场效应晶体管(场效应管)

TH
饱和区和变电阻区分界线
ID
nCoxW
2L
VGS VTH
2
V V V V ▲
GD
GS
DS
TH
VDS继续增大, 沟道长度变短，从
而引起沟道电阻减
小。在同样的VGS作 用下，ID随VDS的增 加而略有增加 。这
种现象称为“沟道
长度调制效应”。
VDS
S
VGS
G
N+
沟道长 P型衬底 度
B
D
SiO2 层
VGS>VTH时(VDS不变)，VGS↑→ 导电沟道截 面积↑→R↓→ID↑；
转移特性曲线特点：
VGS>VTH且VGS不变时， 变电阻区：VDS↑→ID↑， 饱和区： VDS↑→ID略↑ （沟道长度调制效应）
ID(mA)
沟道长度 调制效应
VDS>VGS-VTH
VTH
VGS(V)
变电阻区：
ID
nCoxW
成耗尽层；
S VGS G
D
SiO2层
N+
N+
P型衬底 PN 结
B
⑶ 当VGS=VTH时, 受主杂质离子全部暴露，形 成的耗尽层与PN结联为一体。因耗尽层中
没有载流子，故两N+区(S、D)之间不导电。
S
VGS
G
D
SiO2层
N+
N+
P型衬底 PN 结B
⑷ 当VGS>VTH时，形成电子为多数载流子的N沟 道(反型层)。若在D、S之间外加电压，则将
N+
PN结
ID
nCoxW
2L
VGS VTH
2
1 VDS /VA
归纳如下：
◆VGS<VTH时，无导电沟道， ID 0 ；“截止区”
◆VGS≥VTH且
V V V V 时，
GD
GS
DS
TH
ID
nCoxW
2L
2
VGS VTH
VDS VD2S
“变电阻区” ；
◆VGS≥VTH且
V V V V 时，
（5）VDS的影响
V V V V ▲
GD
GS
DS
TH
导电沟道形成
S VGS
D
G
SiO2
层
后，外加电压VDS, 就会产生漏极电流
N+
N+
P型衬底 沟道长度 PN结
ID。由于VDS 沿沟 道方向降落，沟道 上的各点电位不等, 导电沟道呈“楔 形”。
B
ID
nCoxW
2L
2
VGS VTH
VDS VD2S
场场场场场场场场 场场场场场场场
场场场场场场 场场场场
场场 场场场场场:场场场场场场场 场场场场:场场场场场场场场场场场
MOS电容( Metal-Oxide-Semiconductor )
金属
电场方向
电场方向
电场方向
电场方向
VG
二氧化硅
VG
非平衡空穴
P型硅
P+
VG
耗尽层 P型硅
P+
VG
反型层（N沟道）
2L
2
VGS VTH
VDS VD2S
饱和区：I D
nCoxW
2L
VGS
VTH
2
1 VDS
/VA
（2）输出特性
ID(mA)
VGS(V)=6V
沟道长度调 制效应
I V | D f ( ) DS VGS0
5.5V
5V
饱和区
变阻区
4.5V
放大区
4V
3.5V VDS(V)
变电阻区：
ID
nCoxW
变电阻区
V V V V ▲
GD
GS
DS
TH
S
导电沟道被夹断，
VDS VGS
G
D
SiO2 层
称为“预夹断”，由 于夹断区内存在从漏 极指向源极方向的内 电场, 电子在电场驱 动,穿过夹断区到达漏 极，形成了从漏极到 源极的电流。
N+
沟道长度 P型衬底
N+
PN结
B
V V V V
GD
GS
DS
2L
2
VGS VTH
VDS VD2S
◆ 变阻区特点
VGS一定，则VDS与ID不成线性关系； VDS一定，则VGS与ID成线性关系；
ID(mA)
栅极G
衬底B
源极S
增强型(E型)N沟道
栅极G
衬底B
源极S 增强型(E型)P沟道
2、工作原理(导电沟道的形成过程)
⑴ 当VGS≤0时，两N+区(S、D)之间不导电；
S VGS G
D
电场方向
SiO2层
N+
N+
P型衬底 PN 结
B
⑵ 当0<VGS<VTH时，在界面处，电子(少子) 与空穴复合，使得受主杂质离子开始暴露
推荐参考书 模拟电子技术 [美] Robert L. Boylestad Louis Nashelsky 著 李立华 李永华等译 电子工业出版社
以NPN硅管
IF
αFIF
E IE
De
Dc
IC C
αRIR
IB IR
B E-M Model
B IB
C
+
0.7V
E-
βIB E
直流模型
ib
b + vbe
b' rbb'
有电流通过N沟道。
S VGS
G
D
SiO2层
N+
N+
P型衬底 PN 结B
因VGS≥VTH时才会产生导电沟道，故称该 MOSFET为增强型，VTH称开启电压。
S VGS
G
D SiO2层
N+
N+
P型衬底
PN 结B
S VGS
G
D SiO2层
N+
N+
P型衬底
PN 结B
MOSFET的工作原理可描述如下： VGS作用→产生感生沟道→用VGS电场效应 控制沟道宽度→改变D-S之间的导电能力，使 得漏极电流ID随VGS变化(VCCS)。
Cπ rπ
e
rμ
c Cμ gmvb'e ic +
rce vce -e
交流模型
ib b
+
Cμ gmvb'e
c ic +
b +
ib
vbe Cπ rπ
rce vce vbe rπ
gmvb'e
ic c +
rce vce
e
-e
e
-e
简化交流模型
低频信号简化
ib
b
+
rπ
vbe
ic
ie
gmvbeβib + c
vce --
e
共发射极接法
ie
e
+
re
vbe
ic
c
ib
gmvbe ie +
vce --
b
共基极接法
§1.4 场效应晶体管
场场场场场场场
场场场场场场场场场场场 场场场场场场
场场场场场场场场场场场场场场场场场
场场场场场 场场场场场
场场场场 场场场场场场场场
场场场场 场场场场场场场场场场场场
场 场 场 场 场 场 场 N场 场 MOSFET场 场 场 场 场
GD
GS
DS
TH
ID
nCoxW
2L
VGS VTH
2
1 VDS /VA
“饱和区”
沟道长度调制效应，常忽略
3、NEMOSFET伏安特性曲ຫໍສະໝຸດ Baidu
线
⑴ 转移特性
| I D
f (VGS
) VDS 0
ID(mA)
沟道长度 调制效应
VDS>VGS-VTH
转移特性曲线特点：
VTH
VGS(V)
VGS<VTH时，ID＝0 (无导电沟道)；
P+ P型硅
P型硅 N沟道更宽
P+
（a）VG<0 （b）0<VG<VTH
（c）VG >VTH （d）继续增大VG
金属－氧化物－半导体（MOS）电容外加偏压
二、增强型N沟道MOSFET
1、结构
源极S 衬底B
金属层M
栅极G 漏极D
氧化层O
P＋区
N
N
+
+
栅极下的绝缘沟道
漏极D （P型衬底）
半导体S
PN结耗尽层 漏极D