场效应管及其基本电路详解

图 uDS增大，沟道预夹断后情况
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二、输出特性
uDS≥0 (1)截止区
uGS<UGSth 导电沟道未形成，iD=0。 (2)可变电阻区
预夹断前所对应的区域。 uGS>UGSth uGD>UGSth（或uDS<uGS-UGSth）
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当uDS较大时， uDS对沟道的影响就不能忽略， 致使输出特性曲线呈弯曲状。
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2.恒流区 预夹断后所对应的区域。
uGS>UGSoff uGD<UGSoff（或uDS>uGS-UGSoff）
iD的大小几乎不受uDS的控制。
(1)当UGSoff<uGS<0时，uGS变化，曲线平移，iD与uGS 符合平方律关系， uGS对iD的控制能力很强。 (2) uGS固定，uDS增大，iD增大极小。
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D
P
P
横向电场作用： ︱UGS︱↑ → PN结耗尽层宽度↑
→沟道宽度↓
UGS
S
(b) UGS负压增大，沟道变窄 图3―2栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图
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D
P
P
UGSoff——夹断电压
UGS
S
(c) UGS负压进一步增大，沟道夹断 图3―2栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图
uGS
FET
iD
D 输出 电流
S
S
MOSFET：利用栅源电压（ 输入电压）对半导体
表面感生电荷量的控制来改变导电沟道的宽度，从
而实现对漏极电流（输出电流）的控制。
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N沟道：iD 0
iD MOS
耗尽型 增强型 N沟 N沟 IDSS
结型N 沟
ID0 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。
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三、转移特性
iD≥0 (1)当uGS<UGSth时，iD=0。 (2)当uGS>UGSth时，iD >0，二者符合平方律关系。
iD
unCox 2
W L
(uGS
U GSth ) 2
uGS≤0， uDS≥0 1. 可变电阻区
预夹断前所对应的区域。 uGS>UGSoff uGD>UGSoff（或uDS<uGS-UGSoff）
iD的大小同时受uGS 和uDS的控制。
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iD /mA
漏极输出特性曲线.avi
可 变 u DS ＝ u G S－UGSoff
I
D
0
(1
uGS U GSoff
)2
ID0表示uGS=0时所对应的漏极电流。
ID0
unCox 2
W L
(U
2 GSoff
)
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N＋
N＋
导电沟道（反型层）
P型衬底
B
UGS=0，导电沟道已形成
图 N沟道耗尽型MOS场效应管的沟道形成
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3―2―2 N沟道增强型MOSFET
一、导电沟道的形成及工作原理
二、转移特性
三、输出特性
(1)截止区
(2)恒流区
(3)可变电阻区
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3―2―3 N沟道耗尽型 MOSFET
3―2―4各种类型MOS管的符号及特性对比
3―3 场效应管的参数和小信号模型
3―3―1场效应管的主要参数
3―1―1 结型场效应管的结构及工作原理
一、结型场效应管的结构
Drain 漏极
D
Gate栅极
G
N
P
型 沟
P
道
Source源极 S
ID
实际 G 流向
D 箭头方向表示栅 源间PN结若加 正向偏置电压时
S 栅极电流的实际 流动方向
(a)N沟道JFET
结型场效应三极管的结构.avi
图3―1结型场效应管的结构示意图及其表示符号
场效应晶体管（场效应管）利用多数载流子的 漂移运动形成电流。
场效应管FET (Field Effect Transistor)
结型场效应管JFET (Junction FET)
绝缘栅场效应管IGFET (Insulated Gate FET)
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3―1 结型场效应管
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ID＞0 D
沟道预夹断
ID >0 D
G P
P UDS
G P
P UDS
UGS
S
UGS S
(a)uGD>UGSoff（预夹断前）
uGD=UGSoff（预夹断时）
纵向电场作用：在沟道造成楔型结构（上宽下窄）
图3―4 uDS
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二、分类 MOSFET
N沟道 P沟道
增强型 N-EMOSFET 耗尽型 N-DMOSFET 增强型 P-EMOSFET 耗尽型 P-DMOSFET
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3―2―1 绝缘栅场效应管的结构 3―2―2 N沟道增强型MOSFET
(Enhancement NMOSFET) 一、导电沟道的形成及工作原理
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UDS UGS
N+
N+
P 型衬底 B
图 uDS增大，沟道预夹断前情况
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UDS UGS
N+
N+
预夹断
P 型衬底 B
图3―9 uDS增大，沟道预夹断时情况
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UDS UGS
N+
N+
P 型衬底
B
漏源电压VDS对沟道的影响.avi
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栅源电压VGS对沟道的影响.avi
D
UGS
N＋
N＋
G
B
导电沟道（反型层）
P型衬底 B
(b) UGS>UGSth，导电沟道已形成
S (c )符号
衬底的箭头方向表示 PN结若加正向电压时 的电流方向
图3―6 N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号
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0
－3 －2 －1 0 uGS/V
5 10 15 20
UGSoff
截止区
从输出特性曲线作转移特性曲线示意图
UGSoff uDS/V
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3―2 绝缘栅场效应管(IGFET)
一、简介 栅极与沟道之间隔了一层很薄的绝缘体，其阻 抗比JFET的反偏PN结的阻抗更大。功耗低，集 成度高。
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D
ID
P
D
G
型
N
N
沟
道
实际
G
流向
S
S
(b)P沟道JFET
图3―1结型场效应管的结构示意图及其表示符号
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二、结型场效应管的工作原理
iD f (uGS, uDS)
D
N
G
P
P
S
(a) UGS =0，沟道最宽
图3―2栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图
恒流区中：
iD
I
DSS
(1
uGS UGSoff
)2
式中：IDSS——饱和电流，表示uGS=0时的iD值； UGSoff——夹断电压，表示uGS=UGSoff时iD为零。
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iD /mA
IDSS
5
4 为保证场效应管正
3 常工作，PN结必须加 反向偏置电压
2
1
－3 UGSoff
绝缘体一般为二氧化硅（SiO2），这种IGFET称 为 金 属 —— 氧 化 物 —— 半 导 体 场 效 应 管 ， 用 符 号
MOSFET表示（Metal Oxide Semiconductor Field
Effect Transistor）。此外，还有以氮化硅为绝缘
体的MNSFET等。
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S
(a)
(c)
图3―10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号
(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号
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3―2―4各种类型MOS管的符号及特性对比
JFET
N 沟道 D
P 沟道 D
G
G
S
S
图3―11各种场效应管的符号对比
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第三章 场效应管及其基本电路 3―1 结型场效应管
3―1―1 结型场效应管的结构及工作原理 3―1―2 结型场效应管的特性曲线 一、转移特性曲线 二、输出特性曲线 1. 可变电阻区 2.恒流区 3. 截止区 4.击穿区
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3―2 绝缘栅场效应管(IGFET)
3―2―1 绝缘栅场效应管的结构
（1）了解场效应管内部工作原理及性能特点。 （2）掌握场效应管的外部特性、主要参数。 （3）了解场效应管基本放大电路的组成、工作原 理及性能特点。 （4）掌握放大电路静态工作点和动态参数（
Au、Ri、Ro、Uom）的分析方法。
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双极型晶体管主要是利用基区非平衡少数载流子 的扩散运动形成电流。
I D 几乎不变 沟道局部夹断
D
G P
P UDS
UGS S
(b) uGD<UGSoff（预夹断后）
由于夹断点与源极间的沟道长度略有缩短，呈现
的沟道电阻值也就略有减小，且夹断点与源极间的电
压不变。
结型场效应三极管漏源电压对沟道的控制作用.avi
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3―1―2 结型场效应管的特性曲线 一、输出特性曲线
电 4阻
UGS ＝0V
区 3
恒
－0.5V
击 穿
2
流
－1V
区
区
－1.5V
1
－2V
UGSoff
0
5
10
15
20 uDS /V
截止区
(b)输出特性曲线
图3―3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线
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当uDS很小时， uDS对沟道的影响可以忽略， 沟道的宽度及相应的电阻值仅受uGS的控制。输 出特性可近似为一组直线，此时，JFET可看成一 个受uGS控制的可变线性电阻器（称为JFET的输 出电阻）；
MOSFET
增强型
耗尽型
N沟道 D
G
B
P沟道 D
B G
N沟道 D
B G
P沟道 D
B G
S
S
S
S
图3―11各种场效应管的符号对比
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JFET：利用栅源电压（ 输入电压）对耗尽层厚度 的控制来改变导电沟道的宽度，从而实现对漏极
电流（输出电流）的控制。
G
输入 电压
S
N＋
GD
N＋
PN结(耗尽层)
Baidu NhomakorabeaP型衬底
UGS=0，导电沟道未形成
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S UGS
N＋
GD
N＋
PN 结(耗尽层) P 型衬底
B
(a) UGS<UGSth，导电沟道未形成
开启电压：UGSth 图3―6 N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号
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－2 －1 0 uGS /V
(a)转移特性曲线
图3―3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线
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iD/mA
iD/mA 可
转移特性曲线.avi
IDSS
5
变 uDS＝uGS－UGSoff
电
4
4阻
UGS＝0V
区
恒 －0.5V
击
3
3
穿
2
2
流 －1V
区
区 －1.5V
1
1
－2V
一、直流参数
二、极限参数
三、交流参数
3―3―2 场效应管的低频小信号模型
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3―4 场效应管放大器 3―4―1 场效应管偏置电路 一、图解法 二、解析法 3―4―2 场效应管放大器分析 一、共源放大器 二、共漏放大器
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第三章 场效应管及其基本电路
k(uGS UGSth)2
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iD/mA 5 4 3 2 1
0
12 3
uGS /V
UGS th
图3―7 NMOSFET的转移特性曲线
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3―2―3 N沟道耗尽型 MOSFET (Depletion NMOSFET)
iD
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3. 截止区
当UGS<UGSoff时，沟道被全部夹断，iD=0， 故此区为截止区。
4.击穿区 随着uDS增大，靠近漏区的PN结反偏电压
uDG(=uDS-uGS)也随之增大。
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二、转移特性曲线
uGS≤0， iD≥0
iD f (uGS ) uDS C
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iD/mA
uDS uGS UGSoff ＋ 6V
4 UGS＝＋ 3V
3 0V
2 －3V
1
0
5
10
15
20 uDS/V
(b)
图3―10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号
(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号
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iD D
ID0
B
G
UGSoff
0
uGS
30
iD
uDS uGS UGSth
可
变
恒
电
阻
流
区 区
0 截止区
UGS ＝ 6V 5V 4V 3V 2V
击 穿 区
uDS
(a)输出特性 图3―8输出特性
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(3)恒流区 预夹断后所对应的区域。 uGS>UGSth uGD<UGSth（或uDS>uGS-UGSth）