Rg 2
VDD
40 5 2V 60 40
I DQ Kn (VGS VT )2 0.2 (2 1)2 0.2mA
VDS VDD I D Rd 5 0.2 15 2V 判断VDS 2V (VGS VT )=1V，成立
MOS电容
SiO2绝缘层
+ + + + + - - - - - -
金属铝
E
P
P型基底
电子反型层
SiO2绝缘层
掺入了大量的碱金 属正离子Na+或K+
+ + + + +
金属铝
- - - - - -
P
P型基底
电子反型层
一、结构和电路符号 S
G
D
金属铝
D
两个N区 N
P
N P型基底 SiO2绝缘层
G S
导电沟道
耗尽型的MOS管vGS=0时就有导电沟道，加反向 电压才能夹断。
iD 转移特性曲线
vGS VP 0
输出特性曲线
iD
vGS>0 vGS=0 vGS<0
0 vDS
四、说明：
（1）MOS管有四种基本类型；
（2）增强型的MOS管的vGS必须超过一定的值以使沟 道形成； 耗尽型的MOS管使形成沟道的vGS可正可负； （3）MOS管的输入阻抗特别高
N沟道增强型
S
G
D D
N
P
N
G
S
N 沟道耗尽型
场效应管及其基本电路详解
uGS uGSo(ufG f S)thuGS uGSo(ufG f S)th
P - F E TuGD uGSo (ufG f S)thuGD uGSo (ufG f S)thuGS uGSo(ufG f S)th
uDS
(a)输出特性
图3―8输出特性
01 恒流区
02 uGS>UGSth 预夹断后所对应的区域。
03
uGD<UGSth（或uDS>uGS-UGSth） ○ 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。
三、转移特性
iD≥0
当uGS<UGSth时，iD=0。
01
P沟
UGS /V
结型 P沟
iD
结型
MOS N沟
N 沟 耗尽型 增强型
UGS /V
0 －1
3 2
9 8
－2 1 7
－3 0 6
－4 －1 5
－5 －2 4
－6 －3 3
0
uDS
线性可变电阻区
uDS uG SuGS(o uG ff S)th
(b)输出特性
图3―12各种场效应管的转移特性和输出特性对比
2024/8/28
一、简介
二、分类
0 1
MOSFE T
0 2
N沟道
0 7
增强型
0 8
耗尽型
0 3
P沟道
0 4
增强型
0 5
NEMOSF
ET
0 9
NDMOS
FET
1 0
PEMOSF
ET
1 1
DMOS FET
0 6
耗尽型
2024/8/28
场效应管详解
场效应管详解一、场效应管的基本概念场效应管（Field-Effect Transistor，简称FET）是一种三极管，由栅极、漏极和源极三个电极组成。
栅极与漏极之间通过电场控制漏极和源极之间的电流。
二、场效应管的工作原理场效应管的工作原理基于电场控制电流的效应。
当栅极施加一定电压时，在栅极和漏极之间形成了一个电场，这个电场控制着漏极和源极之间的电流。
通过调节栅极电压，可以改变漏极和源极之间的电流，实现对电流的控制。
三、场效应管的分类根据不同的控制机构，场效应管可以分为三种类型：MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应管）、JFET（结型场效应管）和IGBT（绝缘栅双极型晶体管）。
MOSFET是最常见的一种场效应管。
四、场效应管的特点和优势1. 高输入阻抗：场效应管的栅极是绝缘层，因此栅极和源极之间的电流极小，使得场效应管具有很高的输入阻抗。
2. 低噪声：由于高输入阻抗的特性，场效应管的噪声很低。
3. 低功耗：场效应管的控制电流很小，从而使得其功耗较低。
4. 快速开关速度：场效应管的开关速度较快，适合高频应用。
五、场效应管的应用领域场效应管广泛应用于各种电子设备中，包括放大器、开关电路、调节电路、振荡器等。
在电子行业中，场效应管已经成为一种重要的电子元件。
六、场效应管的优化和发展随着科技的不断进步，场效应管也在不断优化和发展。
目前，一些新型的场效应管已经出现，如高电压场效应管、功率场效应管等，以满足不同领域对场效应管的需求。
场效应管作为一种重要的电子元件，具有较高的输入阻抗、低噪声、低功耗和快速开关速度等特点，广泛应用于各种电子设备中。
随着科技的不断发展，场效应管的优化和发展也在不断进行，使其能更好地满足不同领域的需求。
场效应管的研究和应用将继续推动电子技术的发展，为人们的生活带来更多便利和创新。
第三节场效应管ppt课件
rce=102-104 很高 差 较复杂 基极 发射极 集电极
场效应管 电压控制 N沟道和P沟道 gm=1-5mA/V rds=107-1014 很高 好 简单、成本低 栅极 源极 漏极
使用绝缘栅场效应 管时，要注意选择 适当的参数，不要 超极限使用。
特别要注意：在保 存及安装时，应使 三个电极保持短路； 焊接烙铁须接地良 好。
gm I D = U GS U DS
场效应管和晶体管的比较
控制方式 类型 放大参数
输入电阻 输出电阻 热稳定性 制造工艺 对应极
晶体管 电流控制 NPN型和PNP型 20-100
N+
若在场效应管加上栅源电 压 UGS ， 则 原 始 沟 道 的 P
大小将受该电压的控制， 即漏源之间的导电能力受
N沟道耗尽型绝缘栅管的结构
栅源电压UGS控制。
D
G S
对应的符号
耗尽型绝缘栅场效应管的特性曲线
ID
(mA) UDS=常数
ID
(mA)
1
12 IDS
8S
UG S(of f)
4
UGS(
V) -3 -2 -1 0 1 2
道
2V UGS=1V
UDS( V)
转移特性曲线
（输入电压对输出电流的 控制特性）
漏极特性曲线 (也叫输出特性曲线)
P沟道增强型绝缘栅场效应管的结构及表示符号：
S
G
D
D
P+
P+效应管
S
G
D
增强型绝缘栅场效应管在
加电压后才能生成沟道，
而耗尽型场效应管是有原
始沟道存在的。
N+
场效应管
结型场效应管 绝缘栅场效应管
场效应管 电压控制 N沟道和P沟道 gm=1-5mA/V rds=107-1014 很高 好 简单、成本低 栅极 源极 漏极
使用绝缘栅场效应 管时，要注意选择 适当的参数，不要 超极限使用。
特别要注意：在保 存及安装时，应使 三个电极保持短路； 焊接烙铁须接地良 好。
gm I D = U GS U DS
场效应管和晶体管的比较
控制方式 类型 放大参数
输入电阻 输出电阻 热稳定性 制造工艺 对应极
晶体管 电流控制 NPN型和PNP型 20-100
N+
若在场效应管加上栅源电 压 UGS ， 则 原 始 沟 道 的 P
大小将受该电压的控制， 即漏源之间的导电能力受
N沟道耗尽型绝缘栅管的结构
栅源电压UGS控制。
D
G S
对应的符号
耗尽型绝缘栅场效应管的特性曲线
ID
(mA) UDS=常数
ID
(mA)
1
12 IDS
8S
UG S(of f)
4
UGS(
V) -3 -2 -1 0 1 2
道
2V UGS=1V
UDS( V)
转移特性曲线
（输入电压对输出电流的 控制特性）
漏极特性曲线 (也叫输出特性曲线)
P沟道增强型绝缘栅场效应管的结构及表示符号：
S
G
D
D
P+
P+效应管
S
G
D
增强型绝缘栅场效应管在
加电压后才能生成沟道，
而耗尽型场效应管是有原
始沟道存在的。
N+
场效应管
结型场效应管 绝缘栅场效应管
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第三章
3.0
场效应管
概述
3.1
3.2
MOS场效应管
结型场效应管
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。
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：
D1
T
D2
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。
VGS > VGS(th) 条件： V DS > VGS–VGS(th) 特点：
0
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。
数学模型：
工作在饱和区时， MOS 管的正向受控作用，服 从平方律关系式： n COXW ID (VGS VGS(th) ) 2 2l 若考虑沟道长度调制效应，则ID的修正方程：
• 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
绝缘栅型场效应管MOSFET 按结构不同分为 N沟道 结型场效应管JFET P沟道 N沟道 耗尽型（DMOS） P沟道
MOSFET
（按工作方式不同）
N沟道 增强型（EMOS） P沟道
计及衬底效应的MOS管简化电路模型 考虑到衬底电压vus对漏极电流id的控制作用，小信
号等效电路中需增加一个压控电流源gmuvus。
id
g d
vgs
s -
+
gmvgs
gmuvus
rds
vds
-
+
gmu称背栅跨导，工程上 g mu
iD vus
Q
g m
为常数，一般 = 0.1~ 0.2
1/( I EQ )相似。
iD MOS管跨导 g m vGS
Q
利用 I D 得 gm
COXW
2l
Q
(VGS VGS(th) ) 2
iD vGS
2
COXW
2l
I DQ
iC 三极管跨导 g m v BE
Q
re
38.5I CQ
通常MOS管的跨导比三极管的跨导要小一个 数量级以上，即MOS管放大能力比三极管弱。
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 = 5V ID/mA VDS = VGS –VGS(th)
VGS =5V
4.5V 4V 3.5V
0
1
2 3 4 VGS(th) = 3V
5 V /V GS
0
VDS = 5V
D
A P
若VDS 继续→A点左移→出现夹断区
此时
VAS =VAG +VGS =-VGS(th) +VGS （恒定）
若忽略沟道长度调制效应，则近似认为l 不变（即Ron不变）。
因此预夹断后： VDS →ID 基本维持不变。
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
0 V –V GS GS(th)
VDS
曲线形状类似三极管输出特性。
MOSFET工作原理：
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。
3.1.1
增强型MOS场效应管
N沟道EMOSFET结构示意图
源极 衬底极
U S G D W
金属栅极 漏极
电路符号
D G S 沟道长度 U
P+ N+ N+ P+
沟道 宽度
SiO2 绝缘层 P型硅 衬底
l
P
N沟道EMOS管工作原理
N沟道EMOS管外部工作条件
• VDS > 0 (保证栅漏PN结反偏)。
MOS管高频小信号电路模型 当高频应用、需计及管子极间电容影响时，应采 用如下高频等效电路模型。
栅漏极间 平板电容
Cgd
g
id
vds
+ d
vgs Cgs
-
+
gmvgs s
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 MOS场效应管
增强型（EMOS） N沟道（NMOS） P沟道（PMOS） 耗尽型（DMOS） N沟道（NMOS） P沟道（PMOS）
MOSFET
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。
因此，非饱和区又称为可变电阻区。
数学模型：
VDS很小MOS管工作在非饱区时，ID与VDS之间呈线性关系：
ID
n COXW
2l
2 [2(VGS VGS(th) )VDS VDS ]
n COXW
l
(VGS VGS(th) )VDS
其中：W、l 为沟道的宽度和长度。 COX （= / OX）为单位面积的栅极电容量。
即
VDS < 0 、VGS < 0
3.1.2 耗尽型MOS场效应管 DMOS管结构
U
S P+ N+ G N+ D
D
ID
U
N沟道 DMOS
G
P
S
VGS=0时，导电沟道已存在
U S N+ P+ G P+ D
沟道线是实线
D
ID
U
P沟道 DMOS
G
N
S
NDMOS管伏安特性
ID/mA VDS = VGS –VGS(th) VGS =1V
VDS /V
转移特性曲线中,ID =0 时对应的VGS值,即开启 电压VGS（th） 。
P沟道EMOS管
VGS + P+ N
VDS + G P+ D
U N+
S
D
G S
ID
U
N沟道EMOS管与P沟道EMOS管工作原理相似。 电路符号中的箭头方向相反。 不同之处： 外加电压极性相反、电流ID流向相反。
2l n COXW (VGS VGS(th) ) 2 1 VDS 2l 其中： 称沟道长度调制系数，其值与l 有关。 通常 =( 0.005 ~ 0.03 )V-1
ID
n COXW
VDS (VGS VGS(th) ) 1 V A
四种MOS场效应管比较
D
电路符号及电流流向
ID
U G
ID
U G
D
ID
U G
D
ID
U
Hale Waihona Puke GS NEMOSS NDMOS
S PEMOS
S PDMOS
转移特性
ID ID
ID ID
0 VGS(th)
VGS
VGS(th) 0
VGS
VGS(th) 0 V GS
0 VGS(th VGS
)
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
此时MOS管可看成阻值受VGS控制的线性电阻器：
1 V V GS GS(th) 注意：非饱和区相当于三极管的饱和区。 l Ron n COXW
饱和区
沟道预夹断后对应的工作区。
ID/mA VDS = VGS –VGS(th)
VGS =5V 4.5V 4V 3.5V
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
ID
COXW
2l
(VGS VGS(th) ) 2
临界饱和工作条件 |VGS| = |VGS(th) |， |VGS| > |VGS(th) |， |VGS| > |VGS(th) | ，
0. 5V 0V
ID/mA
-0. 5V
- 1V -1. 5V
0
-1. 8V
VDS /V
VGS(th)
0
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。
3.1.3
D
3.1.4
小信号电路模型
ic ib
+ d b
3.0
场效应管
概述
3.1
3.2
MOS场效应管
结型场效应管
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。
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：
D1
T
D2
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。
VGS > VGS(th) 条件： V DS > VGS–VGS(th) 特点：
0
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。
数学模型：
工作在饱和区时， MOS 管的正向受控作用，服 从平方律关系式： n COXW ID (VGS VGS(th) ) 2 2l 若考虑沟道长度调制效应，则ID的修正方程：
• 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
绝缘栅型场效应管MOSFET 按结构不同分为 N沟道 结型场效应管JFET P沟道 N沟道 耗尽型（DMOS） P沟道
MOSFET
（按工作方式不同）
N沟道 增强型（EMOS） P沟道
计及衬底效应的MOS管简化电路模型 考虑到衬底电压vus对漏极电流id的控制作用，小信
号等效电路中需增加一个压控电流源gmuvus。
id
g d
vgs
s -
+
gmvgs
gmuvus
rds
vds
-
+
gmu称背栅跨导，工程上 g mu
iD vus
Q
g m
为常数，一般 = 0.1~ 0.2
1/( I EQ )相似。
iD MOS管跨导 g m vGS
Q
利用 I D 得 gm
COXW
2l
Q
(VGS VGS(th) ) 2
iD vGS
2
COXW
2l
I DQ
iC 三极管跨导 g m v BE
Q
re
38.5I CQ
通常MOS管的跨导比三极管的跨导要小一个 数量级以上，即MOS管放大能力比三极管弱。
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 = 5V ID/mA VDS = VGS –VGS(th)
VGS =5V
4.5V 4V 3.5V
0
1
2 3 4 VGS(th) = 3V
5 V /V GS
0
VDS = 5V
D
A P
若VDS 继续→A点左移→出现夹断区
此时
VAS =VAG +VGS =-VGS(th) +VGS （恒定）
若忽略沟道长度调制效应，则近似认为l 不变（即Ron不变）。
因此预夹断后： VDS →ID 基本维持不变。
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
0 V –V GS GS(th)
VDS
曲线形状类似三极管输出特性。
MOSFET工作原理：
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。
3.1.1
增强型MOS场效应管
N沟道EMOSFET结构示意图
源极 衬底极
U S G D W
金属栅极 漏极
电路符号
D G S 沟道长度 U
P+ N+ N+ P+
沟道 宽度
SiO2 绝缘层 P型硅 衬底
l
P
N沟道EMOS管工作原理
N沟道EMOS管外部工作条件
• VDS > 0 (保证栅漏PN结反偏)。
MOS管高频小信号电路模型 当高频应用、需计及管子极间电容影响时，应采 用如下高频等效电路模型。
栅漏极间 平板电容
Cgd
g
id
vds
+ d
vgs Cgs
-
+
gmvgs s
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 MOS场效应管
增强型（EMOS） N沟道（NMOS） P沟道（PMOS） 耗尽型（DMOS） N沟道（NMOS） P沟道（PMOS）
MOSFET
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。
因此，非饱和区又称为可变电阻区。
数学模型：
VDS很小MOS管工作在非饱区时，ID与VDS之间呈线性关系：
ID
n COXW
2l
2 [2(VGS VGS(th) )VDS VDS ]
n COXW
l
(VGS VGS(th) )VDS
其中：W、l 为沟道的宽度和长度。 COX （= / OX）为单位面积的栅极电容量。
即
VDS < 0 、VGS < 0
3.1.2 耗尽型MOS场效应管 DMOS管结构
U
S P+ N+ G N+ D
D
ID
U
N沟道 DMOS
G
P
S
VGS=0时，导电沟道已存在
U S N+ P+ G P+ D
沟道线是实线
D
ID
U
P沟道 DMOS
G
N
S
NDMOS管伏安特性
ID/mA VDS = VGS –VGS(th) VGS =1V
VDS /V
转移特性曲线中,ID =0 时对应的VGS值,即开启 电压VGS（th） 。
P沟道EMOS管
VGS + P+ N
VDS + G P+ D
U N+
S
D
G S
ID
U
N沟道EMOS管与P沟道EMOS管工作原理相似。 电路符号中的箭头方向相反。 不同之处： 外加电压极性相反、电流ID流向相反。
2l n COXW (VGS VGS(th) ) 2 1 VDS 2l 其中： 称沟道长度调制系数，其值与l 有关。 通常 =( 0.005 ~ 0.03 )V-1
ID
n COXW
VDS (VGS VGS(th) ) 1 V A
四种MOS场效应管比较
D
电路符号及电流流向
ID
U G
ID
U G
D
ID
U G
D
ID
U
Hale Waihona Puke GS NEMOSS NDMOS
S PEMOS
S PDMOS
转移特性
ID ID
ID ID
0 VGS(th)
VGS
VGS(th) 0
VGS
VGS(th) 0 V GS
0 VGS(th VGS
)
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
此时MOS管可看成阻值受VGS控制的线性电阻器：
1 V V GS GS(th) 注意：非饱和区相当于三极管的饱和区。 l Ron n COXW
饱和区
沟道预夹断后对应的工作区。
ID/mA VDS = VGS –VGS(th)
VGS =5V 4.5V 4V 3.5V
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
ID
COXW
2l
(VGS VGS(th) ) 2
临界饱和工作条件 |VGS| = |VGS(th) |， |VGS| > |VGS(th) |， |VGS| > |VGS(th) | ，
0. 5V 0V
ID/mA
-0. 5V
- 1V -1. 5V
0
-1. 8V
VDS /V
VGS(th)
0
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。
3.1.3
D
3.1.4
小信号电路模型
ic ib
+ d b