第三章 场效应管
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VGS - +
N+ P
VDS - +
G N+ D U P+ S N+
U P+
S
VGS +
VDS +
G N+ P D
3、当VDS增加到使VGD =VGS(th)时 → A点出现预夹断，此时 VGD=VGS-VDS=VGS（th），即： VDS= VGS - VGS（th） VDS VDS + - + VGS VGS D D + G + G S S U U P+ N+ A P N+ P+ N+ A P N+
ID
S
场效应管G、S之间开路 ，IG0。 三极管发射结由于正偏而导通，等效为VBE(on) 。 FET输出端等效为压控电流源，满足平方律方程： C OX W ID (V GS V GS(th) ) 2 2l 三极管输出端等效为流控电流源，满足IC= IB 。
COXW
l
电压瞬时值：vGS VGSQ v gs， vDS VDSQ vds，
n COXW
2l
(vGSQ VGS(th) ) 2 1 vDSQ
gm 2
C OX W
2l
I DQ
如果交流量足够小，可以泰勒展开：
rds
n COXW
0
VDS /V
• VDS增大到一定值时漏衬PN结雪崩击穿 ID剧增。 • VDS沟道 l 对于l 较小的MOS管穿通击穿。
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：
若| VUS | 空间电荷区 耗尽层中负离子数 因VGS不变（G极正电荷量不变） 沟道中电子数 根据衬底电压对ID的控制作用，又称U极为背栅极。 ID
3.1.2 耗尽型MOS场效应管 DMOS管结构
U S P+ N+ P G N+ D
NDMOS管伏安特性
D ID/mA
2、 若VDS →则VGD →近漏端沟道 → Ron增大。 此时 Ron →ID 随VDS 的速度变缓。
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。
MOSFET工作原理总结：
利用半导体表面的电场效应，通过栅源电压 VGS的变化，改变感生电荷的数量，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
1、非饱和区 沟道预夹断前对应的工作区。
+ ID/mA VDS = VGS –VGS(th) VGS =5V 4.5V 4V 3.5V 0 VDS /V
E IG0
+ VGS -
T
VDS
-
共源组态特性曲线： ID= f ( VDS ) 输出特性：
转移特性：
VGS > VGS(th) 条件： V DS < VGS–VGS(th) 特点： ID同时受VGS与VDS的控制。
由上述分析可描绘出ID随VDS 变化的关系曲线：
ID VGS一定
称单极型器件。
VDS
0 V –V GS GS(th)
• 三极管中多子、少子同时参与导电，故称双 极型器件。
曲线形状类似三极管输出特性。
二、 伏安特性
由于MOS管栅极电流 为零，故不讨论输入特 性曲线。
IB B T
IC
C ID
NEMOS管输出特性曲线
四、 P沟道EMOS管
VDS + U S N+ P+ N
ID
U
G S
D P+
VDS
+
VGS -
G
D G S
+
G
+ N+
- +S P+ N+
VUS
VGS
ID/mA
D
ID
U
+
VUS = 0 -2V -4V
P
O
ຫໍສະໝຸດ Baidu
VGS /V
N沟道EMOS管与P沟道EMOS管工作原理相似。 不同之处： 电路符号中的箭头方向相反。 外加电压极性相反、电流ID流向相反。 即 VDS < 0 、VGS < 0
概
述
场效应管（Field Effect Transistor简称：FET）是一种 电压控制器件(vGS~ iD) ，工作时，只有一种载流子参与 导电，是单极型器件。
第三章 场效应管
BJT是一种电流控制元件(iB~ iC)，工作时，多数载流子 和少数载流子都参与导电，所以被称为双极型器件。 FET的优点：制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输 入电阻极高，应用广泛。
VGS = 常数 VDS = 常数
ID= f ( VGS )
当VGS为常数时，VDSID近似线性，表现为一种电阻特性； 当VDS为常数时，VGS ID ，表现出一种压控电阻的特性。
转移特性与输出特性反映场效应管同一物理过 程，它们之间可以相互转换。
因此，非饱和区又称为线性区或可变电阻区。
FET直流简化电路模型(与三极管相对照)
ID
G
IG0
D G
ID
饱和区（放大区）工作条件 |VDS | > | VGS –VGS(th) |
+ VGS S
D
IB
B VBE(on)
IC + E C
ID(VGS )
IB
非饱和区（可变电阻区）工作条件 |VGS| > |VGS(th) | ， |VDS | < | VGS –VGS(th) | 非饱和区（可变电阻区）数学模型
FET分类：
MOS场效应管 （Metal Oxide Semiconductor FET） 结型场效应管（Junction FET）
3.1 MOS场效应管
增强型（EMOS） N沟道（NMOS） P沟道（PMOS） N沟道（NMOS） P沟道（PMOS）
G
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 沟道 宽度 SiO2 绝缘层 P型硅 衬底
MOSFET
耗尽型（DMOS）
电路符号
D U S 沟道长度
P+ N+ N+ P+
N沟道MOS管与P沟道MOS管工作原理相似， （1）NMOS电子导电，PMOS空穴导电 （2）加在各极上的电压极性相反，电流方向相反
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：
2、饱和区 沟道预夹断后对应的工作区。 VGS > VGS(th) 条件： V DS > VGS–VGS(th) 特点：
2 [2(VGS VGS(th) )VDS VDS ]
ID/mA
VDS = VGS –VGS(th) VGS =5V 4.5V 4V 3.5V
P+ N+ N+
VDS
+
D N+
U
VGS - +
G
栅衬之间相当 于以SiO2为介质 的平板电容器。
形成空间电荷区 并与PN结相通 VGS 开启电压VGS(th)
P
表面层 反型 形成N型导电沟道 n>>p VGS越大，反型层中n 越多，沟道厚度越大导电能力越强。
• VDS对沟道的控制（假设VGS > VGS(th) 且保持不变）
ID
增强型MOS管： VGS 与VDS 极性相同。 耗尽型MOS管： VGS 取值任意。
ID
饱和区数学模型与管子类型无关
ID
COXW
2l
(VGS VGS(th) ) 2
ID
临界饱和工作条件 |VGS| > |VGS(th) |， |VGS| > |VGS(th) |， |VDS | = | VGS –VGS(th) |
l
P
一、 N沟道EMOS管工作原理
N沟道EMOS管外部工作条件 • VDS > 0 (保证漏衬PN结反偏)。 • U接电路最低电位或与S极相连(保证源衬PN结反偏)。 • VGS > 0 (形成导电沟道)
S P+ N+ P
N沟道EMOSFET沟道形成原理
VGS=0，VDS>0,没有导电沟道形成，MOS管中的两个PN结都一个正偏， 一个反偏，流过漏源之间的电流很小，可以忽略，FET不导电 • 假设VDS =0，讨论VGS作用 V >0 V DS=0 DS VGS(th):阈值电压， VGS VGS 反型层 Threshold Voltage + G S D U 栅下衬底表层中负离子 (电离受主）、空穴
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 四种MOS场效应管比较
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
ID
N沟道：VDS > 0， P沟道：VDS < 0 VGS极性取决于工作方式及沟道类型
ID
U
VDS = VGS –VGS(th) VGS =1V
0. 5V 0V -0. 5V - 1V -1. 5V
ID/mA
N沟道 DMOS
G S
VGS=0时，导电沟道已存在
U S N+ P+ N G P+ D
沟道线是实线
D
ID
U
0
-1. 8V
VDS /V
VGS(th)
0
VGS /V
P沟道 DMOS
G S
3、 截止区 ID=0以下的工作区域。 条件： VGS < VGS(th) 沟道未形成时的工作区 特点： IG≈0，ID≈0 相当于MOS管三个电极断开。 4、 击穿区
ID/mA
VDS = VGS –VGS(th) VGS =5V 4.5V 4V 3.5V
VDS (VGS VGS(th) ) 2 1 V 2l A C W n OX (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
ID
n COXW
2l
l 其中：W、l 为沟道的宽度和长度，μn电子迁移率
n COXW
(VGS VGS(th) )VDS
0
VDS /V
COX （= / tOX）为单位面积的栅极电容值。 此时MOS管可看成阻值受VGS控制的线性电阻器：
Ron 1 l I D n COXW VDS 1 V V GS GS(th)
0
1
2 3 4 VGS(th) = 3V
5 V /V GS
0
VDS = 5V
VDS /V
转移特性曲线中,ID =0 时对应的VGS值,即开启 电压VGS（th） 。
D
三、 衬底效应
集成电路中，许多MOS管做在同一衬底上，为保证U与S、 D之间PN结反偏，衬底应接电路最低电位（N沟道）或最高电 位（P沟道）。 U
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。
注意：非饱和区相当于双极型晶体三极管的饱和区。
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： C W I D n OX (VGS VGS(th) ) 2 2l 若考虑沟道长度调制效应，则ID的修正方程：
(VGS VGS(th) )VDS
3.1.4
小信号电路模型
iD
D G
iB b T e
iC
id
c g
vgs
s -
+
gmvgs
rds vds
-
+
d
S
直流量叠加交流量
电流瞬时值： iG 0, iD I DQ id ,
漏极电流： iDQ
id g m v gs g ds vds
由图 VGD = VGS - VDS 1、VDS很小时 → VGD VGS 。此时沟道处处相同，沟道等效电 阻Ron近似不变。 因此 V →I 线性 。
DS D
4、 若VDS 继续→A点左移→出现夹断区 此时 VGA = VGS -VAS =VGS(th) 即：VAS=VGS+ VGS(th) （恒定）当 VGS给定时，实际沟道两端的压降不变 漏极和源极之间的压降VDS=VAS+耗尽层压降,即：VDS>VGS - VGS（th） 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，沟道夹断之后： VDS →ID 基本维持不变。
D1 D2
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
T
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。
N+ P
VDS - +
G N+ D U P+ S N+
U P+
S
VGS +
VDS +
G N+ P D
3、当VDS增加到使VGD =VGS(th)时 → A点出现预夹断，此时 VGD=VGS-VDS=VGS（th），即： VDS= VGS - VGS（th） VDS VDS + - + VGS VGS D D + G + G S S U U P+ N+ A P N+ P+ N+ A P N+
ID
S
场效应管G、S之间开路 ，IG0。 三极管发射结由于正偏而导通，等效为VBE(on) 。 FET输出端等效为压控电流源，满足平方律方程： C OX W ID (V GS V GS(th) ) 2 2l 三极管输出端等效为流控电流源，满足IC= IB 。
COXW
l
电压瞬时值：vGS VGSQ v gs， vDS VDSQ vds，
n COXW
2l
(vGSQ VGS(th) ) 2 1 vDSQ
gm 2
C OX W
2l
I DQ
如果交流量足够小，可以泰勒展开：
rds
n COXW
0
VDS /V
• VDS增大到一定值时漏衬PN结雪崩击穿 ID剧增。 • VDS沟道 l 对于l 较小的MOS管穿通击穿。
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：
若| VUS | 空间电荷区 耗尽层中负离子数 因VGS不变（G极正电荷量不变） 沟道中电子数 根据衬底电压对ID的控制作用，又称U极为背栅极。 ID
3.1.2 耗尽型MOS场效应管 DMOS管结构
U S P+ N+ P G N+ D
NDMOS管伏安特性
D ID/mA
2、 若VDS →则VGD →近漏端沟道 → Ron增大。 此时 Ron →ID 随VDS 的速度变缓。
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。
MOSFET工作原理总结：
利用半导体表面的电场效应，通过栅源电压 VGS的变化，改变感生电荷的数量，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
1、非饱和区 沟道预夹断前对应的工作区。
+ ID/mA VDS = VGS –VGS(th) VGS =5V 4.5V 4V 3.5V 0 VDS /V
E IG0
+ VGS -
T
VDS
-
共源组态特性曲线： ID= f ( VDS ) 输出特性：
转移特性：
VGS > VGS(th) 条件： V DS < VGS–VGS(th) 特点： ID同时受VGS与VDS的控制。
由上述分析可描绘出ID随VDS 变化的关系曲线：
ID VGS一定
称单极型器件。
VDS
0 V –V GS GS(th)
• 三极管中多子、少子同时参与导电，故称双 极型器件。
曲线形状类似三极管输出特性。
二、 伏安特性
由于MOS管栅极电流 为零，故不讨论输入特 性曲线。
IB B T
IC
C ID
NEMOS管输出特性曲线
四、 P沟道EMOS管
VDS + U S N+ P+ N
ID
U
G S
D P+
VDS
+
VGS -
G
D G S
+
G
+ N+
- +S P+ N+
VUS
VGS
ID/mA
D
ID
U
+
VUS = 0 -2V -4V
P
O
ຫໍສະໝຸດ Baidu
VGS /V
N沟道EMOS管与P沟道EMOS管工作原理相似。 不同之处： 电路符号中的箭头方向相反。 外加电压极性相反、电流ID流向相反。 即 VDS < 0 、VGS < 0
概
述
场效应管（Field Effect Transistor简称：FET）是一种 电压控制器件(vGS~ iD) ，工作时，只有一种载流子参与 导电，是单极型器件。
第三章 场效应管
BJT是一种电流控制元件(iB~ iC)，工作时，多数载流子 和少数载流子都参与导电，所以被称为双极型器件。 FET的优点：制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输 入电阻极高，应用广泛。
VGS = 常数 VDS = 常数
ID= f ( VGS )
当VGS为常数时，VDSID近似线性，表现为一种电阻特性； 当VDS为常数时，VGS ID ，表现出一种压控电阻的特性。
转移特性与输出特性反映场效应管同一物理过 程，它们之间可以相互转换。
因此，非饱和区又称为线性区或可变电阻区。
FET直流简化电路模型(与三极管相对照)
ID
G
IG0
D G
ID
饱和区（放大区）工作条件 |VDS | > | VGS –VGS(th) |
+ VGS S
D
IB
B VBE(on)
IC + E C
ID(VGS )
IB
非饱和区（可变电阻区）工作条件 |VGS| > |VGS(th) | ， |VDS | < | VGS –VGS(th) | 非饱和区（可变电阻区）数学模型
FET分类：
MOS场效应管 （Metal Oxide Semiconductor FET） 结型场效应管（Junction FET）
3.1 MOS场效应管
增强型（EMOS） N沟道（NMOS） P沟道（PMOS） N沟道（NMOS） P沟道（PMOS）
G
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 沟道 宽度 SiO2 绝缘层 P型硅 衬底
MOSFET
耗尽型（DMOS）
电路符号
D U S 沟道长度
P+ N+ N+ P+
N沟道MOS管与P沟道MOS管工作原理相似， （1）NMOS电子导电，PMOS空穴导电 （2）加在各极上的电压极性相反，电流方向相反
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：
2、饱和区 沟道预夹断后对应的工作区。 VGS > VGS(th) 条件： V DS > VGS–VGS(th) 特点：
2 [2(VGS VGS(th) )VDS VDS ]
ID/mA
VDS = VGS –VGS(th) VGS =5V 4.5V 4V 3.5V
P+ N+ N+
VDS
+
D N+
U
VGS - +
G
栅衬之间相当 于以SiO2为介质 的平板电容器。
形成空间电荷区 并与PN结相通 VGS 开启电压VGS(th)
P
表面层 反型 形成N型导电沟道 n>>p VGS越大，反型层中n 越多，沟道厚度越大导电能力越强。
• VDS对沟道的控制（假设VGS > VGS(th) 且保持不变）
ID
增强型MOS管： VGS 与VDS 极性相同。 耗尽型MOS管： VGS 取值任意。
ID
饱和区数学模型与管子类型无关
ID
COXW
2l
(VGS VGS(th) ) 2
ID
临界饱和工作条件 |VGS| > |VGS(th) |， |VGS| > |VGS(th) |， |VDS | = | VGS –VGS(th) |
l
P
一、 N沟道EMOS管工作原理
N沟道EMOS管外部工作条件 • VDS > 0 (保证漏衬PN结反偏)。 • U接电路最低电位或与S极相连(保证源衬PN结反偏)。 • VGS > 0 (形成导电沟道)
S P+ N+ P
N沟道EMOSFET沟道形成原理
VGS=0，VDS>0,没有导电沟道形成，MOS管中的两个PN结都一个正偏， 一个反偏，流过漏源之间的电流很小，可以忽略，FET不导电 • 假设VDS =0，讨论VGS作用 V >0 V DS=0 DS VGS(th):阈值电压， VGS VGS 反型层 Threshold Voltage + G S D U 栅下衬底表层中负离子 (电离受主）、空穴
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 四种MOS场效应管比较
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
ID
N沟道：VDS > 0， P沟道：VDS < 0 VGS极性取决于工作方式及沟道类型
ID
U
VDS = VGS –VGS(th) VGS =1V
0. 5V 0V -0. 5V - 1V -1. 5V
ID/mA
N沟道 DMOS
G S
VGS=0时，导电沟道已存在
U S N+ P+ N G P+ D
沟道线是实线
D
ID
U
0
-1. 8V
VDS /V
VGS(th)
0
VGS /V
P沟道 DMOS
G S
3、 截止区 ID=0以下的工作区域。 条件： VGS < VGS(th) 沟道未形成时的工作区 特点： IG≈0，ID≈0 相当于MOS管三个电极断开。 4、 击穿区
ID/mA
VDS = VGS –VGS(th) VGS =5V 4.5V 4V 3.5V
VDS (VGS VGS(th) ) 2 1 V 2l A C W n OX (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
ID
n COXW
2l
l 其中：W、l 为沟道的宽度和长度，μn电子迁移率
n COXW
(VGS VGS(th) )VDS
0
VDS /V
COX （= / tOX）为单位面积的栅极电容值。 此时MOS管可看成阻值受VGS控制的线性电阻器：
Ron 1 l I D n COXW VDS 1 V V GS GS(th)
0
1
2 3 4 VGS(th) = 3V
5 V /V GS
0
VDS = 5V
VDS /V
转移特性曲线中,ID =0 时对应的VGS值,即开启 电压VGS（th） 。
D
三、 衬底效应
集成电路中，许多MOS管做在同一衬底上，为保证U与S、 D之间PN结反偏，衬底应接电路最低电位（N沟道）或最高电 位（P沟道）。 U
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。
注意：非饱和区相当于双极型晶体三极管的饱和区。
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： C W I D n OX (VGS VGS(th) ) 2 2l 若考虑沟道长度调制效应，则ID的修正方程：
(VGS VGS(th) )VDS
3.1.4
小信号电路模型
iD
D G
iB b T e
iC
id
c g
vgs
s -
+
gmvgs
rds vds
-
+
d
S
直流量叠加交流量
电流瞬时值： iG 0, iD I DQ id ,
漏极电流： iDQ
id g m v gs g ds vds
由图 VGD = VGS - VDS 1、VDS很小时 → VGD VGS 。此时沟道处处相同，沟道等效电 阻Ron近似不变。 因此 V →I 线性 。
DS D
4、 若VDS 继续→A点左移→出现夹断区 此时 VGA = VGS -VAS =VGS(th) 即：VAS=VGS+ VGS(th) （恒定）当 VGS给定时，实际沟道两端的压降不变 漏极和源极之间的压降VDS=VAS+耗尽层压降,即：VDS>VGS - VGS（th） 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，沟道夹断之后： VDS →ID 基本维持不变。
D1 D2
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
T
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。