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第四章MOSFET及其放大电路

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MOSFET及其放大电路

MOSFET及其放大电路
n
DQ
注：跨导gm与静态工作点有关。 跨导g 与静态工作点有关。
2.交流输出电阻r 2.交流输出电阻rDS 交流输出电阻 MOSFET工作于放大区时 漏极电流i 与漏源电压v 工作于放大区时， MOSFET工作于放大区时，漏极电流iD与漏源电压vDS无 关? 实际MOSFET的 特性曲线在放大区的斜率不为零。 实际MOSFET的iD-vDS特性曲线在放大区的斜率不为零。 MOSFET 当vDS>vds(sat)时，出现沟道长度调制。类似于BJT的基区宽 出现沟道长度调制。类似于BJT的基区宽 BJT 调效应。 调效应。 沟道增强型MOSFET MOSFET， 对N沟道增强型MOSFET，这种倾斜现象可以用下式校 正：
v
GS
= V GSQ + vi = V GSQ + v gs
= Kn (vGS −VTN)2 iD
= K n (V GSQ + v gs −V TN ) 2 = K n [(V GSQ −V TN ) + v gs ]2 iD
= K (V
n
GSQ
−V TN ) + 2 K n (V GSQ −V TN ) v gs + K n v gs
第四章 MOSFET及其放大电路 MOSFET及其放大电路
MOSFET放大电路的交流电路 4.3 MOSFET放大电路的交流电路
• 单级 单级MOSFET放大器的三种基本组态： 放大器的三种基本组态： 放大器的三种基本组态 共源极放大电路 共漏极放大电路 共栅极放大电路 • 增强型负载
MOSFET放大电路的线性化分析原理 4.3.1 MOSFET放大电路的线性化分析原理
解题思路： 解题思路：
求IDQ

第4章 场效应管及其放大电路讲解

第4章 场效应管及其放大电路讲解
漏极电流 iD 随 uDS 几乎成正比地增大。
6/19/2019 12:06:17 AM
当 uDS 继续增大到 uDS uGS UGS(off) ，即 uGD uGS uDS UGS(off)时，靠
近漏极端的耗尽层在 A 点合拢，如图 4-3c 所示，称为预夹断。此时，
A 点耗尽层两边的电位差用夹断电压UGS(off)表示。预夹断处 A 点的电
到漏极端的不同位置上，栅极与导电沟道之间的电位差在逐渐变化， 即距离源极越远电位差越大，施加到 PN 结的反偏压也越大，耗尽层 越向沟道中心扩展，使导电沟道形成楔形，如图 4-3b 所示。
增大 uDS 靠近漏极的沟道变窄，沟道电阻增大，产生了阻碍漏极
电流 iD 增大的因素。但在 uDS 较小时靠近漏极的沟道还没有被夹断，
第4章 场效应管 放大电路
6/19/2019 12:06:17 AM
基本要求
• 了解场效应管的分类、结型场效应管 （JFET）和金属－氧化物－半导体场效 应管（MOSFET）的结构、工作原理；
• 熟悉输出特性曲线和转移特性曲线，以 及场效应管的主要参数；
• 掌握场效应管放大电路的组成、分析方 法和应用。
6/19/2019 12:06:17 AM
4.1.2.1 uGS对导电沟道和 iD 的控制作用
d
d
d
g
g
U GG
g
U GG
s
uGS
s
(a)
(b)
uGS
s
(c)
图4－2 uDS 0时uGS 对沟道的控制作用
(a) uGS 0 (b) uGS 0 (c) uGS UGS(off)
导电沟道
增加(负数减小)近似按平方律上升，即

(完整版)第四章场效应管习题答案..

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第四章 场效应管基本放大电路4-1 选择填空1．场效应晶体管是用_______控制漏极电流的.a 。

栅源电流b 。

栅源电压c 。

漏源电流d 。

漏源电压 2．结型场效应管发生预夹断后，管子________。

a 。

关断b 。

进入恒流区c 。

进入饱和区 d. 可变电阻区 3．场效应管的低频跨导g m 是________.a. 常数 b 。

不是常数 c. 栅源电压有关 d. 栅源电压无关 4。

场效应管靠__________导电.a 。

一种载流子b 。

两种载流子 c. 电子 d. 空穴 5。

增强型PMOS 管的开启电压__________。

a. 大于零 b 。

小于零 c. 等于零 d. 或大于零或小于零 6. 增强型NMOS 管的开启电压__________。

a. 大于零b. 小于零 c 。

等于零 d. 或大于零或小于零 7. 只有__________场效应管才能采取自偏压电路。

a. 增强型b. 耗尽型 c 。

结型 d 。

增强型和耗尽型 8. 分压式电路中的栅极电阻R G 一般阻值很大,目的是__________。

a 。

设置合适的静态工作点b 。

减小栅极电流c. 提高电路的电压放大倍数 d 。

提高电路的输入电阻 9. 源极跟随器(共漏极放大器)的输出电阻与___________有关。

a. 管子跨导g m b 。

源极电阻R S c. 管子跨导g m 和源极电阻R S 10。

某场效应管的I DSS 为6mA ，而I DQ 自漏极流出，大小为8mA ，则该管是_______.a 。

P 沟道结型管b 。

N 沟道结型管c 。

增强型PMOS 管d 。

耗尽型PMOS 管e 。

增强型NMOS 管 f. 耗尽型NMOS 管解答：1。

b 2。

b 3.b ，c 4. a 5.b 6.a 7。

b,c 8。

d 9.c 10。

d4-2 已知题4—2图所示中各场效应管工作在恒流区,请将管子类型、电源V DD 的极性（+、—)、u GS 的极性（>0，≥0，〈0,≤0，任意）分别填写在表格中。

第四章场效应管放大电路

第四章场效应管放大电路
一、N沟道MOS管的直流参数 (1).开启电压VT:
N沟道MOS管，在VGS＜VT时，不能形成导电 沟道，管子处于截止状态；只有当VGS≥VT时，才有沟 道形成。 VT——开启电压。
这种在VGS=0时没有沟道，只有VGS≥VT时才能 形成感生导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。
第四章 场效应管放大电路
→形成由栅极指向P型
衬底的纵向电场
+
→将靠近栅极下方的空 穴向下排斥
-
→形成耗尽层。
第四章 场效应管放大电路
现假设vDS=0V，在s、g间加一电压vGS＞0V 当vGS增大时→耗尽层增宽，并且该大电场会 把衬底的自由电子吸引到
耗尽层与绝缘层之间，形
成一N型薄层，构成漏-源 之间的导电沟道，称为反
N沟道耗尽型 MOS管 与 N沟 道 增 强型MOS管基本相 似。
区别：耗尽型
MOS 管 在 vGS=0 时 ，漏－源极间已有 导电沟道产生；
增强型MOS管要
在vGS≥VT时才出现 导电沟道。
5.1.5
第四章 场效应管放大电路
N沟道耗尽型MOSFET 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 已经感应出反型层， 形成了沟道。
夹断区
VT
2VT
第四章 场效应管放大电路
①截止区: vGS<vT
无导电沟道,iD=0,管子处于截止区.
②可变电阻区: vDS< vGS-vT
iD

K n [2(GS
T
)DS

2 DS
]
Kn

nCox
2
(W L
)
单位：mA V 2

第4章 场效应管及其电路

第4章 场效应管及其电路

第4章
场效应管及其电路
场效应管(FET)是一种电压控制器件，它是利用输入电压 产生电场效应来控制输出电流的。它具有输入电阻高、噪声低、 热稳定性好、耗电省等优点，目前已被广泛应用于各种电子电 路中。 场效应管按其结构不同分为结型(JFET)和绝缘栅型(IGFET) 两种，其中绝缘栅型场效应管由于其制造工艺简单，便于大规 模集成，因此应用更为广泛。
求得ID和UGS后，再求
U DS VDD I D (Rd Rs )
第4章
场效应管及其电路
4.3 场效应管放大电路
(2) 动态分析
①FET的简化H参数等效电路
图4-14 FET简化H参数等效电路
第4章
场效应管及其电路
4.3 场效应管放大电路
图4-2
uGS 0 时的情况
第4章
场效应管及其电路
4.1 绝缘栅场效应管(MOSFET)
2．工作原理 0 (2) 栅源电压 uGS 0 ，漏源电压 uDS 时的情况 如图4-3所示，由P型 半导体转化成的N型薄层， 被称为反型层。反型层使 漏源之间形成一条由半导 体N-N-N组成的导电沟道 。 若此时加入漏源电压 ， uDS i 就会有漏极电流 产生。D
D
第4章
场效应管及其电路
4.2 结型场效应管(JFET)
2．转移特性曲线
u 在N沟道JFET转移特性曲线上， GS 0处的 iD I DSS ,而 iD 0 i 处的 uGS U P 。在恒流区，D 与 uGS之间的关系可近似表示为
u iD I DSS 1 - GS UP
2
条件为： U P ≤ uDS ≤U (BR)DS
U P ≤ uGS ≤ 0

MOSFET放大电路详解

MOSFET放大电路详解
VDSQ = 4.75V
gm = 2Kn (VGSQ − VT ) = 2 × 0.5 × (2 − 1)mA / V = 1mA / V
16
3. 小信号模型分析
（2）放大电路分析（例5.2.5）
vo = − gm vgs Rd
取id所在回路
vi = vgs + ( gm vgs )R = vgs (1 + gm R)
1. 直流偏置及静态工作点的计算 2. 图解分析 3. 小信号模型分析 5.2.2 带PMOS负载的NMOS放大电路（CMOS共源放 大电路）
2
5.2.1 MOSFET放大电路
FET放大电路的三种组态
输入在栅极,输出在漏极:共源极放大电路(CS) 输入在栅极,输出在源极:共漏极放大电路(CD漏极输出器) 输入在源极,输出在漏极:共栅极放大电路(CG)
// 10) 1.64
=
−152
25
第三步：计算输入电阻、输出电阻
gd
Ib
RS Vs
R1 R2
Vi
Vgs
Id
RD R3
rbe R4
ri
s
ri=R1//R2=3//1=0.75M Ω ro=RC=10k Ω
Ic RC RL Vo ro
26
第四步：计算总电压放大倍数
gd
Ib
RS Vs
R1 R2
Vi
Vgs
=
2V
> VT
假设工作在饱和区
IDQ = Kn (VGS − VT )2 = (0.2)(2 − 1)2 mA = 0.2mA
VDSQ = VDD − IDRd = [5 − (0.2)(15)]V = 2V
满足 VDS > (VGS − VT ) 假设成立，结果即为所求。

第4章 场效应管及其基本放大电路


恒流区
IDSS/V
G
D S
+
-
VGG
+
V uGS
VDD
-
O
UGS = 0V -1 -2 -3 -4 -5 -6 夹断区 -7 U P 8V
击穿区
uDS /V
特性曲线测试电路
漏极特性
漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。
各类场效应管的符号和特性曲线 种类 结型 耗 尽 N 沟道 型 结型 耗 尽 P 沟道 型 绝缘 增 栅型 强 N 沟道 型 符号
S
S
VGG
(c) UGS ＜UGS(off)
(b) UGS(off) < UGS < 0
（2） 漏源电压uDS 对漏极电流iD的控制作用
uGD ＝ uGS －uDS (a)
P+
D
iD
(b)
D
iD
G
N
P+
VDD
+ P+ GP N
P+
VDD
S iS uGS = 0，uGD > UGS（Off) ，iD 较大。
uDS /V
O
UT 2UT
uGS /V
二、N 沟道耗尽型 MOSFET
制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子， 这些正离子电场在 P 型衬底中“感应”负电荷，形成“反 型层”。即使 UGS = 0 也会形成 N 型导电沟道。 UGS = 0，UDS > 0，产生 较大的漏极电流； UGS < 0，绝缘层中正离 子感应的负电荷减少，导电 沟道变窄，iD 减小； UGS = UP , 感应电荷被 “耗尽”，iD 0。
导电沟道是 N 型的， 称 N 沟道结型场效应管。

第四章_MOSFET及其放大电路


GSQ
)则
TN
i K V V K V V v D
(
)2 2
n
GSQ
TN
(
)
n
GSQ
TN
gs
=IDQ
i K V V v 2 d
(
)
n
GSQ
TN
gs
g 2K V V 令
(
)
m
n
GSQ
TN
则
i g v d
m gs
跨导也可以通过求微分得到:
g i
2K V V m
D
vV
const
GS
GS Q
vGS
VGG
S
•在栅极和衬底之间施加的电压VGB>0，
形成自上而下的电场，该电场随电压的增
N+
大而加强。
G
D
N+ N型沟道
• 在电场的作用下， P区中的多子（空穴） 向衬底下部移动，少子（电子）被吸引到 G极并在sio2表面积累。
P型衬底
B
•若增大VGS ，则电子积累得越多，直到感应的电子能在漏极和源极
之间形成可测电流（即VGS增加到足够大），此时N型导电沟道形成，
U GQ
U AQ
Rg1 Rg1 Rg2
VDD
USQ I DQ Rs
IDQ Kn (UGSQ UTN )2
U DSQ VDD I DQ (Rd Rs )
为什么加Rg3?其数值应大些小些？
二、场效应管工作状态分析
[分析指南] MOSFET电路的直流分析
求VGS，VGS>VTN?
是
否
假设工作在放大区 ID=Kn(VGS-VTN)2

MOSFET工作原理讲PPT

2．放大电路
• 共源放大电路 • 共漏放大电路 • 共栅放大电路
53
4 场效应管放大电路
Vi = Vg s + g m Vg s Rs = Vg s (1+ g m Rs )
Vo = - g m Vg s R’L
Av = Vo / Vi = - g m R’L /(1+ g m Rs )
Ri = Rg ; Ro = Rd
19
4 场效应管放大电路
2．转移特性
场效应管是电压控制器件： vGS 对iD 的控制（VDS为定值 时），iD= ƒ(vGS ) ，VDS =常 数。实验证明，i D = IDSS (1vGS / VP ) 2 ( VP ≤VGS ≤0 ) g m = δi D/δvGS ——互导
20
4 场效应管放大电路
——反向电压放大
54
4 场效应管放大电路
Vi = Vg s + g m Vg s R’L = Vg s (1+ g m R’L ) Vo = g m Vg s R’L Av = Vo / Vi = g m R’L /(1+ g m R’L ) < 1 Ri = Rg ; Ro = Rs // (1/ g m ) ——电压跟随器
14
4 场效应管放大电路
15
4 场效应管放大电路
16
4 场效应管放大电路
17
4 场效应管放大电路
4.1.2 JFET的特性曲线及参数
1．输出特性
VD S - i D 关系
VG S 为定值时， i D= ƒ (vDS)， VGS = 常数 VGS ± Δ vGS → i D ±ΔiD
18
4 场效应管放大电路

模拟电路基础-单级集成MOSFET放大器


SiO2保护层
Al 引出两个电极
引出栅极
S
G
D
P+
两边扩散两个高 浓度的P区
P+
形成两个PN结
以N型半N导体作衬底
从衬底引出电极B
2. E-PMOSFET工作原理
正常 放大 时外 加偏 置电 压的 要求
+
vSD
S + vSG – G
P+
–
D
P+
N
VGS < 0 VDS < 0
对处于放大区的E-PMOSFET，有: VGS<VTP<0，VDS<VDS(sat)= VGS-VTP
由于两管均工作于放大区（VGSD>VTND，VGSL>VTNL）
VGSL VTNL
K nD K nL
(VGSD
VTND )
2. VGSL VDSL VDD VDSD VDD VDSD VTNL
K nD K nL
(VGSD
VTND )
关键→设计VGS使MD工作于放大区
驱动管MD预夹断方程为 VDSD VGSD VTND，所以：
依据①→MOS管的伏安特性曲线 →分析各物理量临界值的意义（一）
负载管ML的转移特性曲线
驱动管MD的输出特性曲线
依据①→MOS管的伏安特性曲线 →分析各物理量临界值的意义（二）
驱动管MD的转移特性曲线
依据②→外围电路 :求解有关物理量
1. IDQL IDQD KnD (VGSD VTND )2 KnL (VGSL VTNL )2
(VDSD
)min
(VDSD
)max
2
(VDSD
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①当VGS=0时，为平衡PN结，导电 沟道最宽。
②当│VGS│↑时，PN结反偏，形成 耗尽层，导电沟道变窄，沟道电 阻增大。
③当│VGS│到一定值时 ，沟道会完 全合拢。 定义： 夹断电压Vp——使导电沟道完全 合拢（消失）所需要的栅源电压 VGS。
6 LBM
（2）漏源电压对沟道的控制作用
在漏源间加电压VDS ，令VGS =0 由于VGS =0，所以导电沟道最宽。 ①当VDS=0时， ID=0。
C
ox / tox ox
Kn
W
n
C
ox
2L
＝0.249mA/v2
2
当 V GS 2V TN 时
iD Kn VGS VTN 0.140mA
注：可以通过增大电导参数 Kn来增大晶体管的电流 容量。当制造工艺一定时，可通过调节场效应管的
沟道宽度W来改变Kn 。
19 LBM
JFET
r ds
1 I DQ VA
I
DQ
27
LBM
直流参数： 门限电压 ：VTN、VP 1. 开启电压
2. 饱和漏极电流 ：I DSS 3. 直 流 输 入 电 阻 RGS
2 、 I K V VGS 0 DO n TN
vGS 2VTN
、RGS 109 MO SFET RGS 107 J F ET

2 DS

LBM
[例4.3]目的：计算N沟道增强型MOSFET的栅源电 压、漏源电流和漏源电压。电路如图4.9所示。场效 应管的参数为VTN=1V，Kn=0.5 mA/V2。求VGS、ID 和VDS。
38
N沟道MO SFET
gm 2 K n VGS VTN 2 K n I DQ
22
LBM
r
ds

v DS
i D v GS const
1
r ds
K n (V GSQ V TN ) 2
r ds
23
1
I DQ

V I
A
DQ
LBM
24
LBM
2 gm VP
，
36
LBM
V
GS

解： 假设场效应管处于放大状态，则：
R R
1
R
2 2
V
DD
20 5 2V VTN = 20 30
2 2 ( ) 0 . 1 2 1 0.1mA I D K n V GS V TN
V
DS
V DD I D RD 5 0.1 20 3V
LBM
28
极限参数：
1. 最 大 漏 极 电 流 I DM : 正常工作时漏极电流上 的限值。
2. 击穿电压 BVDS
29
LBM
当 VP VvGS 2 (1 ) VP
当 vGS VT 0， VGD VT时
i D K n vGS VTN
第4章 MOSFET及其放大电路
1
LBM
第4 章
一、FET原理
场效应管及其放大电路
1. 了解FET分类、电路符号。 2. 理解N-MOSFET工作原理；沟道状态与工作分区。 放大区vGS和vDS对iD的影响。 二、FET的特性曲线 （ N-MOSFET ） 1. 理解iD ~ vGS转移特性曲线、iD ~ vDS输出特性曲线及 其参变量 vGS； 2. 掌握iD ~ vGS之间的平方律公式； 三、FET的偏置电路 1. 电路结构； 2. 静态工作点的联立求解方法。
t
C
ox
ox / tox
ox

LBM
[例4.1]目的：计算N沟道增强型MOSFET的电流
已知 VTN＝0.75V，W＝4μm，L= 4μm， μn=650cm2/(V.s)，tox=450Å，εox=3.5×10-13F/cm。 VGS=2VTN，场效应管处于放大状态。试计算电流 iD。 解：
4
LBM
第4章 MOSFET放大电路 4.1 结型场效应管
4.1.1. 结型场效应管的结构（以N沟为例）： 两个PN结夹着一个N型沟道。 三个电极： G：栅极 D：漏极 S：源极 符号：
P区浓度高
5 LBM
4.1.2 结型场效应管的工作原理
（1）栅源电压对沟道的控制作用 在栅源间加负电压VGS ，令 VDS =0
②VDS↑→ID ↑ →靠近漏极处的耗尽层加宽， 沟道变窄，呈楔形分布。 ③当VDS ↑，使VGD=VG S- VDS=VP时， 在靠漏极处夹断——预夹断。 ④VDS再↑，预夹断点下移。
预夹断前， VDS↑→ID ↑。 预夹断后， VDS↑→ID 几乎不变。
（3）栅源电压VGS和漏源电压VDS共同作用
LBM
17
LBM
4.2.2 N沟道增强型MOSFET管伏安关系式
电阻区： iD
K 2V
n
2 GS VTN VDS VDS
2 2 2 TN
vGS vGS 2 1 I ( 1 ) 放大区：i D K n vGS VTN K nV D0 V VT TN 2 I K V (v ＞V ) I 是 v =2V 时的漏极电流 i 。DO n TN
VGD VTN 轨迹线
可变电阻区伏安关系：
2 i D K n 2VGS VTN VDS VDS


恒流区
vGD VTN 区域
vGS 2 vGS 3
2
N沟 道 恒 流 区 伏 安 特 性 程 方： i D K n vGS VTN
16
2 2 TN
vGS vGS 2 K nV 1 I ( 1 ) D0 V VT TN
GS TN DO GS TN D
K n 为N沟道元件的传导参数，单位是A/V2。
令
ox
K' n
Kn
W
C
n
ox
n
C 则
ox
Kn
1 W K' n 2 L
2L
C 是氧化物单位面积的电容，可表示为

18
n
是氧化物的厚度， ox是氧化物的介电常数， 13 3 . 5 10 F / cm 对硅而言， ox 是反型层中电子的迁移率。
1 静态工作点 2 求中频段
AV 、Ri、Ro
VGS 、I D、VDS
32
LBM
4.3 MOSFET的偏置电路
分离MOSFET放大电路的直流偏置 集成MOSFET放大电路的直流偏置
33
LBM
4.3.1 分离MOSFET电路的直流偏置
无自给偏压式CS放大电路 34
直流通路
LBM
∵MOSFET的栅极直流电流 IGS = 0
P沟道增强型
11
LBM
2、工作原理 P117
（1）、vGS对iD及沟道的控制作用 增强型MOS管的 漏极d和源极s之间有 两个背靠背的PN结。 当vGS=0时，不论vDS的 极性如何，总有一个 PN结处于反偏状态， 这时漏极电流iD≈0。
12
LBM
vGS＞0
P117
当vGS数值较小，吸引电子的 能力不强时，漏源极之间生成耗 尽区（带负电的受主离子），仍 无自由电子，无导电沟道出现。 vGS再增加时，吸引到P衬底 表面层的电子就增多，当vGS达到 某一数值时，这些电子在栅极附 近的P衬底表面便形成一个N型自 由电子薄层，将自由电子层称为 N型沟道，因导电类型与P衬底相 反，故又称为反型层。 把开始形成沟道时的栅源极 电压称为门限电压，用VTN表示。
4.3 直流和交流参数和小信号等效模型
一、交流参数
1. 跨导 gm
i D 定 义 ： gm vGS
v DS V DS
该 项 的 大 小 表 征 在 工点 作
Q处 栅 源 交 流 电 压 v gs 对 漏 极 交 流 电 流 id 的 控 制 作 用 ， 是 场 效 应放 管大 信 号 能 力 的 一 个 重 要 参 数 ， 典 型 值1 ： ~ 10 mS。
13 LBM
（2）vDS对 iD 的影响
当vGS>VTN且为一 确定值时，正向电压 VDS对导电沟道及电流 iD的影响与结型场效应 管相似（进入夹断才能 恒流）。 当vDS较小（vDS< vGS -VTN）时
iD随vDS近似呈线性变化，
沟道没有夹断，FET没有进入压控恒流状态。
14 LBM
当vDS增加到vDS=VTN时
2
LBM
四、FET的小信号模型
1. 理解 gm的含义及计算式； 2. 理解rds含义； 3. 完整小信号模型； 4. 掌握低频小信号模型。 五、FET的CS和CD组态放大器 熟练掌握放大器电路的指标计算及特点。
3
LBM
重点、难点知识点
1、基本结构及其导电机理
2、伏安特性及其两种表达方式
3、基本放大电路的静态与动态参数 4、基本放大电路技术指标定义与分析
20
LBM
JFET 和增强型 N沟道MO SFET的跨导gm
转移特性方程： vGS i D I DSS 1 V JFET P 2 gm I DSS I DQ JFET VP
2
21
LBM
转移特性方程：
i D K n VP vGS 2
vGD vGS v DS VTN
(或vDS=vGS-VTN)时 沟道在漏极一端出现预夹断 继续增大vDS，vGD < VTN ， 夹断点将向源极方向移动 iD不随vDS增大而增加，ID仅 由vGS决定。
15 LBM
（3）N沟道增强型MOS管的特性方程