模拟电子技术 罗桂娥 第三章
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沟道宽度
B
O
uDS
沟道宽度
uGS = – 3 V
夹断区
UGS(off)
–3V
输出特性曲线
uDS
UGS S i S -
转移特性曲线
② 放大区（恒流区或饱和区）： ④ 击穿区： 沟道夹断，但未完全夹断。 uGS>UGS(off) ， uGD<UGS(off) ③ 夹断区： 导电沟道被完全夹断。 uGS<UGS(off) 当UDS大于击 穿电压时， 栅—漏耗尽 层被破坏， 价电子被大 量激发， iD 大增。
uDS
当uGS恒定而 uDS增加时，一方面， 导电沟道变窄使 iD减小；另一方面， D—S 之间的电场（或电压）增加，使 iD增加，总的结果使 iD基本不变。 即iD基本不受 uDS的影响，而是受 uGS控制。
uGS S i S
（2）转移特性曲线：
iD f ( uGS ) U
DS
3.2.2 N沟道耗尽型 MOSFET
uGS /V
工作状 态 恒流
解： 从iD的方向可知 uGS < 0 < UGS(th) FET截止 因为给定 为UGS(th) ， 故都为增 强型
UGS(th) (V) 4，N,增强
UGD(V) =-2<4 UGD<UGS(th)
T1
对N沟道增强型MOSFET： 当uGS U GS ( th) 0；U GD < U GS ( th) , U DS 0 管子工作在放大区
D S B S
N+
G D
N+ P 型衬底
耗 尽 层
(掺杂浓度低)
S — 源极 Source 在硅片表面生一 在绝缘层上喷金 用金属铝引出 用扩散的方法 G —SiO 栅极 Gate 层薄 属铝引出栅极 G 源极 S 和漏极 D 制作两个 N区 2 绝缘层 D — 漏极 Drain
① uGS=0时，不存在导电沟道 ② 0 < uGS < uGS(th)(开启电压)时，GB 间的垂 直电场赶走G极下 P 区中的空穴形成离子区 (耗尽层) ③ uGS >UGS(th) 时，衬底中电子被吸引到 P 区中G极下 ， 形成导电沟道（反型层）。 uGS 越大沟道越厚。
3.1.1 JFET 的结构与工作原理 3.1.2 JFET 的特性曲线
3.1.1 JFET 的结构与工作原理 1. 结构与符号
导电沟道
2. N 沟道 JFET 的工作原理
1）UGS 对沟道的控制作用（设 UDS=0）
当UGS<0，PN结反偏 当UGS<UGS(off) 时， 导电沟道消失， 沟道电阻→∞。
DS常数
i D I DS S (1
uGS 2 ) U GS (off)
【问题引导】与双极型三极管相比，为什么场效应管没有 输入特性曲线？ 场效应管的输入电阻＝？栅极电流＝？
3.2.1 N沟道增强型 MOSFET 1. 结构与符号
G S
N+
2. 工作原理
1)uGS 对导电沟道的影响 (uDS = 0)
N 沟道耗尽型 MOSFET （续）
D iD G + + iD /mA iD /mA
三、 P 沟道 MOSFET 增强型 耗尽型
uDS
O
uGS S i S
2V 饱和漏 0V IDSS 极电流 2 V 夹断 uGS = 4 V 电压 uDS /V UGS(off)O uGS /V 输出特性 转移特性
–3V
击穿区
D
iD
+ -
IDSS + uGS
O
RD VDD (Metal Oxide Semi— FET )
G
uDS
uGS = – 3 V
夹断区
输出特性曲线
uDS
UGS S i S -
转移特性曲线
夹断电压 （2）转移特性曲线： 当 UGS(off) uGS 0 时（恒流区）：
iD f (uGS ) u
对N沟道增强型MOSFET： 当uGS U GS ( th ) 0；U GD <U GS ( th ) , U DS 0 管子工作在放大区
4
2016-9-4
例C 判断下图各场效应管的工作状态。已知 UGS（th）=2V iD
例D 3个MOS 管的各极电位和开启电压如表所示，分析 各管的工作状态。 i /mA
iD f (u DS ) u
① 可变电阻区（非饱和区）： 导电沟道处于非夹断状态， uGS>UGS(off) ， uGD>UGS(off)
【问题引导】场效应管当开关管使用时是工作在什么区？
3.1.2 JFET 的特性曲线
iD
可变电阻区 恒流区
饱和漏极电流
0V –1V –2V
iD UGS(off)
【问题思考】 uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS＞0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS＜0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？
N沟道 MOSFET 工作区判断
例A 判断下图各场效应管的工作状态。已知 UGS（th）=-2V iD
例B 判断下图各场效应管的工作状态。已知 UGS（th）=2V iD uGD=0<UGS(th) 若FET截止，则 iD=0，
iD /mA UDS = 10 V UGS (th) 开启电压
2 4 6
D G +
iD
+ -ຫໍສະໝຸດ Baidu
uDS
uGS S i S -
4 3 2 1 O
D G B S
UGS(OFF )
沟道宽度
0
UGS
uGS /V
当 uGS > UGS(th) 时（恒流区）：
iD I DO (
uGS 1)2 U GS (th)
引 言
场效应管 FET (Field Effect Transistor ) 类型： 结型 JFET (Junction Field Effect Transistor ) 绝缘栅型 IGFET (Insulated Gate FET ) 1. 单极性器件(每个FET中只有一种载流子导电 ) 2. 输入电阻高 特点： (107 1015 ，IGFET 可高达 1015 ) 3. 工艺简单、易集成、功耗小、低噪声、成本低
UGS(off)
5 –5 O
IDSS uGS /V
5
N 沟道耗尽型
S
uGS /V
P 沟道耗尽型
uDS /V
【问题引导】 MOSFET 的转移特性曲线是怎么变化的？
N沟道增强型转移特性曲线左移至与纵轴相交，变成 N沟道耗尽型！ P沟道增强型转移特性曲线右移至与纵轴相交，变成 P沟道耗尽型！
【问题引导】结型场效应管的转移特性曲线是怎么变化的？ N沟道结型 FET 与N沟道耗尽型 MOSFET 相似！ P沟道结型 FET 与P沟道耗尽型 MOSFET 相似！
iD
恒流区
沟道为楔型（因为从 S到D端存在电位梯度）
0V –1V –2V
iD
击穿区
IDSS + uGS
O
D G
iD
+ -
RD VDD
预夹断 D G +
iD
+ -
uDS
RD VDD
UGS(OFF )
VGG S i S -
0
UGS
（1）输出特性曲线：
(a) uGD>UGS(off) 时，未夹断状态。 D—S 呈电阻特性。 (b) uGD=UGS(off) 时，预夹断状态。 (c) uGD<UGS(off) 时，夹断状态。当 uGS恒定而 uDS增加时，一方面， 导电沟道 变窄使 iD减小；另一方面， D—S 之间的电场（或电压）增加，使 iD增加， 总的结果使 iD基本不变。即 iD基本不受 uDS的影响，而是受 uGS控制。
D
D B G B S
当 uGS UGS(off) 时，
i D I DSS (1
uGS 2 ) U GS(of f )
G
S
3
2016-9-4
FET 符号、特性的比较
D G iD B S G D iD B
iD /mA
iD /mA uGS = 2 V –2 V 0V 0V –2V 2V –5V 5V O
T2 T3
-4， P,增强 -4 ， P,增强
Sio 2 绝缘层中掺入正离子在 uGS = 0 时已形成 沟道；在 DS 间加正电压时形成 iD， uGS UGS(off) 时，全夹断。
IDO — uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值
【问题引导】 MOSFET 的输入电阻＝？栅极电流＝？ 与双极型三极管相比，为什么场效应管没有输入特性曲线？
D G + -
iD
+ -
uDS
当|UGS|增加时， 导电沟道均匀变窄， 沟道电阻增加。
uGS S i S
沟道宽度
N 沟道 JFET 栅极 G(g)— 漏极 D(d)—
P 沟道 JFET 源极 S(s)—
UGS(OFF ) 0 UGS
【问题引导】什么是增强型？什么是耗尽型？ 结型场效应管是增强型还是耗尽型？
工作在恒流区时 g-s、d-s间的电压极性
N沟道 (uGS＜0， u DS＞0) 结型 P沟道 (uGS＞0， u DS＜0) N沟道 (uGS＞0， u DS＞0) 场效应管 增强型 P沟道 (uGS＜0， u DS＜0) 绝缘栅型 N沟道 (uGS极性任意， u DS＞0) 耗尽型 P沟道 (u 极性任意， u ＜0) GS DS
GS常数
O
3.2.1 N 沟道增强型 MOSFET 3.2.2 N 沟道耗尽型 MOSFET
G D
N+ P 型衬底
D G + 反型层 耗尽层 (沟道 ) -
iD
+ -
uDS
B
uGS S i S
0 UGS(th)
UGS
2
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2) uDS 对 导电沟道和 iD的影响(uGS > UGS(th), uGD=uGS-uDS) uGS>UGS(th) ，uDS>0时，沟道为楔型 （越靠近 D端， PN结反向电压越大 ） (PN结越厚 ) (a) uGD>UGS(th) 时， 未夹断状态。 D—S 呈电阻特性。 (b) uGD=UGS(th) 时， 预夹断状态。 (c) uGD<UGS(th) 时，夹断状态。
3. 特性曲线
沟道宽度
（1）输出特性曲线： iD /mA 8V 可 变 6V 电 放大区 恒流区 饱和区 4V 阻 区 uGS = 2 V O 截止区 uDS /V
i D f ( uDS ) U
GS
0 UGS(th)
UGS
D G +
iD
+ -
uDS
D G + -
uGS S i S -
iD
+ -
① 可变电阻区 (非饱和区 )： ② 恒流区（饱和区）： 沟道处于非夹断状态。 uGS>UGS(th) ， uGD>UGS(th) ③ 夹断区（截止区）： 导电沟道被完全夹断。 uGS<UGS(th) 沟道夹断但未完全夹断 。 uGS>UGS(th) ， uGD<UGS(th) ④ 击穿区： 当UDS大于击穿电压时， 栅—漏耗尽层被破坏，价 电子被大量激发， iD大增。
UGS(off) —夹断电压。对于 N沟道， UGS(off) <0
1
2016-9-4
2） uDS 对沟道的控制作用 设uGS 0，uDS > 0， uGD = uGS - uDS
【问题引导】沟道被夹断后， 漏极电流就变成零了吗？ 沟道只有被完全夹断， 漏极电流才变成零！
可变电阻区
3.1.2 JFET 的特性曲线
UGS(th)
uGS
UGS(th)
uGS
uGS=uDS=10V> UGS(th) 所以FET不会截止， FET处于放大状态
对P沟道增强型MOSFET： 当uGS U GS (th ) 0, 管子工作在放大区
从iD的方向可知 uGS>=0> UGS(th) FET截止 为什么要画出转移特性曲线？ 为了便于分析！
D iD G S G
D iD S
UGS(th)
–2O2
N 沟道增强型
S P 沟道增强型 D G iD B S
uGS /V
uDS /V iD /mA
N 沟道结型
P 沟道结型
D G
iD B
iD /mA UGS(off)
–5
iD /mA uGS = 0 V 0 V –2V –5V O 2V 5V
IDSS
O
D
管号 T1 T2 T3
UGS(th) (V) 4 -4 -4 管号
VS (V) -5 0 6
VG(V) 1 -3 0
VD(V) 3 -10 5 UGS (V) ＝6>4 UGS>UGS(th) =-3>-4 UGS>UGS(th) ＝-6<-4 S开启
UGS(th)
–4 O 4
UGS(th)
uGS
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第3章 场效应管及其基 本放大电路
3.1 结型场效应管 3.2 绝缘栅场效应管 3.3 场效应管的主要参数及交流小信号模型 3.4 场效应管放大电路 3.5 辅修内容 小 结
电子电路
包含半导体元件 等等 在数字集成电路中应用更广泛
？？？
你知道吗？ 你想知道吗？
场效应管的结构与特性？ 场效应管有放大作用？ 怎样用场效应管构成放大电路？
B
O
uDS
沟道宽度
uGS = – 3 V
夹断区
UGS(off)
–3V
输出特性曲线
uDS
UGS S i S -
转移特性曲线
② 放大区（恒流区或饱和区）： ④ 击穿区： 沟道夹断，但未完全夹断。 uGS>UGS(off) ， uGD<UGS(off) ③ 夹断区： 导电沟道被完全夹断。 uGS<UGS(off) 当UDS大于击 穿电压时， 栅—漏耗尽 层被破坏， 价电子被大 量激发， iD 大增。
uDS
当uGS恒定而 uDS增加时，一方面， 导电沟道变窄使 iD减小；另一方面， D—S 之间的电场（或电压）增加，使 iD增加，总的结果使 iD基本不变。 即iD基本不受 uDS的影响，而是受 uGS控制。
uGS S i S
（2）转移特性曲线：
iD f ( uGS ) U
DS
3.2.2 N沟道耗尽型 MOSFET
uGS /V
工作状 态 恒流
解： 从iD的方向可知 uGS < 0 < UGS(th) FET截止 因为给定 为UGS(th) ， 故都为增 强型
UGS(th) (V) 4，N,增强
UGD(V) =-2<4 UGD<UGS(th)
T1
对N沟道增强型MOSFET： 当uGS U GS ( th) 0；U GD < U GS ( th) , U DS 0 管子工作在放大区
D S B S
N+
G D
N+ P 型衬底
耗 尽 层
(掺杂浓度低)
S — 源极 Source 在硅片表面生一 在绝缘层上喷金 用金属铝引出 用扩散的方法 G —SiO 栅极 Gate 层薄 属铝引出栅极 G 源极 S 和漏极 D 制作两个 N区 2 绝缘层 D — 漏极 Drain
① uGS=0时，不存在导电沟道 ② 0 < uGS < uGS(th)(开启电压)时，GB 间的垂 直电场赶走G极下 P 区中的空穴形成离子区 (耗尽层) ③ uGS >UGS(th) 时，衬底中电子被吸引到 P 区中G极下 ， 形成导电沟道（反型层）。 uGS 越大沟道越厚。
3.1.1 JFET 的结构与工作原理 3.1.2 JFET 的特性曲线
3.1.1 JFET 的结构与工作原理 1. 结构与符号
导电沟道
2. N 沟道 JFET 的工作原理
1）UGS 对沟道的控制作用（设 UDS=0）
当UGS<0，PN结反偏 当UGS<UGS(off) 时， 导电沟道消失， 沟道电阻→∞。
DS常数
i D I DS S (1
uGS 2 ) U GS (off)
【问题引导】与双极型三极管相比，为什么场效应管没有 输入特性曲线？ 场效应管的输入电阻＝？栅极电流＝？
3.2.1 N沟道增强型 MOSFET 1. 结构与符号
G S
N+
2. 工作原理
1)uGS 对导电沟道的影响 (uDS = 0)
N 沟道耗尽型 MOSFET （续）
D iD G + + iD /mA iD /mA
三、 P 沟道 MOSFET 增强型 耗尽型
uDS
O
uGS S i S
2V 饱和漏 0V IDSS 极电流 2 V 夹断 uGS = 4 V 电压 uDS /V UGS(off)O uGS /V 输出特性 转移特性
–3V
击穿区
D
iD
+ -
IDSS + uGS
O
RD VDD (Metal Oxide Semi— FET )
G
uDS
uGS = – 3 V
夹断区
输出特性曲线
uDS
UGS S i S -
转移特性曲线
夹断电压 （2）转移特性曲线： 当 UGS(off) uGS 0 时（恒流区）：
iD f (uGS ) u
对N沟道增强型MOSFET： 当uGS U GS ( th ) 0；U GD <U GS ( th ) , U DS 0 管子工作在放大区
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例C 判断下图各场效应管的工作状态。已知 UGS（th）=2V iD
例D 3个MOS 管的各极电位和开启电压如表所示，分析 各管的工作状态。 i /mA
iD f (u DS ) u
① 可变电阻区（非饱和区）： 导电沟道处于非夹断状态， uGS>UGS(off) ， uGD>UGS(off)
【问题引导】场效应管当开关管使用时是工作在什么区？
3.1.2 JFET 的特性曲线
iD
可变电阻区 恒流区
饱和漏极电流
0V –1V –2V
iD UGS(off)
【问题思考】 uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS＞0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS＜0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？
N沟道 MOSFET 工作区判断
例A 判断下图各场效应管的工作状态。已知 UGS（th）=-2V iD
例B 判断下图各场效应管的工作状态。已知 UGS（th）=2V iD uGD=0<UGS(th) 若FET截止，则 iD=0，
iD /mA UDS = 10 V UGS (th) 开启电压
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D G +
iD
+ -ຫໍສະໝຸດ Baidu
uDS
uGS S i S -
4 3 2 1 O
D G B S
UGS(OFF )
沟道宽度
0
UGS
uGS /V
当 uGS > UGS(th) 时（恒流区）：
iD I DO (
uGS 1)2 U GS (th)
引 言
场效应管 FET (Field Effect Transistor ) 类型： 结型 JFET (Junction Field Effect Transistor ) 绝缘栅型 IGFET (Insulated Gate FET ) 1. 单极性器件(每个FET中只有一种载流子导电 ) 2. 输入电阻高 特点： (107 1015 ，IGFET 可高达 1015 ) 3. 工艺简单、易集成、功耗小、低噪声、成本低
UGS(off)
5 –5 O
IDSS uGS /V
5
N 沟道耗尽型
S
uGS /V
P 沟道耗尽型
uDS /V
【问题引导】 MOSFET 的转移特性曲线是怎么变化的？
N沟道增强型转移特性曲线左移至与纵轴相交，变成 N沟道耗尽型！ P沟道增强型转移特性曲线右移至与纵轴相交，变成 P沟道耗尽型！
【问题引导】结型场效应管的转移特性曲线是怎么变化的？ N沟道结型 FET 与N沟道耗尽型 MOSFET 相似！ P沟道结型 FET 与P沟道耗尽型 MOSFET 相似！
iD
恒流区
沟道为楔型（因为从 S到D端存在电位梯度）
0V –1V –2V
iD
击穿区
IDSS + uGS
O
D G
iD
+ -
RD VDD
预夹断 D G +
iD
+ -
uDS
RD VDD
UGS(OFF )
VGG S i S -
0
UGS
（1）输出特性曲线：
(a) uGD>UGS(off) 时，未夹断状态。 D—S 呈电阻特性。 (b) uGD=UGS(off) 时，预夹断状态。 (c) uGD<UGS(off) 时，夹断状态。当 uGS恒定而 uDS增加时，一方面， 导电沟道 变窄使 iD减小；另一方面， D—S 之间的电场（或电压）增加，使 iD增加， 总的结果使 iD基本不变。即 iD基本不受 uDS的影响，而是受 uGS控制。
D
D B G B S
当 uGS UGS(off) 时，
i D I DSS (1
uGS 2 ) U GS(of f )
G
S
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FET 符号、特性的比较
D G iD B S G D iD B
iD /mA
iD /mA uGS = 2 V –2 V 0V 0V –2V 2V –5V 5V O
T2 T3
-4， P,增强 -4 ， P,增强
Sio 2 绝缘层中掺入正离子在 uGS = 0 时已形成 沟道；在 DS 间加正电压时形成 iD， uGS UGS(off) 时，全夹断。
IDO — uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值
【问题引导】 MOSFET 的输入电阻＝？栅极电流＝？ 与双极型三极管相比，为什么场效应管没有输入特性曲线？
D G + -
iD
+ -
uDS
当|UGS|增加时， 导电沟道均匀变窄， 沟道电阻增加。
uGS S i S
沟道宽度
N 沟道 JFET 栅极 G(g)— 漏极 D(d)—
P 沟道 JFET 源极 S(s)—
UGS(OFF ) 0 UGS
【问题引导】什么是增强型？什么是耗尽型？ 结型场效应管是增强型还是耗尽型？
工作在恒流区时 g-s、d-s间的电压极性
N沟道 (uGS＜0， u DS＞0) 结型 P沟道 (uGS＞0， u DS＜0) N沟道 (uGS＞0， u DS＞0) 场效应管 增强型 P沟道 (uGS＜0， u DS＜0) 绝缘栅型 N沟道 (uGS极性任意， u DS＞0) 耗尽型 P沟道 (u 极性任意， u ＜0) GS DS
GS常数
O
3.2.1 N 沟道增强型 MOSFET 3.2.2 N 沟道耗尽型 MOSFET
G D
N+ P 型衬底
D G + 反型层 耗尽层 (沟道 ) -
iD
+ -
uDS
B
uGS S i S
0 UGS(th)
UGS
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2) uDS 对 导电沟道和 iD的影响(uGS > UGS(th), uGD=uGS-uDS) uGS>UGS(th) ，uDS>0时，沟道为楔型 （越靠近 D端， PN结反向电压越大 ） (PN结越厚 ) (a) uGD>UGS(th) 时， 未夹断状态。 D—S 呈电阻特性。 (b) uGD=UGS(th) 时， 预夹断状态。 (c) uGD<UGS(th) 时，夹断状态。
3. 特性曲线
沟道宽度
（1）输出特性曲线： iD /mA 8V 可 变 6V 电 放大区 恒流区 饱和区 4V 阻 区 uGS = 2 V O 截止区 uDS /V
i D f ( uDS ) U
GS
0 UGS(th)
UGS
D G +
iD
+ -
uDS
D G + -
uGS S i S -
iD
+ -
① 可变电阻区 (非饱和区 )： ② 恒流区（饱和区）： 沟道处于非夹断状态。 uGS>UGS(th) ， uGD>UGS(th) ③ 夹断区（截止区）： 导电沟道被完全夹断。 uGS<UGS(th) 沟道夹断但未完全夹断 。 uGS>UGS(th) ， uGD<UGS(th) ④ 击穿区： 当UDS大于击穿电压时， 栅—漏耗尽层被破坏，价 电子被大量激发， iD大增。
UGS(off) —夹断电压。对于 N沟道， UGS(off) <0
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2） uDS 对沟道的控制作用 设uGS 0，uDS > 0， uGD = uGS - uDS
【问题引导】沟道被夹断后， 漏极电流就变成零了吗？ 沟道只有被完全夹断， 漏极电流才变成零！
可变电阻区
3.1.2 JFET 的特性曲线
UGS(th)
uGS
UGS(th)
uGS
uGS=uDS=10V> UGS(th) 所以FET不会截止， FET处于放大状态
对P沟道增强型MOSFET： 当uGS U GS (th ) 0, 管子工作在放大区
从iD的方向可知 uGS>=0> UGS(th) FET截止 为什么要画出转移特性曲线？ 为了便于分析！
D iD G S G
D iD S
UGS(th)
–2O2
N 沟道增强型
S P 沟道增强型 D G iD B S
uGS /V
uDS /V iD /mA
N 沟道结型
P 沟道结型
D G
iD B
iD /mA UGS(off)
–5
iD /mA uGS = 0 V 0 V –2V –5V O 2V 5V
IDSS
O
D
管号 T1 T2 T3
UGS(th) (V) 4 -4 -4 管号
VS (V) -5 0 6
VG(V) 1 -3 0
VD(V) 3 -10 5 UGS (V) ＝6>4 UGS>UGS(th) =-3>-4 UGS>UGS(th) ＝-6<-4 S开启
UGS(th)
–4 O 4
UGS(th)
uGS
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第3章 场效应管及其基 本放大电路
3.1 结型场效应管 3.2 绝缘栅场效应管 3.3 场效应管的主要参数及交流小信号模型 3.4 场效应管放大电路 3.5 辅修内容 小 结
电子电路
包含半导体元件 等等 在数字集成电路中应用更广泛
？？？
你知道吗？ 你想知道吗？
场效应管的结构与特性？ 场效应管有放大作用？ 怎样用场效应管构成放大电路？