場效應晶體管全面解析

線性電子電路第三章場效應管主要內容3.0

概述3.1

場效應管的工作原理3.2

場效應管特性曲線3.3場效應管的使用注意事項3.4場效應管的等效電路3.5場效應管電路的分析方法第三章場效應管3.0概述

場效應管是一種利用電場效應來控制電流的半導體器件,也是一種具有正向受控作用的半導體器件。它體積小、工藝簡單，器件特性便于控制，是目前制造大規(guī)模集成電路的主要有源器件。場效應管與三極管主要區(qū)別：

場效應管輸入電阻遠大于三極管輸入電阻。

場效應管是單極型器件（三極管是雙極型器件）。

場效應管受溫度的影響?。ㄖ挥卸嘧悠七\動形成電流）一、場效應管的種類第三章場效應管按結構不同分為絕緣柵型場效應管MOSFET結型場效應管JFETP溝道N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道MOSFET（按工作方式不同）耗盡型（DMOS）增強型（EMOS）

溝道：指載流子流通的渠道、路徑。N溝道是指以N型材料構成的區(qū)域作為載流子流通的路徑；P溝道指以P型材料構成的區(qū)域作為載流子流通的路徑。第三章場效應管二、場效應管的結構示意圖及其電路符號

JFET結構示意圖及電路符號SGDSGDP+P+NGSDN溝道JFETP溝道JFETN+N+PGSD返回耗盡型場管的結構示意圖及其電路符號第三章場效應管SGUDIDSGUDIDPP+N+SGDUN+N溝道DMOSNN+P+SGDUP+P溝道DMOS

DMOS管結構VGS=0時，導電溝道已存在返回第三章場效應管增強型場管的結構示意圖及其電路符號PP+N+N+SGDUNN+P+SGDUP+SGUDSGUD返回場效應管的電路符號第三章場效應管SGDSGDSGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOSMOS場效應管MOSFET結型場效應管JFET返回總結總結：第三章場效應管

場效應管的電路符號可知：無論是JFET或是MOSFET，它都有三個電極：柵極G、源極S、漏極D。它們與三極管的三個電極一一對應（其實它們之間的對應關系除了電極有對應關系外，由它們構成的電路的特性也有對應關系，這些我們在第四再給大家講）：

G---BS---ED----CN溝道管子箭頭是指向溝道的，而P溝道管子的箭頭是背離溝道的。返回3.1

場效應管的工作原理第三章場效應管

JFET與MOSFET工作原理相似，它們都是利用電場效應來控制電流，即都是利用改變柵源電壓vGS，來改變導電溝道的寬度和高度，從而改變溝道電阻，最終達到對漏極電流iD的控制作用。不同之處僅在于導電溝道形成的原理不同。(下面我們以N溝道JFET、N溝道增強型為例進行分析）

返回第三章場效應管3.1.1

JFET管工作原理

N溝道JFET管外部工作條件VDS>0(保證柵漏PN結反偏)VGS<0(保證柵源PN結反偏)P+P+NGSD

+

VGSVDS+-PN結反偏才能有效控制導電溝道的寬度和高度，從而才能有效控制電流。VGS對溝道寬度的影響VDS對溝道寬度的影響返回第三章場效應管

VGS對溝道寬度的影響|VGS|

阻擋層寬度若|VGS|

繼續(xù)溝道全夾斷使VGS=VGS(off)夾斷電壓若VDS=0NGSD

+

VGSP+P+N型溝道寬度溝道電阻Ron返回第三章場效應管

VDS對溝道的控制（假設VGS一定）VDS很小時

→

VGDVGS由圖

VGD=VGS-VDS因此

VDS→ID線性

若VDS→則VGD→近漏端溝道→

Ron增大。此時

Ron→ID變慢NGSD

+VGSP+P+VDS+-此時W近似不變即Ron不變VDS對溝道寬度的影響第三章場效應管

當VDS增加到使VGD=VGS(off)時→A點出現(xiàn)預夾斷

若VDS繼續(xù)→A點下移→出現(xiàn)夾斷區(qū)此時

VAS=VAG+VGS=-VGS(off)+VGS（恒定），

VDS的增加主要加在D、A之間形成很強的電場，由S向D行進的多子越過耗盡區(qū)到達漏極形成電流NGSD

+VGSP+P+VDS+-ANGSD

+VGSP+P+VDS+-A若忽略溝道長度調制效應，則近似認為l

不變（即Ron不變）。因此預夾斷后：VDS→ID基本維持不變。

返回第三章場效應管

N溝道EMOS管工作原理

N溝道EMOS管外部工作條件VDS>0

(保證柵漏PN結反偏)。U接電路最低電位或與S極相連(保證源襯PN結反偏)。VGS>0(形成導電溝道)PP+N+N+SGDUVDS-+-+

VGS柵襯之間相當于以SiO2為介質的平板電容器。增強型管子溝道形成原理第三章場效應管

3.1.2N溝道EMOSFET溝道形成原理

假設VDS=0，討論VGS作用PP+N+N+SGDUVDS=0-+VGS形成空間電荷區(qū)并與PN結相通VGS襯底表面層中負離子、電子VGS開啟電壓VGS(th)形成N型導電溝道表面層

n>>pVGS越大，反型層中n

越多，導電能力越強。反型層返回第三章場效應管3.2

場效應管的伏安特性曲線（以NEMOSFET為例）

由于場效應管的柵極電流為零，故不討論輸入特性曲線。共源組態(tài)特性曲線：ID=f

(VGS)VDS=常數(shù)轉移特性：ID=f

(VDS)VGS=常數(shù)輸出特性：+TVDSIG0VGSID+--

轉移特性與輸出特性反映場效應管同一物理過程，它們之間可以相互轉換。NDMOSFET的特性曲線NJFET的特性曲線輸出特性曲線可劃分四個區(qū)域：

ID只受UGS控制，而與UDS近似無關，表現(xiàn)出類似三極管的正向受控作用。

非飽和區(qū)（又稱可變電阻區(qū)）特點：ID同時受UGS與UDS的控制。ID/mAUDS/V0UDS=UGS–UTUGS=5V3.5V4V4.5VNEMOS管輸出特性曲線非飽和區(qū)、飽和區(qū)、截止區(qū)、擊穿區(qū)。

飽和區(qū)（又稱恒流區(qū)）特點：VGS(th)—開啟電壓，開始有ID時對應的VGS值

截止區(qū)（ID

=0以下的區(qū)域）

擊穿區(qū)IG≈0，ID≈0第一章半導體器件返回第三章場效應管

非飽和區(qū)特點：ID同時受VGS與VDS的控制。當VGS為常數(shù)時，VDSID近似線性，表現(xiàn)為一種電阻特性；ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V當VDS為常數(shù)時，VGSID，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。溝道預夾斷前對應的工作區(qū)。條件：VGS>VGS(th)V

DS<VGS–VGS(th)因此，非飽和區(qū)又稱為可變電阻區(qū)。（對應三極管的飽和區(qū)）

3.2.1NEMOS管輸出特性曲線返回第三章場效應管特點：

ID只受VGS控制，而與VDS近似無關，表現(xiàn)出類似三極管的正向受控作用。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V溝道預夾斷后對應的工作區(qū)。條件：VGS>VGS(th)V

DS>VGS–VGS(th)

考慮到溝道長度調制效應，輸出特性曲線隨VDS的增加略有上翹。注意：飽和區(qū)（又稱恒流區(qū)）對應三極管的放大區(qū)。

飽和區(qū)飽和區(qū)工作時的數(shù)學模型返回第三章場效應管數(shù)學模型：若考慮溝道長度調制效應，則ID的修正方程：

工作在飽和區(qū)時，MOS管的正向受控作用，服從平方律關系式：其中：稱溝道長度調制系數(shù)，其值與l有關。通常=(0.005~0.03)V-1返回第三章場效應管特點：相當于MOS管三個電極斷開。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V溝道未形成時的工作區(qū)條件：VGS<VGS(th)ID=0以下的工作區(qū)域。IG≈0，ID≈0

擊穿區(qū)VDS增大到一定值時漏襯PN結雪崩擊穿

ID劇增。VDS溝道

l對于l較小的MOS管穿通擊穿。

截止區(qū)返回返回第三章場效應管VGS(th)=3VVDS

=5V

轉移特性曲線反映VDS為常數(shù)時，VGS對ID的控制作用,可由輸出特性轉換得到。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5VVDS

=5VID/mAVGS/V012345

轉移特性曲線中,ID≈0

時對應的VGS值,即開啟電壓VGS（th）

。

3.2.2

NEMOS管轉移特性曲線返回第三章場效應管ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=1V-1.5V-1V-0.5V0V0.5V-1.8VID/mAVGS/V0VGS(th)VDS>0，VGS

正、負、零均可。外部工作條件：DMOS管在飽和區(qū)與非飽和區(qū)的ID表達式與EMOS管相同。PDMOS與NDMOS的差別僅在于電壓極性與電流方向相反。

NDMOS管伏安特性返回第三章場效應管

NJFET管伏安特性ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5VID=0時對應的VGS值夾斷電壓VGS（off）。VGS=0時對應的ID值飽和漏電流IDSS。PJFET與NJFET的差別僅在于電壓極性與電流方向相反在飽和區(qū)時的數(shù)學模型：返回第三章場效應管

VDS極性取決于溝道類型N溝道：VDS>0，P溝道：VDS<0

VGS極性取決于工作方式及溝道類型增強型MOS管：VGS

與VDS

極性相同。耗盡型MOS管：VGS

取值任意。

飽和區(qū)數(shù)學模型

飽和區(qū)（放大區(qū)）外加電壓極性及數(shù)學模型結型FET管：VGS與VDS極性相反。MOSFET:JFET:幾種FET管子的轉移特性曲線比較:第三章場效應管N溝道：VDS>0ID(mA)VGS(V)VGS(th)VGS(th)VGS(off)VGS(th)VGS(th)VGS(off)P溝道：VDS<0

ID(mA)VGS(V)結型結型耗盡型耗盡型增強型增強型增強型MOS管：

VGS

與VDS

極性相同。耗盡型MOS管：

VGS

取值任意。結型FET管：

VGS與VDS極性相反。返回第三章場效應管3.3場效應管的使用注意事項

由于MOS管COX很小，因此當帶電物體（或人）靠近金屬柵極時，感生電荷在SiO2絕緣層中將產生很大的電壓VGS(=Q/COX)，使絕緣層擊穿，造成MOS管永久性損壞。MOS管保護措施：分立的MOS管：各極引線短接、烙鐵外殼接地。MOS集成電路：TD2D1D1D2一方面限制VGS間最大電壓，同時對感生電荷起旁路作用。第三章場效應管3.4場效應管的等效電路

3.4.1FET直流簡化電路模型(與三極管相對照)

場效應管G、S之間開路，IG0。三極管發(fā)射結由于正偏而導通，等效為VBE(on)。

FET輸出端等效為壓控電流源，ID受VGS控制。三極管輸出端等效為流控電流源，滿足IC=

IB。SGDIDVGSSDGIDIG0ID(VGS)+-VBE(on)ECBICIBIB+-具體電路分析小信號等效電路第三章場效應管例1

已知nCOXW/(2l)=0.25mA/V2，VGS(th)=2V,求ID解：假設T工作在放大模式VDD(+20V)1.2M4kTSRG1RG2RDRS0.8M10kGID帶入已知條件解上述方程組得：ID=1mAVGS=4V及ID=2.25mAVGS=-1V（舍去）VDS=VDD-ID（RD+RS）=6V因此

驗證得知：VDS>VGS–VGS(th)，VGS>VGS(th)，假設成立。返回3.4.2

小信號電路模型第三章場效應管FET管高頻小信號電路模型

當高頻應用、需計及管子極間電容影響時，應采用如下高頻等效電路模型。gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-CdsCgdCgs柵源極間平板電容漏源極間電容（漏襯與源襯之間的勢壘電容）柵漏極間平板電容簡化的小信號等效電路第三章場效應管gmvgsrdsgdsicvgs-vds++-

rds為場效應管輸出電阻：

由于場效應管IG0，所以輸入電阻rgs。而三極管發(fā)射結正偏，故輸入電阻rbe較小。與三極管輸出電阻表達式

相似。rbercebceibic+--+vbevceβibMOS管簡化小信號電路模型(與三極管對照)

返回gm的含義第三章場效應管FET跨導得

通常