模电第5讲 场效应管
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电 路 符 号
PMOS场效应管
PMOS管结构和工作原理与NMOS管类似，但 正常放大时所外加的直流偏置极性与NMOS管 相反。
PMOS管的优点是工艺简单，制作方便；缺点 是外加直流偏置为负电源，难与别的管子制作 的电路接口。
PMOS管速度较低，现已很少单独使用，主要 用于和NMOS管构成CMOS电路。
G－栅极（基极） S－源极（发射极） D－漏极（集电极） B－衬底
MOS管工作原理
以N沟道增强 型MOS管为
例
正常 放大 时外 加偏 置电 压的 要求
VGS 0 VDS 0
VDS 0 VGS 0
问题：如果是P沟道，直流偏置应如何加？
栅源电压VGS对iD的控制作用
在栅极下方形成的导电沟 道导中体的的始在电多导漏子数电源，载时电因流（压与子即作空P产型用穴生半下极i开D） 性相反的，栅故源称电为压反为型开层启。电
压VT
VGS<VTN时（ VTN 称为开启电压)
VGS＞VTN时(形成反型层)
0面当聚果＜上集此VVG当在感较时SG＞SD应多加V＜VG、出的有VTS=NST现电漏时0N之V时许子源，间时，多，电由加，S电可压于上i漏O子以，此电2源中形就，时压之产成可但栅不间生沟以电压会相一道形子较在垂当，成数强D直两、将漏量，于个S漏极有P间型表背极电限形半面靠和流,不成导的源I背能D电体电。极的形流表场连二成。层，通极沟中P。管道型将如。，表
场效应管参数 饱和漏极电流IDSS
当VGS=0时，VDS>|VP|时所对应的漏极 电流。
输入电阻RGS
MOS管由于栅极绝缘，所以其输入电 阻非常大，理想时可认为无穷大。
场效应管参数
iDKn(vGSVTN)2
以MOS 管为例
低频跨导gm
gm
iD vGS
VDS 2Kn VG SVTN
低频跨导指漏极电流变化量与栅压变化量的 比值，可以在转移特性曲线上求取。
栅源电压对沟道的控制作用
V漏G当间极S当沟继将V电道VG续形GS流将=S减成＜0为变时小多0零窄时，，子时，，在沟的所IP漏道D漂N对将、继结移应减源续反运小的之变偏动。栅间窄，，源加，耗产电有I尽生D压继一层漏V续定变极GS减电宽电称小压流，为直时。漏夹至，源断为在间电0漏的压。源V当P。
特性曲线
iD
IDSS (1
vGS VP
)2
vG DvG S-vD SVP
(a) N沟道结型FET (b) 输出特性曲线
(b) N沟道结型FET 转移特性曲线
金
二、绝缘栅型场效应管
属
氧
增强型
化
物 半
N沟道
P沟道
导
体
三 极
耗尽型
管wk.baidu.com
N沟道
P沟道
MOS管结构
NM一扑型层，扩N引沟型O种结半然散出SiS道区O沟增左构导后两电MF以型管为例2增，NOE右，体用个极道强薄ST强从对它上光高膜基N型称是生刻掺绝本型的在成工杂缘上区P拓一艺的层是
D与S可倒置使用
多子参与导电
电压输入
电压控制电流
BJT与FET的比较
双极型三极管
场效应三极管
噪声
较大
较小
温度 特性
输入 电阻
静电 影响
集成 工艺
受温度影响较大
几十到几千欧姆
不受静电影响 不易大规模集成
受温度影响较小，有零温 度系数点
几兆欧姆以上
易受静电影响
适合于大规模和超大规模 集成
谢谢
25
各类场效应三极管的特性曲线
N
沟
绝 缘
道 增 强
栅型
场P 效沟
应道
管增
强
型
场效应管参数
开启电压VGS(th) (或VT)
开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压 小于开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。
夹断电压VGS(off) (或VP)
夹 断 电 压 是 耗 尽 型 FET 的 参 数 ， 当 VGS=VGS(off) 时,漏极电流为零。
漏源电压VDS对iD的控制作用
当的需反夹而当电降渐有反漏VIDG将V增极阻效型，减有型的断VS＞DD随大逐的栅层使小效层开，SS大V继着，渐存压中得，栅厚启T于续I后V趋减在从的电D从压度电一D将,增于小外S漏电位，而小减压的定不加一。加极子从沟使于为，增值再时饱的到也漏道得形零则加后随和，V源将极上S成，靠而，DiV值由极从到S将O增反出近D较S2。S于层i增源源产大的型现漏小O沟2上大极极生。增层沟端层时到逐压道，的所道的大上，
转移特性曲线
输入电压与输出电流间的关系曲线，对 调制 于共源电路，即：
系数 iDKn(vGSVTN)2
iD=f(vGS)VDS=const
输出特性曲线
输出电压与输出电流间的关系曲线，对 于共源电路，即：
iD=f(vDS)VGS=const
vG DvG S-vD SVT
N沟道耗尽型MOS管
结构示意图
漏源电压对沟道的控制作用
当 将 沟出下随道使VV现延G向D沟SS=预伸变下道0,夹，V当附断逐化内D渐电断SV近”但，增D降当位S的。后从I继大低D分V基沟时，源续，G布，本S道当极增源=不漏0不被端V到大均,D电V最随S夹匀到夹继D流低SV，断使=断续ID，DS其0，增也V处时增从中G增这S加而，的-大d大V端称使而漏沟D时。S与耗为=上电道，此V栅尽“P升流时时上夹极层预，由I间，成沟断D夹趋于=的楔d道长0端存反形于电度在压分饱场会沟布最和道。基高自值电，本上。阻沿不向着，
在栅极下方的SiO2层 中掺入了大量的金属 正离子。所以当VGS=0 时，这些正离子已经 在P型表面感应出反型
层，在漏源之间形成
了沟道。于是只要有
漏源电压，就有漏极 电流存在。
转移特性曲线
耗尽型与增强型MOS管的差异
耗尽型：当VGS＝0 时，存在导电沟道，ID≠0
增强型：当VGS＝0 时，没有导电沟道，ID＝0
最大漏极功耗PDM
最大漏极功耗可由PDM= VDS ID决定， 与双极型三极管的PCM相当。
BJT与FET的比较
双极型三极管
场效应三极管
结构
载流 子
输入 量
控制
NPN型，PNP型
C与E不可倒置使用 多子、少子均参与
导电
电流输入
电流控制电流
结型耗尽型： N沟道 P沟道 绝缘栅增强型： N沟道 P沟道 绝缘栅耗尽型： N沟道 P沟道
PMOS场效应管
PMOS管结构和工作原理与NMOS管类似，但 正常放大时所外加的直流偏置极性与NMOS管 相反。
PMOS管的优点是工艺简单，制作方便；缺点 是外加直流偏置为负电源，难与别的管子制作 的电路接口。
PMOS管速度较低，现已很少单独使用，主要 用于和NMOS管构成CMOS电路。
G－栅极（基极） S－源极（发射极） D－漏极（集电极） B－衬底
MOS管工作原理
以N沟道增强 型MOS管为
例
正常 放大 时外 加偏 置电 压的 要求
VGS 0 VDS 0
VDS 0 VGS 0
问题：如果是P沟道，直流偏置应如何加？
栅源电压VGS对iD的控制作用
在栅极下方形成的导电沟 道导中体的的始在电多导漏子数电源，载时电因流（压与子即作空P产型用穴生半下极i开D） 性相反的，栅故源称电为压反为型开层启。电
压VT
VGS<VTN时（ VTN 称为开启电压)
VGS＞VTN时(形成反型层)
0面当聚果＜上集此VVG当在感较时SG＞SD应多加V＜VG、出的有VTS=NST现电漏时0N之V时许子源，间时，多，电由加，S电可压于上i漏O子以，此电2源中形就，时压之产成可但栅不间生沟以电压会相一道形子较在垂当，成数强D直两、将漏量，于个S漏极有P间型表背极电限形半面靠和流,不成导的源I背能D电体电。极的形流表场连二成。层，通极沟中P。管道型将如。，表
场效应管参数 饱和漏极电流IDSS
当VGS=0时，VDS>|VP|时所对应的漏极 电流。
输入电阻RGS
MOS管由于栅极绝缘，所以其输入电 阻非常大，理想时可认为无穷大。
场效应管参数
iDKn(vGSVTN)2
以MOS 管为例
低频跨导gm
gm
iD vGS
VDS 2Kn VG SVTN
低频跨导指漏极电流变化量与栅压变化量的 比值，可以在转移特性曲线上求取。
栅源电压对沟道的控制作用
V漏G当间极S当沟继将V电道VG续形GS流将=S减成＜0为变时小多0零窄时，，子时，，在沟的所IP漏道D漂N对将、继结移应减源续反运小的之变偏动。栅间窄，，源加，耗产电有I尽生D压继一层漏V续定变极GS减电宽电称小压流，为直时。漏夹至，源断为在间电0漏的压。源V当P。
特性曲线
iD
IDSS (1
vGS VP
)2
vG DvG S-vD SVP
(a) N沟道结型FET (b) 输出特性曲线
(b) N沟道结型FET 转移特性曲线
金
二、绝缘栅型场效应管
属
氧
增强型
化
物 半
N沟道
P沟道
导
体
三 极
耗尽型
管wk.baidu.com
N沟道
P沟道
MOS管结构
NM一扑型层，扩N引沟型O种结半然散出SiS道区O沟增左构导后两电MF以型管为例2增，NOE右，体用个极道强薄ST强从对它上光高膜基N型称是生刻掺绝本型的在成工杂缘上区P拓一艺的层是
D与S可倒置使用
多子参与导电
电压输入
电压控制电流
BJT与FET的比较
双极型三极管
场效应三极管
噪声
较大
较小
温度 特性
输入 电阻
静电 影响
集成 工艺
受温度影响较大
几十到几千欧姆
不受静电影响 不易大规模集成
受温度影响较小，有零温 度系数点
几兆欧姆以上
易受静电影响
适合于大规模和超大规模 集成
谢谢
25
各类场效应三极管的特性曲线
N
沟
绝 缘
道 增 强
栅型
场P 效沟
应道
管增
强
型
场效应管参数
开启电压VGS(th) (或VT)
开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压 小于开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。
夹断电压VGS(off) (或VP)
夹 断 电 压 是 耗 尽 型 FET 的 参 数 ， 当 VGS=VGS(off) 时,漏极电流为零。
漏源电压VDS对iD的控制作用
当的需反夹而当电降渐有反漏VIDG将V增极阻效型，减有型的断VS＞DD随大逐的栅层使小效层开，SS大V继着，渐存压中得，栅厚启T于续I后V趋减在从的电D从压度电一D将,增于小外S漏电位，而小减压的定不加一。加极子从沟使于为，增值再时饱的到也漏道得形零则加后随和，V源将极上S成，靠而，DiV值由极从到S将O增反出近D较S2。S于层i增源源产大的型现漏小O沟2上大极极生。增层沟端层时到逐压道，的所道的大上，
转移特性曲线
输入电压与输出电流间的关系曲线，对 调制 于共源电路，即：
系数 iDKn(vGSVTN)2
iD=f(vGS)VDS=const
输出特性曲线
输出电压与输出电流间的关系曲线，对 于共源电路，即：
iD=f(vDS)VGS=const
vG DvG S-vD SVT
N沟道耗尽型MOS管
结构示意图
漏源电压对沟道的控制作用
当 将 沟出下随道使VV现延G向D沟SS=预伸变下道0,夹，V当附断逐化内D渐电断SV近”但，增D降当位S的。后从I继大低D分V基沟时，源续，G布，本S道当极增源=不漏0不被端V到大均,D电V最随S夹匀到夹继D流低SV，断使=断续ID，DS其0，增也V处时增从中G增这S加而，的-大d大V端称使而漏沟D时。S与耗为=上电道，此V栅尽“P升流时时上夹极层预，由I间，成沟断D夹趋于=的楔d道长0端存反形于电度在压分饱场会沟布最和道。基高自值电，本上。阻沿不向着，
在栅极下方的SiO2层 中掺入了大量的金属 正离子。所以当VGS=0 时，这些正离子已经 在P型表面感应出反型
层，在漏源之间形成
了沟道。于是只要有
漏源电压，就有漏极 电流存在。
转移特性曲线
耗尽型与增强型MOS管的差异
耗尽型：当VGS＝0 时，存在导电沟道，ID≠0
增强型：当VGS＝0 时，没有导电沟道，ID＝0
最大漏极功耗PDM
最大漏极功耗可由PDM= VDS ID决定， 与双极型三极管的PCM相当。
BJT与FET的比较
双极型三极管
场效应三极管
结构
载流 子
输入 量
控制
NPN型，PNP型
C与E不可倒置使用 多子、少子均参与
导电
电流输入
电流控制电流
结型耗尽型： N沟道 P沟道 绝缘栅增强型： N沟道 P沟道 绝缘栅耗尽型： N沟道 P沟道