第五章场效应管
第五章-场效应管PPT课件
vGS<Vp vGD=VP时
D iD
N
vDS
PP
vGS
S
-
11
此时，电流iD由未 被夹断区域中的载 流子形成，基本不 随vDS的增加而增加， 呈恒流特性。
G
vGS<Vp vGD=VP时
D iD
N
vDS
PP
vGS
S
-
12
D iD
N
vDS
G PP
vGS
S
结论：
（1）因为栅源间加反向电压，故栅极几乎不取电流；
gm的大小可以反映栅源电压VGS对漏极电流iD的控制能力 的强弱。
gm可以从转移特性或输出特性中求得，也可以用公式计 算出来。
2.输出电阻r ds
输出电阻rds定义为
r ds
dv DS di D
v GSQ
-
21
四、关于温度稳定性 场效应管导电机理为多数载流子导电，热稳定
性较晶体三极管好。而且场效应管还存在一个零温度系 数点，在这一点工作，温度稳定性会更好。
绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。
-
23
5.2 绝缘栅场效应管(MOS管):
MOS电容
SiO2绝缘层
+++++ - -----
P
金属铝
E
P型基底
电子反型层
-
24
SiO2绝缘层
掺入了大量的碱金 属正离子Na+或K+
金属铝
+++++ - -----
P
P型基底
电子反型层
-
25
一、结构和电路符号
场效应管的结构及工作原理(教案)
场效应管的结构及工作原理(教案)第一章：引言1.1 课程背景本课程旨在帮助学生了解和掌握场效应管的结构及工作原理。
场效应管作为一种重要的半导体器件，在电子电路中具有广泛的应用。
1.2 学习目标了解场效应管的基本结构理解场效应管的工作原理第二章：场效应管的基本结构2.1 结型场效应管（JFET）2.1.1 N沟道JFET2.1.2 P沟道JFET2.2 金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）2.2.1 N型MOSFET2.2.2 P型MOSFET2.3 场效应管的封装与引脚第三章：场效应管的工作原理3.1 JFET的工作原理3.1.1 导电通道的形成3.1.2 栅极电压对导电通道的控制3.2 MOSFET的工作原理3.2.1 导电通道的形成3.2.2 栅极电压对导电通道的控制3.3 场效应管的导通与截止条件第四章：场效应管的特性4.1 静态特性4.1.1 输入特性4.1.2 输出特性4.2 动态特性4.2.1 过渡时间4.2.2 开关速度4.3 场效应管的参数第五章：场效应管的应用5.1 放大器应用5.1.1 放大器的基本原理5.1.2 放大器的设计与实现5.2 开关应用5.2.1 开关的基本原理5.2.2 开关的设计与实现5.3 其他应用场效应管的结构及工作原理(教案)第六章：结型场效应管（JFET）的特性6.1 输出特性6.1.1 电流-电压关系6.1.2 输出特性曲线6.2 输入特性6.2.1 输入阻抗6.2.2 输入特性曲线6.3 传输特性6.3.1 传输特性曲线6.3.2 转移特性分析第七章：金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）的特性7.1 MOSFET的输出特性7.1.1 电流-电压关系7.1.2 输出特性曲线7.2 MOSFET的输入特性7.2.1 输入阻抗7.2.2 输入特性曲线7.3 MOSFET的传输特性7.3.1 传输特性曲线7.3.2 转移特性分析第八章：场效应管的驱动电路8.1 驱动电路的作用8.1.1 驱动场效应管的需求8.1.2 驱动电路的设计原则8.2 驱动电路的设计8.2.1 电压驱动电路8.2.2 电流驱动电路8.3 驱动电路的稳定性与保护第九章：场效应管的电路应用实例9.1 放大器应用实例9.1.1 单级JFET放大器9.1.2 多级MOSFET放大器9.2 开关应用实例9.2.1 数字开关9.2.2 模拟开关9.3 其他应用实例9.3.1 电压控制放大器9.3.2 功率放大器第十章：总结与展望10.1 课程总结10.1.1 场效应管的结构特点10.1.2 场效应管的工作原理与特性10.2 场效应管的应用领域10.2.1 电子设备中的应用10.2.2 未来发展趋势10.3 练习与思考题10.3.1 填空题10.3.2 选择题10.3.3 简答题10.3.4 设计题场效应管的结构及工作原理(教案)第十一章：场效应管的测试与故障诊断11.1 测试仪器与设备11.1.1 直流参数测试仪11.1.2 交流参数测试仪11.2 场效应管的测试项目11.2.1 栅极电阻测试11.2.2 漏极电流测试11.2.3 源极电阻测试11.3 故障诊断与分析11.3.1 故障类型及原因11.3.2 故障诊断流程第十二章：场效应管的可靠性与寿命12.1 可靠性基本概念12.1.1 可靠性的定义12.1.2 可靠性参数12.2 影响场效应管可靠性的因素12.2.1 材料与工艺因素12.2.2 环境因素12.3 提高场效应管可靠性的措施12.3.1 设计优化12.3.2 生产工艺控制第十三章：场效应管的节能与环保13.1 节能的重要性13.1.1 电子设备的能耗问题13.1.2 场效应管在节能中的作用13.2 环保意识与场效应管13.2.1 电子废弃物问题13.2.2 场效应管的环保优势13.3 节能与环保技术的应用13.3.1 高效能场效应管设计13.3.2 绿色制造与回收技术第十四章：场效应管的最新发展动态14.1 新型场效应管的研究方向14.1.1 纳米场效应管14.1.2 宽禁带场效应管14.2 场效应管技术的创新应用14.2.1 物联网中的应用14.2.2 中的应用14.3 未来场效应管的发展趋势14.3.1 性能提升14.3.2 成本降低第十五章：课程复习与拓展学习15.1 复习重点与难点15.1.1 场效应管的基本结构15.1.2 场效应管的工作原理与特性15.2 拓展学习资源15.2.1 学术期刊与论文15.2.2 在线课程与论坛15.3 实践项目与研究建议15.3.1 实验室实践项目15.3.2 研究课题建议重点和难点解析本文档涵盖了场效应管的结构、工作原理、特性、应用、测试、可靠性、节能环保以及最新发展动态等方面的内容。
MOS管(新)
为受控于VGS的可变电阻 11
(3) 放大区 产生夹断后，VDS增大，ID不变的区域，VDS VGS - VT
VDSID不变 处于饱和区的场效应管相当于一个压控电流源
在预夹断临界条件下VDS =VGS - VT 由此得到饱和区的V-I特性表达式：
iD K n (v G S V T )2 K n V T 2 (v V G T S 1 )2 ID O (v V G T S 1 )2
结反向，所以不存在导电
沟道。
(a) VGS =0， ID =0
VGS必须大于0
管子才能工作。
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4
（b） 0＜VGS＜ VT （ VT 称为开 启电压)
在Sio2介质中产生一个垂直于 导体表面的电场，排斥P区多 子空穴而吸引少子电子。 但 由于电场强度有限，吸引到 绝缘层的少子电子数量有限， 不足以形成沟道，将漏极和 源极沟通，所以不可能以形 成漏极电流ID。
这种在VGS =0时没有导电沟道，
依靠栅源电压的作用而形成感生
沟道的FET称为增强型FET
VGS >0g吸引电子反型层导电沟道
VGS 反型层变厚 VDS最新课件 ID
6
（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用
（a）如果VGS＞VT且固定为某一值， VGD=VGS－VDS VDS为0或较小时，
2、夹断电压VP ：在VDS为一固定数值时，使 ID对应一微小电流 时的 |VGS | 值。（耗尽）
3、饱和漏极电流IDSS ：在VGS = 0时， VDS > |VP |时的漏 极电流。（耗尽）
4、极间电容 ：漏源电容CDS约为 0.1~1pF，栅源电容CGS和栅 漏极电容CGD约为1~3pF。
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模拟电子技术第五章场效应管及其放大电路
况，称为预夹断。源区 而未夹断沟道部分为低阻，因
的自由电子在VDS电场力 的作用下，仍能沿着沟
此，VDS增加的部分基本上降落 在该夹断区内，而沟道中的电
道向漏端漂移，一旦到 场力基本不变，漂移电流基本
达预夹断区的边界处， 不变，所以，从漏端沟道出现
就能被预夹断区内的电 场力扫至漏区，形成漏
预夹断点开始， ID基本不随VDS
VDS ＝ VD － VS =VDD－IDRD－ VS
二、小信号模型
iD Kn vGS VT 2
Kn VGSQ vgs VT 2
漏极信号 电流
Kn VGSQ VT 2 2Kn VGSQ VT vgs Knvg2s
Kn
VGSQ
VT
2 gmvgs
K
nv
2 gs
IDQ id
3. 最大漏源电压V(BR)DS
指发生雪崩击穿时，漏极电流iD急剧上升时的vDS。与vGS有关。
4. 最大栅源电压 V(BR)GS
指PN结电流开始急剧增大时的vGS。
5.2 MOSFET放大电路
5.2.1 MOSFET放大电路
1. 直流偏置及静态工作点的计算 2. 小信号模型分析 3. MOSFET 三种基本放大电路比较
产生谐波或 非线性失真
λ= 0
λ≠ 0
共源极放大电路
例题5.2.4:
电路如图所示，设VDD=5V， Rd=3.9kΩ， VGS=2V， VT=1V， Kn=0.8mA/V2，λ=0.02V-1。试当管工作在饱和区时，试确定电路 的小信号电压增益。
例题5.2.5:
电路如图所示，设Rg1=150kΩ，Rg2=47kΩ，VT=1V，Kn=500μA/V2，λ=0， VDD=5V，-VSS=-5V， Rd=10kΩ， R=0.5kΩ， Rs=4kΩ。求电路的电压增益和 源电压增益、输入电阻和输出电阻。
场效应管及其放大电路自测题
第五章场效应管及其放大电路自测题一、填空题1.场效应管的转移特性I D～U GS，符合（B）规律。
A.指数B.平方C.线性2.当U GS=0时，仍能工作在饱和区的场效应管是（C）场效应管。
A.结型B.增强型MOSC.耗尽型MOS3.场效应管的跨导与双极性晶体管相比，一般情况下（B）。
A.更大B.更小C.差不多4.场效应管的漏极电流IDD从2mA变为4mA时，它的跨导gfm将（A）。
A.增大B.减小C.不变5.场效应管源极跟随器与双极型晶体管射极跟随器相比，（B C）。
A.其跟随特性更好B.跟随特性更差C.输出阻抗高D.输出阻抗低6.造成源极跟随器与射极跟随器相比有以上不同特性的根本原因是（B C）。
A.场效应管输入阻抗高B.场效应管跨导低C.场效应管放大倍数小7.以下几种场效应管构成的连接方式可以构成有源放大器的是（ABC）。
A.放大管和负载管为同种导电类型的器件B.放大管和负载管为不同导电类型的器件C.放大管为增强型NMOS管，负载管为耗尽型NMOS管D.放大管为耗尽型NMOS管，负载管为增强型NMOS管8.与双极型晶体管相比，场效应管具有的特点是（B C D）。
A.放大作用大B.输入阻抗高C.抗辐射能力强D.功耗小9.N沟道结型场效应管的偏置电压UGS应为（B）。
A.正B.负C.零10.可以采用自给偏置方式的场效应管有（A C ）。
A.结型场效应管B.增强型MOS场效应管C.耗尽型MOS场效应管第五章自测题答案。
第五章-场效应管及应用电路-MSW(1)
IDQ gm vgs Knvg2s
静态值 （直流）
动态值 （交流）
非线性 失真项
s
Ri Rg1 // Rg2
Ro Rd
Avs
vo vS
vo vi
•
vi vS
Av
•
Ri Ri RS
3. 小信号模型分析
（2）放大电路分析（例5.2.6）
Av
vo vi
( gm vgs )(R // rds ) vgs gm vgs (R // rds )
gm (R // rds ) 1 1 gm (R // rds )
当vDS增加到使 vGD=VP 时，在紧靠漏 极处出现预夹断。
此时vDS 夹断区延长 沟道电阻 ID基本不变
2. 工作原理 （以N沟道JFET为例）
③ vGS和vDS同时作用时
当VP <vGS<0 时，导电沟道更容易夹断， 对于同样的vDS ， ID的值比vGS=0时的值要小。 在预夹断处
vGD=vGS-vDS =VP
无电流产生。
当0<vGS <VT 时
产生电场，但未形成导电沟道（感生沟 道），d、s间加电压后，没有电流产生。
当vGS >VT 时
在电场作用下产生导电沟道，d、s间加 电压后，将有电流产生。
vGS越大，导电沟道越厚
VT 称为开启电压
2. 工作原理
（2）vDS对沟道的控制作用
当vGS一定（vGS >VT ）时， vDSID 沟道电位梯度
电子电工学——模拟电子技术 第五章 场效应管放大电路
场效应管正常工作时漏极电流的上限值。
2. 最大耗散功率PDM
由场效应管允许的温升决定。
3. 最大漏源电压V(BR)DS 当漏极电流ID 急剧上升产生雪崩击穿时的vDS值。
4. 最大栅源电压V(BR)GS
是指栅源间反向电流开始急剧上升时的vGS值。
5.2 MOSFET放大电路
场效应管是电压控制器件，改变栅源电压vGS的大小，就可以控制漏极 电流iD，因此，场效应管和BJT一样能实现信号的控制用场效应管也 可以组成放大电路。
场效应管放大电路也有三种组态，即共源极、共栅极和共漏极电路。
由于场效应管具有输入阻抗高等特点，其电路的某些性能指标优于三极 管放大电路。最后我们可以通过比较来总结如何根据需要来选择BJT还
vGS＜0沟道变窄，在vDS作用下，iD 减小。vGS=VP(夹断电压，截止电 压）时，iD=0 。
可以在正或负的栅源电压下工作，
基本无栅流。
2.特性曲线与特性方程
在可变电阻区 iD
Kn
2vGS
VP vDS
v
2 DS
在饱和区iD
I DSS 1
vGS VP
2
I DSS KnVP2称为饱和漏极电流
4. 直流输入电阻RGS
输入电阻很高。一般在107以上。
二、交流参数
1. 低频互导gm 用以描述栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用。
gm
iD vGS
VDS 常数
2. 输出电阻 rds 说明VDS对ID的影响。
rds
vDS iD
VGS 常数
3. 极间电容
极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。
三、极限参数
D iD = 0
场效应管放大电路
第五章 场效应管放大电路1、 图1所示场效应管工作于放大状态，ds r 忽略不计，电容对交流视为短路。
跨导为m 1ms g =。
（1）画出电路的交流小信号等效电路；（2）求电压放大倍数uA 和源电压放大倍数us A ；（3）求输入电阻i R 和输出电阻oR 。
题图12、电路如图2所示，场效应管的m 11.3ms g =，ds r 忽略不计。
试求共漏放大电路的源电压增益us A 、输入电阻i R 和输出电阻oR 。
图23、 放大电路如图3所示，已知场效应管的DSS 1.6mA I =，p U = -4V ，ds r 忽略不计，若要求场效应管静态时的GSQ 1V U =-，各电容均足够大。
试求：（1）g1R 的阻值；（2）uA 、i R 及o R 的值。
图34、图4(a)所示电路中的场效应管的转移特性为图4(b)所示，试求解该电路的GS U 、D I 和DS U 。
图45、电路如图5所示，已知FET 的I DSS = 3mA 、U P = －3V 、U (BR)DS = 10V 。
试问在下列三种条件下，FET 各处于哪种状态？(1) R d = 3.9k Ω；(2) R d = 10k Ω；(3) R d = 1k Ω。
VT+V DD R gR d图56、源极输出器电路如图6所示，已知场效应管在工作点上的互导m 0.9ms g ，ds r 忽略不计，其他参数如图中所示。
求电压增益u A 、输入电阻i R 和输出电阻oR 。
图6填空题1、双极型半导体三极管是器件，而场效应管属于器件。
2、对于MOSFET，用来描述栅源电压对漏极电流控制能力大小的参数称为。
3、在MOSFET中，在漏源电压一定的条件下，用以描述漏极电流与栅源电压之间关系的曲线称为。
4、在N沟道的MOSFET的电路中，若栅源电压已大于开启电压，漏源电压在某一变化区域内，漏极电流会随着漏源电压的增大而增大，说明此时MOSFET工作于区。
5、在构成放大器时，可以采用自给偏压电路的场效应管是场效应管。
MOS管(新)分析
27
例.如图，设VT=1V, Kn=500μA/V2 , VDD=5V, -VSS=-5V, Rd=10K,
R=0.5K, Id=0.5mA 。若流过Rg1, Rg2的电流是ID的1/10，试确定
Rg1, Rg2的值。
VDD
解.作出直流通路，并设MOS工作在饱和 区，则由：
2
Rg 2 200
IDSS mA
<0.35
<1.2 6～11 0.35～1.2 0.3～1
VRDS V
>20 >20 >20 >12
VRGS V
>20 >20 >20 >25 -25
VP
gm
V mA/ V
-4
≥2
-4
≥3
-5.5 ≥8
-4
≥2
fM MHz 300
90
1000
5.2 MOSFET放大电路
5.2.1 MOSFET放大电路
工作于可变电阻区的ID： ID 2Kn (VGS VT )vDS
25
5.2 MOSFET放大电路 5.2.2 带源极电阻的NMOS共源极放大电路 （1） 直流通路
VGS VG VS
Rg1
Rg 2
Rg1 Rg 2
(VDD
VSS
)
VSS
(IDR
VSS
由V-I特性估算 gm
gm
diD dvGS
vDS
[Kn (vGS VT )2 ]
vGS
vDS
2Kn (vGS
VT )
因为 iD Kn (vGS VT )2
电子技术基础课件 第五章 场效应管及其基本放大电路讲解
? VG
? VS
?
? RG 2
? ?
RG
1
?
RG 2
VDD ? VSS
? ? VSS ? ?
?
RI D ? VSS
当NMOS 管工作在饱和区
? ? I D ? Kn VGS ? VT 2
Rd
VDS ? ?VDD ? VSS ?? I D ?Rd ? R?
R g1
在MOS 管中接入源极 电阻，也具有稳定静 态工作点的作用
第5章 场效应三极管及其放大电路
赵宏安
场效应管
场效应管利用电场效应来控制其电流的大小。只有电子或 空穴导电，为单极型器件。输入阻抗高，温度稳定性好 结型场效应管JFET Junction Type Field Effect Transistor
绝缘栅型场效应管MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor type Field Effect Transistor ，制造工艺成熟，用于高密度的VLSI 电路和大容量的可编程器件或存储器
1 λiD
2. 低频互导gm
互导反映了vGS 对iD 的控制能力，
gm ?
? iD ? vGS
V DS
相当于转移特性曲线上工作点的 斜率。单位是mS或? S
十分之几至几mS，互导随管子工作点不同而变
N沟道EMOSFET
iD ? Kn (vGS ? VT )2
gm ? 2Kn (vGS ? VT ) ? 2 Kn iD
vGD= vGS –vDS=VT
原点附近输出电阻
可变电阻区 vDS? VGS-VT
饱和区 vDS? VGS-VT
5V
vGS >V T
4V
场效应管的结构及工作原理(教案)
场效应管的结构及工作原理(教案)第一章：引言1.1 课程概述本课程旨在帮助学生了解和掌握场效应管（FET）的结构及工作原理。
通过本课程的学习，学生将能够理解FET的基本概念、种类、应用及其在电子技术领域的重要性。
1.2 教学目标1. 了解场效应管的定义和发展历程。
2. 掌握场效应管的基本结构和分类。
3. 理解场效应管的工作原理及其在不同应用领域的优势。
第二章：场效应管的基本结构2.1 结型场效应管（JFET）2.1.1 JFET的定义2.1.2 JFET的结构特点2.1.3 JFET的导电机制2.2 金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）2.2.1 MOSFET的定义2.2.2 MOSFET的结构特点2.2.3 MOSFET的导电机制2.3 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）2.3.1 IGBT的定义2.3.2 IGBT的结构特点2.3.3 IGBT的导电机制第三章：场效应管的工作原理3.1 结型场效应管（JFET）的工作原理3.1.1 增强型JFET的工作原理3.1.2 耗尽型JFET的工作原理3.2 金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）的工作原理3.2.1 增强型MOSFET的工作原理3.2.2 耗尽型MOSFET的工作原理3.3 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的工作原理3.3.1 IGBT的工作原理第四章：场效应管的性能参数4.1 结型场效应管（JFET）的性能参数4.1.1 输入阻抗4.1.2 输出阻抗4.1.3 跨导4.1.4 开关速度4.2 金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）的性能参数4.2.1 输入阻抗4.2.2 输出阻抗4.2.3 跨导4.2.4 开关速度4.3 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的性能参数4.3.1 输入阻抗4.3.2 输出阻抗4.3.3 跨导4.3.4 开关速度第五章：场效应管的应用领域5.1 结型场效应管（JFET）的应用领域5.1.1 放大器5.1.2 开关电路5.1.3 电压控制器件5.2 金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）的应用领域5.2.1 放大器5.2.2 开关电路5.2.3 电压控制器件5.3 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的应用领域5.3.1 电力电子5.3.2 变频调速5.3.3 电力系统第六章：场效应管的测量与测试6.1 测量仪器与设备6.1.1 直流参数测试仪6.1.2 交流参数测试仪6.1.3 噪声测试仪6.2 场效应管的测量项目6.2.1 栅极电位与漏极电流的关系测量6.2.2 输入阻抗测量6.2.3 输出阻抗测量6.2.4 开关时间测量6.3 测试结果分析与应用6.3.1 测试结果的判断与分析6.3.2 测试结果在实际应用中的应用第七章：场效应管的驱动与保护7.1 驱动电路的设计7.1.1 驱动电路的基本要求7.1.2 驱动电路的设计方法7.1.3 驱动电路的实际应用案例7.2 场效应管的保护电路7.2.1 过压保护电路7.2.2 过流保护电路7.2.3 短路保护电路7.3 驱动与保护电路的实际应用7.3.1 驱动与保护电路在放大器中的应用7.3.2 驱动与保护电路在开关电路中的应用第八章：场效应管的故障诊断与维修8.1 故障诊断方法8.1.1 观察法8.1.2 测量法8.1.3 替换法8.2 常见故障与维修方法8.2.1 栅极输入故障8.2.2 漏极输出故障8.2.3 内部短路故障8.3 故障维修实例8.3.1 放大器故障维修实例8.3.2 开关电路故障维修实例第九章：场效应管在现代电子技术中的应用9.1 数字电路中的应用9.1.1 逻辑门电路9.1.2 微处理器电路9.1.3 存储器电路9.2 模拟电路中的应用9.2.1 放大器电路9.2.2 滤波器电路9.2.3 稳压电路9.3 电力电子中的应用9.3.1 变频调速电路9.3.2 电力控制系统9.3.3 电力变换器电路第十章：总结与展望10.1 课程总结本课程对场效应管的结构、工作原理及其应用进行了详细的介绍，使学生掌握了场效应管的基本知识，为further study in the field of electronic technology 打下了坚实的基础。
第五章 MOS场效应管的特性
1 1 C C C Si ox
1
+
N+ N+ N+
G N+ N+
以SiO2为介质的电容器—Cox 以耗尽层为介质的电容器—CSi
MOS管的电容
MOS电容—束缚电荷层厚度
耗尽层电容的计算方法同 PN 结的耗尽层电容的计算 方法相同，利用泊松方程
2
1
Si
Q qNAWL X p WL 2 Si qNA
CD = Cdb + 0 + Cdb
1 W 2 I ds Vgs VT 2 tox L L
MOS管的电容
深亚微米CMOS IC工艺的寄生电容
21 40 86 9 15 48 36 14
Metal3 Metal2 Metal1
29 38 39 62 46
在耗尽层中束缚电荷的总量为
2 Si Q qNA X pWL qN AWL WL 2 Si qNA q NA
是耗尽层两侧电位差的函数，耗尽层电容为
dQ 1 CSi WL 2 Si qNA dv 2
1 2
Si qNA WL 2
是一个非线性电容，随电位差的增大而减小。
这时，栅极电压所感应的电荷Q为，
Q=CVge 式中Vge是栅极有效控制电压。
MOS管特性
电荷在沟道中的渡越时间
非饱和时（沟道未夹断），在漏源电压Vds作用 下，这些电荷Q将在时间内通过沟道，因此有
L L2 Eds Vds L
为载流子速度，Eds= Vds/L为漏到源方向电场强度，Vds为漏 到源电压。 为载流子迁移率： n n µ n = 650 cm2/(V.s) 电子迁移率(NMOS) µ p = 240 cm2/(V.s) 空穴迁移率(PMOS)
模拟电路场效应管及其基本放大电路
UGS(off)
信息技术学院
3. 特性
（1）转移特性
在恒流区
uGS 2 iD I DSS (1 ) U GS(off)
漏极饱 和电流
(U GS (off ) uGS 0)
夹断 电压
信息技术学院
（2）输出特性
iD f (uDS ) U GS 常量
IDSS g-s电压 控制d-s的 等效电阻
信息技术学院
P 沟道场效应管 D
P 沟道场效应管是在 P 型 硅棒的两侧做成高掺杂的 N 型区(N+)，导电沟道为 P 型， 多数载流子为空穴。 d
P G
N+ 型 沟 道 N+
g
S
s 符号
信息技术学院
2. 工作原理
（1）栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用
uDS=0
UGS（off）
沟道最宽 (a)uGS = 0
2)耗尽型MOS管
夹断 电压
信息技术学院
各类场效应管的符号和特性曲线
种类 结型 N 沟 道 符号 D 转移特性 ID /mA IDSS 漏极特性 UGS= 0V
ID
-
G
S D
UGS(off) O
UGS
O + + + ID O
o
UDS
ID
结型
P 沟 道
O UGS(off) UGS
G
IDSS
S D B
iD f (uGS ) U DS 常量
当场效应管工作在恒流区时，由于输出特性曲线可近似为横轴的一组平行 线，所以可用一条转移特性曲线代替恒流区的所有曲线。输出特性曲线的 恒流区中做横轴的垂线，读出垂线与各曲线交点的坐标值，建立uGS，iD坐 标系，连接各点所得的曲线就是转移特性曲线。
MOS场效应管的特性
阈值电压VT
在工艺确定之后，阈值电压VT主要决 定于衬底的掺杂浓度： P型衬底制造NMOS，杂质浓度越大，需 要赶走更多的空穴，才能形成反型层， VT 值增大，因而需要精确控制掺杂浓度 如果栅氧化层厚度越薄，Cox越大，电荷的 影响就会降低。故现在的工艺尺寸和栅氧 化层厚度越来越小
当器件尺寸还不是很小时，这个ΔW影响还 小，但是器件缩小时，这个ΔW就影响很大
迁移率的退化
MOS管的电流与迁移率成正比，一般假定μ 为常数
实际上， μ并不是常数，它至少受到三个因 素的影响
温度 垂直电场 水平电场
特征迁移率μ0
电场强度
电场强度增加时，迁移率是减小的 电场有水平分量和垂直分量，因而迁移率
沟道很短、很窄，边沿效应对器件特性产 生很大的影响，最主要的是阈值电压减小
短沟道效应
短沟道效应
狭沟道效应引起的阈值电压的变化
沟道太窄，W太小，那么栅极的边缘电场也 引起Si衬底中的电离化，产生附加的耗尽层， 因而增加阈值电压
狭沟道效应
C ox
ox A tox
oxW L tox
Vgs增加达到VT值
C ( 1 1 )1达到最小值 Cox CSi
Vgs继续增加
C Cox
MOS管电容变化曲线
MOS电容计算
VGS<VT
沟道未建立，MOS管源漏沟道不通 Cg＝Cgs＋Cox Cd＝Cdb
VGS>VT
MOS电容是变化的 MOS电容对Cg和Cd都有贡献，贡献大小取决于
-电压特性不变，Dennard等人提出了等比例缩小规律 等比例缩小规律即器件水平和垂直方向的参数以及电压按
第五章场效应管共67页文档
iDKn(vGS VT)2
KnVT2(vVGTS1)2
IDO(
vG S VT
1)2
IDOKnVT2 是vGS＝2VT时的iD
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（2）转移特性
iD f(vGS) vDScon s t.
iD IDO(vVGTS1)2
18ET
U DS
U G S＞ U G S (th )
SG ++
N+
ID
预夹断
D
++ S iO 2
N+
为源极和衬底相连接，所以加入VDS后， VDS将沿漏到源逐渐降落在沟道内，漏极和 衬底之间反偏最大，PN结的宽度最大。所
以加入VDS后，在漏源之间会形成一个倾 斜的PN结区，从而影响沟道的导电性。
当VDS进一步增加时， ID会不断增加, 同时，漏端的耗尽层上移，会在漏端出
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ID=f(UGS)UDS=const
转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压 对漏极电流的控制作用。 gm 的量纲为mA/V，所以 gm也称为跨导。跨导的定义式如下
gm=ID/VGS UDS=const (单位mS)
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17
（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用
2. 夹断电压VP （耗尽型参数）
3. 饱和漏电流IDSS （耗尽型参数） 4. 直流输入电阻RGS （109Ω～1015Ω ） 二、交流参数
1. 输出电阻rds
因与P型半导体的载流子空穴极性 相反，故称为反型层。
随着VGS的继续增加，ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0， 只有当VGS＞VGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为 增强型MOS管。
半导体器件物理(第五章 MOS场效应晶体管)
5.1 MOS型晶体管的结构与分类
空穴沟道
I DS
I DS
D
p
D
B
VGS
G
VDS
G
B
S
VDS
S
p
VGS
N Si
(g)
(h)
图(g)展示了pMOS晶体管工作原理电路图，当在栅极G施加 负栅压时，且满足︱VGS︱ >︱VT︱时，便形成空穴沟道，这时 在 D 端施加一漏极电压，注意应有 VDS<0 ，即负的漏极电压， 就会形成漏极电流IDS，注意电流实际方向为S到D。
5.2.1 MOS型晶体管阈值电压的定义
VGS
S G
定义：
D
I DS
n
电子沟道
n
P Si
B
耗尽层
当 MOS 晶体管位于近源端 处的沟道区出现强反型层时， 施加于栅源两电极之间的电压 称为 MOS 晶体管的阈值电压， 用VT表示。
5.2.2 理想情况下MOS管阈值电压的表达式
（所谓理想情况，其情形完全类似于理想MOS结构）
5.1 MOS型晶体管的结构与分类
I DS VT 0 O
VGS
pMOS管 (增强型)
I DS
O
VT 0
VGS
pMOS管 (耗尽型)
(i) pMOS管转移特性曲线 （增强型）
(j) pMOS管转移特性曲线 （耗尽型）
特点：
1）VGS < VT（阈值电压）； 2）VT < 0（增强型）; 3）MOS 管输入电阻 Ri →∞。
微电子技术专业
第5章 MOS型场效应晶体管
本章要点
MOS型晶体管的结构与分类 MOS型晶体管的阈值电压
MOS场效应管的特性
第五章MOS 场效应管的特性5.1MOS 场效应管5.3体效应第五章MOS 场效应管的特性5.1 MOS 场效应管5.2 MOS 管的阈值电压5.3 体效应115.5MOSFET 的噪声5.6MOSFET 尺寸按比例缩小5.7MOS 器件的二阶效应5.4 MOSFET 的温度特性5.5 MOSFET 的噪声5.6 MOSFET 尺寸按比例缩小5.7 MOS 器件的二阶效应1）N 型漏极与P 型衬底；2）N 型源极与P 型衬底。
5.1 MOS 场效应管5.1.1 MOS 管伏安特性的推导两个PN 结：图2）1）2同双极型晶体管中的PN 结一样，在结周围由于载流子的扩散、漂移达到动态平衡，而产生了耗尽层。
3）一个电容器结构：23）栅极与栅极下面的区域形成一个电容器，是MOS 管的核心，决定了MOS 管的伏安特性。
p+/ n+n(p) MOSFET的三个基本几何参数toxpoly-Si diffusionDWG L3p+/ n+⏹栅长:⏹栅宽:⏹氧化层厚度:LWt oxSMOSFET的三个基本几何参数⏹L min、W min和t ox由工艺确定⏹L min：MOS工艺的特征尺寸(feature size)决定MOSFET的速度和功耗等众多特性⏹L和W由设计者选定⏹通常选取L= L min，设计者只需选取W，W是主要的设计变量。
⏹W影响MOSFET的速度，决定电路驱动能力和功耗4MOSFET 的伏安特性:电容结构⏹当栅极不加电压或加负电压时，栅极下面的区域保持P 型导电类型，漏和源之间等效于一对背靠背的二极管，当漏源电极之间加上电压时，除了PN 结的漏电流之外，不会有更多电流形成。
⏹当栅极上的正电压不断升高时，P 型区内的空穴被不断地排斥到衬底方向。
当栅极上的电压超过阈值电压V T ，在5栅极下的P 型区域内就形成电子分布，建立起反型层，即N 型层，把同为N 型的源、漏扩散区连成一体，形成从漏极到源极的导电沟道。
半导体物理 第五章 JFET 图文
5.1 JFET的基本结构和工作原理
三、JFET的基本工作原理：
SG
D
SG
D
栅极PN结反偏
SCR向沟道内部扩展
沟道截面积变小，电导变小。
可见：源漏之间流过的电流受栅极电压调制，这种通过表面电 场调制半导体电导的效应，称为场效应。
5.1 JFET的基本结构和工作原理
三、JFET的基本工作原理：
VG= 0的JFET特性
个欧姆结之间的电流控制。
二、JFET的特点：
属于单极器件。即只由多数载流子承担电流的输运。
三、MESFET与JFET的区别与联系：
将JFET的PN结用MS结代替作为栅结，就构成MESFET。 二者的工作原理基本相同。
5.1 JFET的基本结构和工作原理
一、JFET的基本结构：
S
G
D
SG
D
外延—扩散工艺
5.8 JFET 和 MESFET的类型
一、四种类型：
1. N沟道耗尽型： VG= 0时，有沟道； VG< 0 , VD> 0 时，沟道夹断。
2. P沟道耗尽型： VG= 0时，有沟道； VG > 0 , VD< 0 时，沟道夹断。
3. N沟道增强型： VG= 0时，无沟道； VG > 0 , VD< 0 时， 沟道形成。
5.1 JFET的基本结构和工作原理
三、JFET的基本工作原理：
VG= 0的JFET特性
SG
D
SG
D
VD< VP
VD= VP
6.如果忽略沟道长度调制效应，沟道夹断后，漏极电流将不再增加而处于饱和
状态。漏电压，VDS； 7.沟道夹断后的漏极电流称为饱和漏电流， IDS 。
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iD的大小受uGS控制。饱和区与可变电阻区的分界线为 uDS= uGS-UGS(off)。
(3) 夹断区
uGS<UGS(off)，沟道被夹断，iD≈0
2、转移特性曲线
iD = f (uGS ) UDS = 常数
iD
I
DSS
(1
U
uGS
GS (off
)
)2
(U GS(off ) uGS 0)
UGS
当︱ UGS ︱ ≥ ︱ UGS(off) ︱后，耗
尽区无明显变化，太大会出现击穿。
N
P+
P+
S
图5.1.2
由于PN结反偏，栅极电流基本为0，消耗很小。一般不用正偏。
D （2） G 、S间短路， D 、S间加正向电压
随UDS↑ ，ID ↑ 。由于电压降，靠近D极 U GD反压越高，耗尽层越宽，导电沟道越 G
噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，制造工艺 简单。尤其MOS管在大规模和超大规模集成电 路中占有重要地位。
分类：
结型
N沟道 P沟道
（耗尽型）
场效应管 (FET)
(JFET) 绝缘栅型
增强型
E型
N沟道 P沟道
(MOSFET) 耗尽型
D型
N沟道 P沟道
5.1.1 结型场效应管(Junction Field Effect Transistor)
R
窄，呈现楔型。
P+
P+
当UDS =︱ UGS(off) ︱,即UGD =UGS(off)
时，在漏极两侧的耗尽区开始合拢，称
UDS
为预夹断。
UDS↑，预夹断区变长， UDS的增加部分 落。（在3）预G夹、断S区间，加导负电电沟压道，内D的、IDS基间本加不正变向电压
S
G、S的负电压使耗尽区变宽，导电沟
（3）饱和区：两结正偏，靠近纵轴 区 的区域。IB增加，IC不再增加， 不受IB的控制，IC只随UCE增加 0 而增加。
80 µA
放
60 µA
大 区
40 µA 20µA
IB= 0 µA
截止区
uCE /V
UCE=UBE称为临界饱和，在深度饱和时，饱和压降UCES很小。 临界饱和的估算：三个工作区的分析
发射极e
1.3.2 晶体管的电流放大作用---放大？
三极管具有电流控 制作用的外部条件 :
共发射极接法放大电路
（1）发射结正向偏置； （2）集电结反向偏置。
RC IC
对于NPN型三极管应满足:
IB B
UBE > 0
RB
C
UCE E
EC
UBC < 0 即 VC > VB > VE
UBE EB
对于PNP型三极管应满足:
N
IEN
电源负极向发射
区补充电子形成
发射极电流IE
VCC RC
三极管输出特性上的三个工作区
（1）放大区：发射结正偏，集电极 反偏。特性曲线的平坦部分。
iC / mA
满足
IC I B ICEO
有电流控制作用。
（2）截止区：IB≤0的区域，两结反 偏。严格说，IE=0,即IC≤ICBO 的区域，管子基本不导电。 饱 和
1.3 双极型晶体管
1.3.1 晶体管的结构及类型
一、三极管的结构、 分类和符号
可按频率、功率、材料、结构分类。 若按结构分类，可分为2种：
集电极c
集电区
1. NPN 型三极管
c
基极b
b
e
三个区、两个结、三个极 特点：基区薄，掺杂浓度低
发射区，掺杂浓度高 集电区，结面积大
N
集电结
P
基区
发射结
N
发射区
1.3.5 晶体管的应用电路举例
例1.3.1 现已测得某电路中有几只晶体管三个极的直流电位如表 所示，各晶体管b-e见开启电压Uon均为0.5V。
试分别说明各管子的工作状态。
晶体管
基极直流电位UB/V 发射极直流电位UE/V 集电极直流电位UC/V
工作状态
T1 0.7 0 5 放大
T2 1 0.3 0.7 饱和
低频跨导：
iD /mA
4
预夹断 轨迹
gm
iD uGS
iD /mA
UGS = 0V
3
3
可变2 电阻区
1
0
恒
–1
流
–2V
区
–3V
4
8
12
夹断区
2
ID
1
UGS
–3 –2
UGs(off)
–1
0
1
2
图5.1.4 场效应管的输出特性 图5.1.5 转移特性
(1) 可变电阻区
iD几乎与uDS成线性关系增加，呈电阻特性。其等效电阻 可看作一个受栅源电压uGS控制的可变电阻。
5.1.2 绝缘栅型场效应管(MOSFET)
一、N沟道增强型MOS管
四种类型：
1. 结构和符号
N沟道增强型；N沟道耗尽型； P沟道增强型； P沟道耗尽型。
源极S 栅极G 漏极D
D
SiO2
N+
N+
B
G
P型硅衬底
S
衬底引线B
符号
图5.1.6 N沟道增强型MOS管结构示意图及符号
UEB > 0 UCB < 0 即 VC < VB < VE
输入 回路
公 共
输出 回路
端
三极管的电流控制原理
VBB正极拉走电
子，补充被复 合的空穴，形
成 IB
IC
ICBO
IBN
IB
RB
IEP
IE
VBB
电子流向电源正极形成 IC
ICN N 集电区收集电子
电子在基区 扩散与复合
P
发射区向基区 注入电子
图5.1.1 N沟道结型场效应管的结构示意图
2、工作原理
（1）D、S间短路，G、S间加反向电压
D
︱ UGS ︱增大，耗尽层加宽，导电 沟道变窄，电阻加大，当︱UGS︱加 G 大到一定值时，两侧的耗尽区几乎碰
上，导电沟道仿佛被夹断，D、S间电
阻趋于无穷大。 此时， UGS =UGS(off)—夹断电压
一、工作原理和结构
1、结构：
在N型硅棒两端加上
漏极D
ID
一定极性的电压，多子在
电场力的作用下形成电流
N
ID。在N型硅棒两侧做成 两个高浓度的P+区，并将
栅极G
P+
P+
G
D
其连在一起，如图。若将
G、S间加上不同的反偏电
压，即可改变导电沟道的
宽度，便实现了利用电压 所产生的电场控制导电沟
源极S
道中电流强弱的目的。
T3 -1 -1.7 0 放大
T4 0 0 15 截止
对NPN管， 当UBE＜Uon时，管子截止； 当UBE ＞ Uon且UCE≥ UBE (或UC ≥ UB)，管子放大； 当UBE ＞ Uon且UCE ＜ UBE (或UC ＜ UB)，管子饱和。
§ 5.1 场效应管
特点：
体积小，重量轻，耗电省，寿命长；输入阻抗高，
R
道变窄；D、S间的正电压使耗尽区和导 电沟道不等宽。
P+
P+
当UGD=UGS-UDS=UGS(off)，即 UDS= UGS-UGS(off)时，发生预夹断，此后
UGS
UDS
UDS ↑， ID基本不变。
图5.1.3
二、特性曲线及电流方程
1、漏极特性曲线（输出特性曲线） iD = f (uDS ) UGS = 常数