第3章场效应管

P沟道符号
（2） 工作原理
1) UGS =0
UDS ID = 0
D与S之间是两个
S
G
D
SiO2
PN结反向串联，
无论D与S之间加 什么极性的电压， 漏极电流均接近于 零。 N+
耗尽层 P型硅衬底
N+
衬底引线B
2）UGS >0 ，UDS =0
由于绝缘层SiO2的存在，栅极电流为零。 栅极金属层将聚集大量ห้องสมุดไป่ตู้电荷，排斥P 型衬底靠近SiO2的空穴，将衬底的自由 电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成 N型薄层，称为反型层。这个反型层就 构成了漏源之间的导电沟道。
ID
U GS 2 I DO ( 1) U GS ( th)
IDO
1
0
UGs(th)
2
4
6
UGS / V
IDO是UGS = 2UGS(th)时的ID。
2、N沟道耗尽型MOS管
制造时,在sio2绝缘层中掺入 大量的正离子,即使UGS =0， 在正离子的作用下，源-漏之 间也存在导电沟道。只要加 正向UDS ，就会产生ID。
PMOS耗尽型
（+）
（-） （+）
PMOS增强型
（-）
结型P沟道 结型N沟道
（+）
（-）
测得某放大电路中三个MOS管的三个电极的电位及它们的
开启电压如表所示。试分析各管的工作状态（截止区、恒
流区、可变电阻区）。
管号 T1 T2 T3
UGS(th)/V 4 -4 -4
Us/V -5 3 6
UG/V 1 3 0
2)恒流区：预夹断轨迹右边区域。 条件： UGD< UGS（off）
特点： ID只受UGS 控制
3)夹断区（截止区）： 导电沟道全部夹断。 条件：｜UGS ｜ UGS（off） 特点： ID 0
4)击穿区：UDS增加到一定程度， 电流急剧增大。
（2）转移特性 ID = f (UGS )
3.1.4
场效应管与双极型晶体管的比较
场效应管的栅极g、源极s、漏极d分别对应于晶体管的基极b、 发射极e、集电极c 1）FET是电压控制元件，输入阻抗很高； BJT 是电流控制元件，输入阻抗较小； 2）FET（单极型）多子参与导电，温度稳定性好，抗辐射能力 强， FET噪声系数小； BJT为多子和少子同时参与导电，性能差； 3）FET漏极与源极可以互换使用；BJT的发射极与集电极一般 不能互换使用； FET比BJT的种类多，组成电路更灵活； 4）FET工艺简单，功耗小，电源范围宽，更多用于大规模和超 大规模集成电路。 ５）ＭＯＳ管的栅极绝缘，外界感应电荷不易泄放．
3.1.1 结型场效应管
结型场效应管有N沟道和P沟道两种类型。 1. 结型场效应管的结构
源极S N沟道结型场效应管是在同一 块N型半导体上制作两个高掺 杂的P区，将它们连接在一起 引出电极栅极g。N型半导体 分别引出漏极d、源极s，P区 和N区的交界面形成耗尽层。 源极和漏极之间的非耗尽层称 为导电沟。
d
ID
g
A'
UDS
可变 电阻区
恒流区 s
夹断区
3.结型场效应管的特性
输出特性和转移特性 因场效应管栅极电流几乎为 零，不讨论输入特性。 （1）输出特性曲线
ID = f (UDS )
UGS
= 常数
1)可变电阻区： 预夹断轨
迹左边区域。 条件： UGD> UGS（off）。
特点：可通过改变UGS大
小来改变漏源间电阻值。 预夹断轨迹：通过连接各 曲线上UGD= UGS（off）的点 而成。
N+
P
N+
ID随着的UDS增加而线性增大。
衬底B
3）UGS > UGS(th） ，UDS >0 随着UDS的继续增大， UGD减 小，当UGD =UGS(th）时 ，导 电沟道在漏极一端产生夹断，
称为预夹断。
UDS继续增大，夹断区延长，漏 电流ID几乎不变，管子进入 恒流区，ID几乎仅仅决定于 UGS 。此时可以把ID近似看成 UGS控制的电流源。
1.4.2
绝缘栅型场效应管（MOS管)
绝缘栅型场效应管采用sio2绝缘层隔离，栅极为金属铝， 又称为MOS管。
MOS管分类： N沟道（ N MOS） 增强型 耗尽型 P沟道（ P MOS） 增强型 耗尽型
栅-源电压为零时，无导电沟道的管子称为增强型。 栅-源电压为零时，已建立了导电沟道的管子称为耗尽型。
+
iD /mA
10V 2
uI
-
uo
-
1
8V 6V 4V 5 10 15
0
(1)当uGS u I 0时，管子处于夹断状态 ，因而i D 0, uO u DS VDD i D RD VDD 15V
(2)当uGS u I 8V时，管子工作在恒流区 i D 1mA, 的 uO u DS VDD i D RD (15 1 5)V 10V
（1）ｇ、ｓ间和ｄ、ｓ间短路 （２）ｇ、ｓ间加负电压和ｄ、ｓ间短路
此时ＵGS的值 为夹断电压
UGS（off）
耗尽区很窄, 导电沟道宽
| UGS |增大，耗尽区 增宽，沟道变窄，沟 道电阻增大。
| UGS |增加到某一数值, 耗尽区相接,沟道消失,沟 道电阻趋于无穷大，沟 道夹断
（3）ｇ、ｓ间短路，ｄ、ｓ间加正向电压
（3）饱和漏极电流IDSS 对于耗尽型MOS管,在UGS =0情况下产生 预夹断时 的漏极电流。
（4）直流输入电阻RGS（DC）
栅-源电压与栅极电流的比值，其值很高,
一般为107-1010左右。
2、交流参数
（1）低频跨导 gm
管子工作在恒流区并且 UDS为常数时，漏极电流的微变量与引 起这个变化的栅-源电压的微变量之比称为低频跨导,即
1、N沟道增强型MOS管
源极S 栅极G 漏极D
SiO2
（1）结构
通常衬底和源
N+
N+
P型硅衬底
极连接在一起使用。 栅极和
衬底各相当于一个极板，中 间是绝缘层，形成电容。
衬底引线B
栅-源电压改变时，将改变
衬底靠近绝缘层处感应电荷 的多少，从而控制漏极电流 的大小。 G
D B S
D B S
G
N沟道符号
UGD = UGS - UDS = UDS
当UDS 增加到 UGS（off），漏极附
g
A A'
近的耗尽区相接，称为预夹断。
此时，UGD= UGS（off） UDS 再增加，夹断区长度增加 （AA'）。 预夹断时，导电沟道内仍有电流 ID ，且UDS增大时ID几乎不变，此 时的ID称为“饱和漏极电流IDSS”
UDS
= 常数
反映UGS对ID的控制作用
转移特性曲线与输出特性曲线有严格的对应关系 ID /mA ID /mA UGS =0V 4 4 IDSS – 1V 3 3 UGS=0时产 生预夹断时 –2 2 2 的漏极电流 –3V 1 1 –4V 0 –4–3–2–1 0 4 12 8 UGS(off) UDS=8V 转移特性 输出特性
S
G
D
N+
反型层
N+
P
此时的栅-源电压称为开启电压UGS(th)
UGS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小，同样
的ＵＤＳ产生的电流ＩＤ越大．
3）UGS > UGS(th） ，UDS >0
UDS作用产生漏极电流ID 。沟道
各点对栅极电压不再相等， 导电沟道宽度不再相等，沿
S
G
D
源-漏方向逐渐变窄。
UGD=UGS-UDS<UGS
UDS的作用产生漏极电流ID ， 使沟道中各点和栅极间的电压 不再相等，近漏极电压最大， 近源极电压最小。 导电沟道宽 g 度不再相等，近漏极沟道窄， 近源极沟道宽。 随着UDS 的增加， ID近似线 性增加, d—s间呈电阻特性。
d
iD
UDS
s
随着UDS 增加，ID增大。沟道在漏极处越来越窄。 ID d
ID /mA
IDSS 恒流区ID近似表达式为：
3
ID
U GS 2 I DSS (1 ) U GS ( off )
U
2
GS(off)
1
–4 –3 –2 –1
0
N沟结型场效应管，栅源之间加反向电压。
P沟结型场效应管，栅源之间加正向电压。 管子工作在可变电阻区时，不同的UDS ，转移特性曲 线有很大差别。
源极S 栅极G 漏极D SiO2
正离子
N+
反型层 P
B
结构示意图
N+
只有当UGS小于某一值时，才 会使导电沟道消失，此时的 UGS称为夹断电压UGS(off) 。
MOS管符号 耗尽型MOS管符号
d
d
增强型MOS管符号
D D B B
B g g
B
G
s
G
s
N沟道符号
P沟道符号
S N沟道符号
S P沟道符号
栅极G
漏极D
SiO2
N
P N P
N
N沟道结构示意图
结型场效应管的符号
d g g
d
s
N沟道符号
s
P沟道符号
2. 工作原理___电压控制作用 (以N沟道为例加以说明)
d 耗尽层 P+ N
正常工作时 在栅-源之间加负向电压，
(保证耗尽层承受反向电压)
g
漏-源之间加正向电压，
导电沟道 s 结构示意图 (以形成漏极电流） 这样既保证了栅源之间的电阻 很高，又实现了ugs对沟道电流 iD的控制。
2. 特性曲线
N沟道耗尽型MOS管的特性曲线
ID /mA
4 3 2 1
UGS =1V
0V 3
ID /mA
–1 –2V ID
2 1
–3V
0
4
8
12
输出特性
UGS 0 –3 –2 –1 1 2 UGs(off) 转移特性
（+）
NMOS耗尽型
（-）
场效应 管的符 号及特 NMOS增强型 性 (p76）
UDS
s
（4）ｇ、ｓ间加负向电压，ｄ、ｓ间加正向电压
（综合（2）（3）两种情况）
ｇ、ｓ间的负电压使导电 沟道变窄（等宽），ｄ、 ｓ间的正电压使沟道不等 宽。UGS 增加，导电沟道 变窄，沟道电阻增大，同 样UDS的产生的ID减小。
UGS
d
ID
g UDS
s
由于UDS的增加几乎全部落 在夹断区，漏极电流ID基本 保持不变。ID几乎仅仅决定 于UGS，表现出恒流特性。 称场效应管为电压控制元件。 UGS 恒流区
第3章
3.1
场效应晶体管和基本放大电路
场效应晶体管
场效应管（FET）：是利用输入回路的电场效应 来控制输出回路电流的一种半导体器件。
场效应管输入回路内阻很高(107~1012)，热稳定性好，噪 声低，比晶体管耗电小，应用广泛。
仅靠多数载流子导电，又称单极型晶体管。 分类：结型(JFET) 绝缘栅型(IGFET)
RD 5kΩ
+
+VDD(+15V)
+
iD /mA
10V
2
uI
-
uo
-
1
8V 6V 4V
0
5
10
15
（3）当UGS(th)=10V时，若认为 T工作在恒流区，则 iD为2.2mA, uo=4V,而uGS=10V时的预夹断电压为 uDS=6V说明管子工作在可变电阻区。
S
G
D
N+
P
N+
衬底B
（3） 特性曲线
iD /mA
4
恒流区
6V
可 变 电 阻 区
3 2 1
UGS =5V
4V 3V 2V
击 穿 区
3 2 1
iD /mA
0
5
10
15
0
UGs(th)
2
4
6
uGS / V
夹断区
输出特性
N沟道增强型 MOS 管的特性曲线
转移特性
ID /mA
ID和UGS的近似关系：
3 2
gm=iD / uGS U
DS =常数
gm是衡量栅-源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。
（2）交流输出电阻rds
rds u DS iD
rds反映了uDS对iD的影响，是输出特性曲线上Q点处切线斜率的 倒数． rds在恒流区很大。
U GS 常数
3、极限参数 （1）最大漏极电流IDM (２)最大漏源电压U DS(BR) (3)最大栅源电压U GS(BR) (4)最大耗散功率P DM
第3章
3.1
3.2
场效应晶体管和基本放大电路
场效应晶体管
场效应管放大电路
习题
3-3 3-4 3-7 3-11 （删除图中漏极电阻）
本章的重点与难点
重点: 理解场效应管的工作原理； 掌握场效应管的外特性及主要参数； 掌握场效应管放大电路静态工作点与动态参数 （Au、Ri、Ro）的分析方法。 难点: 通过外部电压对导电沟道的控制作用来说明结 型场效应管及绝缘栅型场效应管的工作原理。
UD/V 3 10 5
工作状态 恒流区 截止区 可变电阻区
3.1.3 场效应管的主要参数
1、直流参数
（1）开启电压UGS(th)
UDS为固定值能产生漏极电流ID所需的栅-源电压UGS的最小值
它是增强型MOS管的参数。（NMOS管为正，PMOS管为负） （ 2）夹断电压 UGS(off)
UDS为固定值使漏极电流近似等于零时所需的栅-源电压。 是结型场效应管和耗尽型MOS管的参数（NMOS管为负， PMOS管为正）。
例 已知某管的输出特性曲线如图所示。试分析该管是 什么类型的场效应管。
iD /mA
开启电压UGS(th)=4V
10V 2 8V 1
N沟道增强型MOS管。
0
6V 4V
5 10 15
例 电路及管子的输出特性如图所示。试分析uI为0、8V 和10V三种情况下uO分别为几伏。
RD 5kΩ
+
+VDD(+15V)