场效应管基础与应用实务(吴红奎编著)思维导图

估算法
MOS 管截止模式判断方法
假定 MOS 管工作在放大模式：
放大模式
非饱和模式需重新计算 Q 点
N 沟道管：VGS < VGS(th) P 沟道管：VGS > VGS(th)
截止条件
非饱和与饱和放大模式判断方法
a由直流通路写出管外电路 VGS与 ID 之间关系式
c联立解上述方程选出合理的一组解
+ -
VGS
VDS
+ -
S
G
U
D
N
N
+
P
+
S
G
D
U
P
+
N 沟道 EMOS 管与 P 沟道 EMOS 管工作原理相似
即 VDS < 0 、VGS < 0
外加电压极性相反、电流 ID 流向相反
不同之处：
电路符号中的箭头方向相反
ID
3.1.2 耗尽型 MOS 场效应管
S
G
U
D
ID
S
G
若忽略沟道长度调制效应则近似认为 l 不变即 Ron不变
因此预夹断后：
P
P
+
N
+
N
+
S
G
D
U
VDS
- +
VGS
- +
A
P
P
+
N
+
N
+
S
G
D
U
VDS
- +
VGS
- +
A
VDS →ID 基本维持不变
场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻

g
-
vGS +
（2）vGS越负则
耗尽区越宽，导
电沟道越窄,电阻
越大， iD越小。
d
iD
N＋P N N＋P
s
vDS +
-
（1）当vGS较小
时，耗尽区宽 度有限，存在 导电沟道。ds 间相当于线性 电阻。
NJFET工作原理
vGS对沟道导电能力
的影响
d
iD
g
N＋P N N＋P
-
vGS +
s
vDS +
（3） vGS达到一定值
s
iD
d
耗尽型 MOS
-v DS iD
vGS<0,=0,>0 g
vGS
s
d iD
结型
vGS>0
g
-v DS
vGS
s
场效应管与三极管的比较
1、场效应管是电压控制器，而三极管是电流 控制器件，场效应管输入电阻高， IGFET 为1010—1015 ，JFET为108—1012 ， 三极管输入电阻在若干千欧 以下。
d
NEMOS
d
NDMOS
g
B
g
B
d NJFET
g
s PEMOS d
箭头方向指向沟 道，为NFET
PDMOS
g
B
g
沟道线是虚线，
s 为增强型FET
s 沟道线是实线，
d
为耗尽型FET
s d
PJFET
B
g
箭头由沟道指出，
s
为PFET
s
N沟道场效应管
放大：vDSvGS-VT(或VP)
增强型 MOS

形，如图6.2 。
必须指出，上述讨论未考虑到反型层中的电子是哪 里来的。若该MOS电容是一个孤立的电容，这些电子只 能依靠共价键的分解来提供，它是一个慢过程，ms级。
2023/12/22
15
MOS电容—测量
若测量电容的方法是逐点测量法—一种慢进 程，那么将测量到这种凹谷曲线。
① ⑤
②
③
④
图 5.2
区，栅极与源极扩散区都存
在着某些交迭，故客观上存
在着Cgs和Cgd。当然，引出 线之间还有杂散电容，可
以计入Cgs和Cgd。
图 5.3
2023/12/22
18
MOS电容的计算
Cg、Cd的值还与所加的电压有关:
1）若Vgs<VT，沟道未建立，MOS管漏源沟道不通。 MOS电容 C = Cox，但C 对Cd无贡献。
2023/12/22
16
MOS电容凹谷特性测量
若测量电容采用高频方法，譬如，扫频方法， 电压变化很快。共价键就来不及瓦解，反型层就 无法及时形成，于是，电容曲线就回到Cox值。 然而，在大部分场合，MOS电容与n+区接在一 起，有大量的电子来源，反型层可以很快形成， 故不论测量频率多高，电压变化多快，电容曲线 都呈凹谷形。
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6
MOSFET特性曲线
在非饱和区 Ids Vds C a1Vgs b1 线性工作区
在饱和区 Ids a2 Vgs VT 2
(Ids 与 Vds无关) . MOSFET是平方律器件!
Ids
饱和区
线性区
击穿区
0
2023/2 MOSFET电容的组成
的二倍。它不仅抵消了空穴，成为本征半导体，而
且在形成的反型层中，电子浓度已达到原先的空穴 浓度这样的反型层就是强反型层。显然，耗尽层厚 度不再增加，CSi也不再减小。这样，

49
3.5.2 场效应管的微变等效 电路分析
（1）电压放Au 大 uu倍oi 数1AgmugmRsR/s//R/ LRL
（2）输入电ri 阻uiriii Rg3 Rg1 // Rg2
（3）输出电ro 阻 ruiooo'
R
s
//
1 gm
50
3.6 本章小结
一、场效应管的特点、种类和工作原理 （1）基本特点 ①是一种电压控制器件，利用栅源电压 来控制漏极电流的。 ②输入电阻非常大。 ③场效应管仅有一种载流子（多数载流 子）参与导电，其温度稳定性高，噪声 系数小。
通常场效应管设置偏置的方式有 两种，即自给偏压电路和分压式偏置 电路。
40
3.5.1 场效应管的直流偏置电 路及静态工作点
一、自给偏压电路
通 过 Rg 将 Rs 两 端 的直流电压加到 G-S 之 间 ， 因 栅 极 电流IG≈0: UGS=VG－IDRs
≈－IDRs
41
3.5.1 场效应管的直流偏置电 路及静态工作点
21
3.2.2 JFET的工作原理
在UGS=0时保证沟道存在的条件下： （1）UDS＜│UP│，沟道存在。 （2）UDS=│UP│ ，沟道临界预夹断。 （3）UDS＞│UP│ ，沟道夹断变深。
22
3.2.3 JFET的伏安特性曲线
一、转移特性曲线
转移特性曲线 是输入电压uGS对 输出电流iD的控 制特性曲线。
3.1.1 N沟道增强型MOS管
增强型MOS管的电路符号
6
3.1.1 N沟道增强型MOS管
二、工作原理
N沟道增强型MOS管的基本工作原理 7
3.1.1 N沟道增强型MOS管
由上图可以得出结论: （1）UGS对沟道的影响 UGS＝0时，导电沟道不存在， ID=0 ； UGS＜ UT时，导电沟道不存在， ID=0； UGS≥ UT时，导电沟道存在， ID≠0；

)
UGS=0
UGS<0
O 转移特性
uGS
O 输出特性
uDS
5.1.3 场效应管的主要参数 1、直流参数 (1) 开启电压 UGS(th)：是增强型MOS管的参数 (2) 夹断电压 UGS(off)： 是结型管和耗尽型 (3) 饱和漏电流 IDSS： MOS管的参数 (4) 直流输入电阻 RGS(DC) 2、交流参数 (1) 低频跨导 gm：表示uGS对iD控制作用的强弱。 (2) 极间电容 3、极限参数 (1) 最大漏极电流 IDM (2) 击穿电压U(BR)DS (3) 最大耗散功率PDM= IDUDS
O
(2)恒流区(或称饱和区) iD基本不随uDS变化，仅取决于uGS 。
iD 可 变 电 阻 区 O 预夹断轨迹 UGS=0
利用场效应管作放大管时， 应工作在此区域。 (3)击穿区
击 穿 区
恒 流
-1V
-2V 区 -3V -4V 截止区
当uDS增大到一定程度时， 漏极电流骤然增大，管子 被击穿。 (4)夹断区(或称截止区)
g
N+
N+
以P型硅为衬底
B
(3) 当uGS>UGS(th)时，uDS加正向电压
s
uDS
+
+ iD d
uGS
g
N+
N+
在uDS>uGS－UGS(th)时， 沟道夹断区延长，iD达到 最大且恒定，管子进入 饱和区。
以P型硅为衬底
B
NMOS管工作过程的动画演示：
3、N沟道增强型的特性曲线和电流方程
iD IDO 可变 电阻 区 O 输出特性 预夹断轨迹 2UGS(th) 恒流区 IDO

01
02
03
04
阈值电压
使半导体表面附近的自由电子 浓度增加到开始导电所需的栅
极电压。
漏极电流Ids
在一定栅极电压下流过漏极的 电流。
跨导gm
描述栅极电压变化对漏极电流 的影响程度，表示为Ids/Vgs
。
直流电阻rd
漏源之间的直流电阻，表示为 Vds/Ids。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
03
N沟道耗尽型场效应管
工作原理
01
因此不导电。
特性曲线
转移特性曲线
描述栅极电压与漏极电流之间的关系。随着栅极电压的增加，漏 极电流增大。
输出特性曲线
描述漏极电流与漏极电压之间的关系。在一定的栅极电压下，漏极 电流随着漏极电压的增加而增大。
特性曲线的特点
在负栅极电压下，P沟道耗尽型场效应管不导通；在正栅极电压下 ，随着电压的增加，漏极电流逐渐增大。
02
N沟道增强型场效应管
工作原理
增强型N沟道场效应管是在一定 条件下，通过改变半导体表面附 近的电场来控制其导电性能的一
种电子器件。
当栅极电压为零时，半导体表面 附近的自由电子浓度较低，电阻 较大，相当于一个较大的电阻器
。
当栅极电压大于阈值电压时，半 导体表面附近的自由电子浓度增
加，电阻减小，开始导电。
02
03
栅极控制
N沟道耗尽型场效应管通 过栅极电压来控制源极和 漏极之间的导电沟道。
导电沟道形成
当栅极电压大于阈值电压 时，半导体材料内的电子 聚集形成导电沟道。
电流传输
导电沟道的形成使得源极 和漏极之间可以传输电流 。
特性曲线
转移特性曲线
描述栅极电压与漏极电流之间的 关系。随着栅极电压的增加，漏 极电流也增加。

5.2.1 MOSFET放大电路
1. 直流偏置及静态工作点的计算 电流源作偏置的NMOS共源极 放大电路(例5.2.3）
静态时，vI＝0，VG ＝0，ID ＝I IDK n(VG SVT)2 （饱和区） VS ＝ VG － VGS
VDS ＝ VD － VS =VDD－IDRD－ VS
电流源偏置
rdso

dvDS diD
1 vGS常 数2Kn(vGSVT)
rdso是一个受vGS控制的可变电阻
5.1.1 N沟道增强型MOSFET
3. V-I 特性曲线 （1）输出特性
② 可变电阻区
iD 2 K n(v G S V T )v DS rdso2Kn(vG 1SVT)
其中
KnK2n

5.1.5 MOSFET的主要参数
一、直流参数
1. 开启电压VT （增强型参数） 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
rds

vDS iD
VG S
5.1.5 MOSFET的主要参数
2. 小信号模型分析
（2）放大电路分析（例5.2.6）
Avv voi
(gmvgs)(R||rds) vgsgmvg(sR||rds)
IDQ
gmvgs

Kn
v
2 gs
静态值 （直流）
动态值 （交流）
非线性 失真项
当，vgs<< 2(VGSQ- VT )时，iD IDQ gmvgs IDQid
5.2.1 MOSFET放大电路
3. 小信号模型分析 （1）模型 iD IDQ gmvgs IDQid

第四节 场效应三极管
1. 直流参数 ⑴ 饱和漏极电流 IDSS 是耗尽型场效应管的一个重要参数。
它的定义是当栅源之间的电压uGS等于零， 而漏源之间的电压uDS大于夹断电压时对应的漏极电流。 ⑵ 夹断电压 UGS(off) 是耗尽型场效应管的一个重要参数。
其定义是当uDS一定时，
使iD减小到某一个微小电流时所需的uGS值。
D G
S
P 沟道增强型
25
第四节 场效应三极管
SG D
P
P
N
预埋了导 电沟道
26
D
G S
P 沟道耗尽型
2. N沟道增强型MOS场效应管 ⑴ 结构
P衬底杂质浓度较低， s 引出电极用B表示。
N+
N+两个区杂质浓度很高，
第四节 场效应三极管
d
g
g
B
s
d SiO2
N+
分别引出源极和漏极。 栅极与其他电极是绝缘的，
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3. 特性曲线 ⑴ 转移特性 iD = f（uGS）|uDS=常数
iD/mA IDSS
VGG
第四节 场效应三极管
mA ID
g
d
VDD
V
s
V
场效应管特性曲线测试电路
饱和漏极电流
UGS(off)
O uGS/V
Ｎ沟道结型场效应管转 移特性
栅源间加反向电压 uGS < 0 利用场效应管输入电阻高的优点。
第四节 场效应三极管
3. 极限参数 ⑴ 漏极最大允许耗散功率PDM 漏极耗散功率等于漏极电流与漏源之间电压的乘积， 即pD= iD uDS。 ⑵ 漏源击穿电压U（BR)DS 在场效应管的漏极特性曲线上，当漏极电流iD急剧上

小结:
（1）、ENOS场效应管，主要依靠一种载流子多子，参与 导电————自由电子。 因此，称MOS管为单极型管；而 晶体三极管是由多子和少子两种在流子参与导电，可称为 双极型管。
（2）、通过分析工作原理，可知两个高掺杂的N区与衬底 之间的PN结，必须外加反向偏置电压。
（3）、电路符号中的衬底箭头方向，是PN结外加正向偏 置时的正向电流方向。
VDS/V
VDS 很小时，ID 与 VDS 之间呈线性关系。 输出特性曲线近似为一组直线：
ID/mA 5.5V 5V 4.5V 4V
3.5V
0
VDS/mV
此时，MOS管可看成，阻值受VGS控制的线性电阻器， 其阻值用 Ron 表示。
RonV ID DS
l( 1 ) nCoW x VGS VG(S th )
令 1 称为沟道长度调制系数
则
VA
ID n C 2 l oW x(V G S V G (tS h ))2 (1 V D)S
λ与沟道长度l 有关，l 越小，相应λ就越大。通常
(0.00~5 0.0)V 31
小结：
（a）、不论工作在非饱和区或饱和区，只要 VGS 和 VDS 为定 值时，ID 均与沟道的宽长比（W/l）成正比。
n C 2 l oW x（ 2V G S V G (t)S h )2 ( V G S V G (t)S h )2
nC 2loW x (VGSVG(S th))2
在饱和区内，ID 受 VGS 的控制，而几乎不受 VDS 控制。
G
ID D
ID(VGS)
VGS
S
ID 受 VGS 的控制关系可用转移特性曲线来描述
课件制作：地里木拉提.吐尔逊 许 植

导电沟道
2021/6/24
N沟道增强型
D
S
4
SG D
N
N
P
予埋了导 电沟道
2021/6/24
D G
S
N 沟道耗尽型
5
SG D
P
P
N
D
G S
P 沟道增强型
2021/6/24
6
SG D
P
P
N
予埋了导 电沟道
2021/6/24
D
G S
P 沟道耗尽型
7
二、MOS管的工作原理
1. 开启沟道
VGS控制沟道宽窄 增强型MOS管
vDS=0V时 vDS
21
vDS=0V时 但当vGS较小时，耗尽
vGS越大耗尽区越宽， 沟道越窄，电阻越大。
D
iD区电宽沟度 道有 。限 DS，间存相在当导于 线性电阻。
N
vDS
G NP NP
vGS
2021/6/24
S
22
VGS达到一定值时 （夹断电压VP）,耗 尽区碰到一起，DS
间被夹断，这时，即
（1）MOS管有四种基本类型；
（2）增强型的MOS管的vGS必须超过一定的值以使沟 道形成；
耗尽型的MOS管使形成沟道的vGS可正可负； （3）MOS管的输入阻抗特别高
（4）衡量场效应管的放大能力用跨导 单位：ms
gm
I D VGS
VDS
2021/6/24
gm 2Kn (vGS VT ) (5.1.18)
C2
C1
+
vi
Rg
-
iD
+
vGS -
R
CS