電子電路：第三章 場效應(yīng)管

3.2

結(jié)型場效應(yīng)管3.3

場效管應(yīng)用原理3.1

MOS場效應(yīng)管第三章場效應(yīng)管概述

場效應(yīng)管是另一種具有正向受控作用的半導(dǎo)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(yīng)管與三極管主要區(qū)別：

場效應(yīng)管輸入電阻遠(yuǎn)大于三極管輸入電阻。

場效應(yīng)管是單極型器件（三極管是雙極型器件）。場效應(yīng)管分類：MOS場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管1.

場效應(yīng)管放大器(FET)

場效應(yīng)管有兩大類：結(jié)型場效應(yīng)管(簡稱JFET)和絕緣柵型場效應(yīng)管(簡稱IGFET或MOS)，每類又分N溝道和P溝道，絕緣柵型場效應(yīng)管又分增強(qiáng)型(E型)和耗盡型(D型)，具體分法如下：場效應(yīng)管全部用硅材料制造。3.1MOS場效應(yīng)管P溝道（PMOS）

N溝道（NMOS）

P溝道（PMOS）

N溝道（NMOS）

MOSFET增強(qiáng)型（EMOS）

耗盡型（DMOS）

N溝道MOS管與P溝道MOS管工作原理相似，不同之處僅在于它們形成電流的載流子性質(zhì)不同，因此導(dǎo)致加在各極上的電壓極性相反。N+N+P+P+PUSGD3.1.1增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管N溝道EMOSFET結(jié)構(gòu)示意圖源極漏極襯底極SiO2絕緣層金屬柵極P型硅襯底SGUD電路符號(hào)l溝道長度W溝道寬度

N溝道EMOS管外部工作條件VDS>0

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

VGS

N溝道EMOS管工作原理柵襯之間相當(dāng)于以SiO2為介質(zhì)的平板電容器。

N溝道EMOSFET溝道形成原理

假設(shè)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(jié)相通VGS襯底表面層中負(fù)離子、電子VGS開啟電壓VGS(th)形成N型導(dǎo)電溝道表面層n>>pVGS越大，反型層中n

越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。反型層VDS對(duì)溝道的控制（假設(shè)VGS>VGS(th)

且保持不變）VDS很小時(shí)

→

VGDVGS。此時(shí)W近似不變，即Ron不變。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(shí)Ron→ID變慢。PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+

當(dāng)VDS增加到使VGD=VGS(th)時(shí)→A點(diǎn)出現(xiàn)預(yù)夾斷

若VDS繼續(xù)→A點(diǎn)左移→出現(xiàn)夾斷區(qū)此時(shí)VAS=VAG+VGS=-VGS(th)+VGS（恒定）若忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則近似認(rèn)為l

不變（即Ron不變）。因此預(yù)夾斷后：PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+APP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+AVDS→ID基本維持不變。

若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)則VDS→溝道長度l→溝道電阻Ron略。因此

VDS→ID略。由上述分析可描繪出ID隨VDS變化的關(guān)系曲線：IDVDS0VGS–VGS(th)VGS一定曲線形狀類似三極管輸出特性。MOS管僅依靠一種載流子（多子）導(dǎo)電，故稱單極型器件。

三極管中多子、少子同時(shí)參與導(dǎo)電，故稱雙極型器件。

利用半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng)，通過柵源電壓VGS的變化，改變感生電荷的多少，從而改變感生溝道的寬窄，控制漏極電流ID。MOSFET工作原理：

由于MOS管柵極電流為零，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(zhuǎn)移特性：ID=f

(VDS)VGS=常數(shù)輸出特性：

伏安特性+TVDSIG0VGSID+--

轉(zhuǎn)移特性與輸出特性反映場效應(yīng)管同一物理過程，它們之間可以相互轉(zhuǎn)換。

NEMOS管輸出特性曲線

非飽和區(qū)特點(diǎn)：ID同時(shí)受VGS與VDS的控制。當(dāng)VGS為常數(shù)時(shí)，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(dāng)VDS為常數(shù)時(shí)，VGSID，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。溝道預(yù)夾斷前對(duì)應(yīng)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)。

數(shù)學(xué)模型：此時(shí)MOS管可看成阻值受VGS控制的線性電阻器：VDS很小MOS管工作在非飽區(qū)時(shí)，ID與VDS之間呈線性關(guān)系：其中：W、l為溝道的寬度和長度。COX

（=/OX）為單位面積的柵極電容量。注意：非飽和區(qū)相當(dāng)于三極管的飽和區(qū)。

飽和區(qū)特點(diǎn)：

ID只受VGS控制，而與VDS近似無關(guān)，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(yù)夾斷后對(duì)應(yīng)的工作區(qū)。條件：VGS>VGS(th)V

DS>VGS–VGS(th)

考慮到溝道長度調(diào)制效應(yīng)，輸出特性曲線隨VDS的增加略有上翹。注意：飽和區(qū)（又稱有源區(qū)）對(duì)應(yīng)三極管的放大區(qū)。數(shù)學(xué)模型：若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則ID的修正方程：

工作在飽和區(qū)時(shí)，MOS管的正向受控作用，服從平方律關(guān)系式：其中：稱溝道長度調(diào)制系數(shù)，其值與l有關(guān)。通常=(0.005~0.03)V-1

截止區(qū)特點(diǎn)：相當(dāng)于MOS管三個(gè)電極斷開。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V溝道未形成時(shí)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(shí)漏襯PN結(jié)雪崩擊穿

ID劇增。VDS溝道l對(duì)于l較小的MOS管穿通擊穿。

由于MOS管COX很小，因此當(dāng)帶電物體（或人）靠近金屬柵極時(shí)，感生電荷在SiO2絕緣層中將產(chǎn)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(hù)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(shí)對(duì)感生電荷起旁路作用。

NEMOS管轉(zhuǎn)移特性曲線VGS(th)=3VVDS

=5V

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

=5VID/mAVGS/V012345

轉(zhuǎn)移特性曲線中,ID=0時(shí)對(duì)應(yīng)的VGS值,即開啟電壓VGS（th）。

襯底效應(yīng)

集成電路中，許多MOS管做在同一襯底上，為保證U與S、D之間PN結(jié)反偏，襯底應(yīng)接電路最低電位（N溝道）或最高電位（P溝道）。若|VUS|-+VUS耗盡層中負(fù)離子數(shù)因VGS不變（G極正電荷量不變）IDVUS

=0ID/mAVGS/VO-2V-4V根據(jù)襯底電壓對(duì)ID的控制作用，又稱U極為背柵極。PP+N+N+SGDUVDSVGS-+-+阻擋層寬度表面層中電子數(shù)

P溝道EMOS管+-

VGSVDS+-SGUDNN+P+SGDUP+N溝道EMOS管與P溝道EMOS管工作原理相似。即VDS<0、VGS<0外加電壓極性相反、電流ID流向相反。不同之處：電路符號(hào)中的箭頭方向相反。ID3.1.2耗盡型MOS場效應(yīng)管SGUDIDSGUDIDPP+N+SGDUN+N溝道DMOSNN+P+SGDUP+P溝道DMOS

DMOS管結(jié)構(gòu)VGS=0時(shí)，導(dǎo)電溝道已存在溝道線是實(shí)線

NDMOS管伏安特性ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=1V-1.5V-1V-0.5V0V0.5V-1.8VID/mAVGS/V0VGS(th)VDS>0，VGS

正、負(fù)、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(dá)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。3.1.3四種MOS場效應(yīng)管比較

電路符號(hào)及電流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOS

轉(zhuǎn)移特性IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)

飽和區(qū)（放大區(qū)）外加電壓極性及數(shù)學(xué)模型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(qiáng)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(xué)模型與管子類型無關(guān)

臨界飽和工作條件

非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）工作條件|VDS|=|VGS–VGS(th)||VGS|>|VGS(th)|，|VDS|>|VGS–VGS(th)||VGS|>|VGS(th)|，

飽和區(qū)（放大區(qū)）工作條件|VDS|<|VGS–VGS(th)||VGS|>|VGS(th)|，

非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）數(shù)學(xué)模型FET直流簡化電路模型(與三極管相對(duì)照)

場效應(yīng)管G、S之間開路，IG0。三極管發(fā)射結(jié)由于正偏而導(dǎo)通，等效為VBE(on)。

FET輸出端等效為壓控電流源，滿足平方律方程：

三極管輸出端等效為流控電流源，滿足IC=

IB。SGDIDVGSSDGIDIG0ID(VGS)+-VBE(on)ECBICIBIB+-3.1.4小信號(hào)電路模型MOS管簡化小信號(hào)電路模型(與三極管對(duì)照)

gmvgsrdsgdsicvgs-vds++-

rds為場效應(yīng)管輸出電阻：

由于場效應(yīng)管IG0，所以輸入電阻rgs。而三極管發(fā)射結(jié)正偏，故輸入電阻rbe較小。與三極管輸出電阻表達(dá)式相似。rbercebceibic+--+vbevcegmvbeMOS管跨導(dǎo)利用得三極管跨導(dǎo)

通常MOS管的跨導(dǎo)比三極管的跨導(dǎo)要小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，即MOS管放大能力比三極管弱。

計(jì)及襯底效應(yīng)的MOS管簡化電路模型

考慮到襯底電壓vus對(duì)漏極電流id的控制作用，小信號(hào)等效電路中需增加一個(gè)壓控電流源gmuvus。gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-gmuvusgmu稱背柵跨導(dǎo)，工程上為常數(shù)，一般=0.1~0.2MOS管高頻小信號(hào)電路模型

當(dāng)高頻應(yīng)用、需計(jì)及管子極間電容影響時(shí)，應(yīng)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

場效應(yīng)管電路分析方法與三極管電路分析方法相似，可以采用估算法分析電路直流工作點(diǎn)；采用小信號(hào)等效電路法分析電路動(dòng)態(tài)指標(biāo)。3.1.5

MOS管電路分析方法

場效應(yīng)管估算法分析思路與三極管相同，只是由于兩種管子工作原理不同，從而使外部工作條件有明顯差異。因此用估算法分析場效應(yīng)管電路時(shí)，一定要注意自身特點(diǎn)。

估算法

MOS管截止模式判斷方法假定MOS管工作在放大模式：放大模式非飽和模式（需重新計(jì)算Q點(diǎn)）N溝道管：VGS<VGS(th)P溝道管：VGS>VGS(th)截止條件

非飽和與飽和（放大）模式判斷方法a)由直流通路寫出管外電路VGS與ID之間關(guān)系式。c)聯(lián)立解上述方程，選出合理的一組解。d)判斷電路工作模式：若|VDS|>|VGS–VGS(th)|若|VDS|<|VGS–VGS(th)|b)利用飽和區(qū)數(shù)學(xué)模型：例1

已知nCOXW/(2l)=0.25mA/V2，VGS(th)=2V,求ID解：假設(shè)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(yàn)證得知：VDS>VGS–VGS(th)，VGS>VGS(th)，假設(shè)成立。

小信號(hào)等效電路法場效應(yīng)管小信號(hào)等效電路分法與三極管相似。

利用微變等效電路分析交流指標(biāo)。

畫交流通路

將FET用小信號(hào)電路模型代替

計(jì)算微變參數(shù)gm、rds注：具體分析將在第四章中詳細(xì)介紹。3.2結(jié)型場效應(yīng)管

JFET結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號(hào)SGDSGDP+P+NGSDN溝道JFETP溝道JFETN+N+PGSD

N溝道JFET管外部工作條件VDS>0(保證柵漏PN結(jié)反偏)VGS<0(保證柵源PN結(jié)反偏)3.2.1JFET管工作原理P+P+NGSD

+

VGSVDS+-

VGS對(duì)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RonVDS很小時(shí)

→

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(shí)Ron→ID變慢

VDS對(duì)溝道的控制（假設(shè)VGS一定）NGSD

+VGSP+P+VDS+-此時(shí)W近似不變即Ron不變

當(dāng)VDS增加到使VGD=VGS(off)時(shí)→A點(diǎn)出現(xiàn)預(yù)夾斷

若VDS繼續(xù)→A點(diǎn)下移→出現(xiàn)夾斷區(qū)此時(shí)VAS=VAG+VGS=-VGS(off)+VGS（恒定）若忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則近似認(rèn)為l

不變（即Ron不變）。因此預(yù)夾斷后：VDS→ID基本維持不變。

NGSD

+VGSP+P+VDS+-ANGSD

+VGSP+P+VDS+-A

利用半導(dǎo)體內(nèi)的電場效應(yīng)，通過柵源電壓VGS的變化，改變阻擋層的寬窄，從而改變導(dǎo)電溝道的寬窄，控制漏極電流ID。JFET工作原理：

綜上所述，JFET與MOSFET工作原理相似，它們都是利用電場效應(yīng)控制電流，不同之處僅在于導(dǎo)電溝道形成的原理不同。

NJFET輸出特性

非飽和區(qū)(可變電阻區(qū))特點(diǎn)：ID同時(shí)受VGS與VDS的控制。條件：VGS>VGS(off)V

DS<VGS–VGS(off)3.2.2伏安特性曲線線性電阻:ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V

飽和區(qū)(放大區(qū))特點(diǎn)：ID只受VGS控制，而與VDS近似無關(guān)。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V數(shù)學(xué)模型：條件：VGS>VGS(off)V

DS>VGS–VGS(off)

在飽和區(qū)，JFET的ID與VGS之間也滿足平方律關(guān)系，但由于JFET與MOS管結(jié)構(gòu)不同，故方程不同。

截止區(qū)特點(diǎn)：溝道全夾斷的工作區(qū)條件：VGS<VGS(off)IG≈0，ID=0

擊穿區(qū)VDS增大到一定值時(shí)近漏極PN結(jié)雪崩擊穿ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V造成

ID劇增。VGS越負(fù)則VGD越負(fù)相應(yīng)擊穿電壓V(BR)DS越小

JFET轉(zhuǎn)移特性曲線

同MOS管一樣，JFET的轉(zhuǎn)移特性也可由輸出特性轉(zhuǎn)換得到(略)。ID=0時(shí)對(duì)應(yīng)的VGS值夾斷電壓VGS（off）。VGS(off)ID/mAVGS/V0IDSS

(N溝道JFET)ID/mAVGS/V0IDSSVGS(off)

(P溝道JFET)VGS=0時(shí)對(duì)應(yīng)的ID值飽和漏電流IDSS。JFET電路模型同MOS管相同。只是由于兩種管子在飽和區(qū)數(shù)學(xué)模型不同，因此，跨導(dǎo)計(jì)算公式不同。

JFET電路模型VGSSDGIDIG0ID(VGS)+-gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-SIDGD（共源極）（直流電路模型）（小信號(hào)模型）利用得

各類FET管VDS、VGS極性比較VDS極性與ID流向僅取決于溝道類型VGS極性取決于工作方式及溝道類型

由于FET類型較多，單獨(dú)記憶較困難，現(xiàn)將各類FET管VDS、VGS極性及ID流向歸納如下：N溝道FET：VDS>0，ID流入管子漏極。

P溝道FET：VDS<0，ID自管子漏極流出。

JFET管：VGS與VDS極性相反。增強(qiáng)型：VGS

與VDS

極性相同。耗盡型：VGS

取值任意。MOSFET管1.2.3

各種場效應(yīng)管的特性比較及使用注意事項(xiàng)

各種場效應(yīng)管的特性比較（講稿總結(jié)）對(duì)NFET對(duì)PFET+VDD，+ID；VDD，ID。

場效應(yīng)管與三極管性能比較項(xiàng)目

器件電極名稱工作區(qū)導(dǎo)電類型輸入電阻跨導(dǎo)三極管e極b極c極放大區(qū)飽和區(qū)雙極型小大場效應(yīng)管s極g極d極飽和區(qū)非飽和區(qū)單極型大小上面對(duì)各種N溝道FET進(jìn)行了討論，根據(jù)對(duì)偶原理，這些分析也適用于P溝道FET。由于N溝道FET是利用電子導(dǎo)電，P溝道FET是利用空穴導(dǎo)電，故各電極電源和電流極性都要改變。為了便于比較，將各種類型場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線表示在圖3.2.7中。

3

主要參數(shù)

(1)

夾斷電壓VP當(dāng)VDS=10V，ID=50mA時(shí)的VGS值。(2)

飽和漏極電流IDSS當(dāng)VDS=10V，VGS=0V時(shí)的ID值。對(duì)結(jié)型場效應(yīng)管，IDSS是能輸出的最大漏極電流。(3)

最大漏源電壓V(BR)DS與VGS有關(guān)，VGS愈負(fù)，其值愈小。(4)

最大柵源電壓V(BR)GS為PN結(jié)的反向擊穿電壓。(5)

直流輸入電阻RGS正常運(yùn)用時(shí)PN結(jié)反偏，其值可達(dá)107W以上。(6)

低頻互導(dǎo)(跨導(dǎo))gm定義為

(3.1.5)它表明了輸入柵源電壓vGS對(duì)輸出漏極電流iD的控制能力，相當(dāng)于轉(zhuǎn)移特性上Q點(diǎn)的斜率，如圖3.1.8所示。gm是表征場效應(yīng)管放大能力的重要參數(shù)，單位為mA/V=ms，其值一般為十分之幾~幾mS(比三極管小一個(gè)數(shù)量級(jí))。對(duì)式(3.1.3)微分，可得

(3.1.6)式中(3.1.7)為VGS=0時(shí)的跨導(dǎo)。

例3.1由圖3.1.4查得IDSS=10mA，VP=5V，試計(jì)算VGS=2V時(shí)的gm。解：

(7)

輸出電阻rd定義為 類似于三極管的rce，其值一般在幾十到幾百K。(8)

最大耗散功率PDM定義為 PDM受最高工作溫度限制。2、使用注意事項(xiàng)

(1)在MOS管中有的產(chǎn)品將襯底引出(這種管子有四個(gè)管腳)可讓使用者視電路的需要任意連接。一般來說，對(duì)N溝道接低電位，對(duì)P溝道接高電位。如果源極的電位很高或很低時(shí)，為了減輕源襯間電壓對(duì)管子導(dǎo)電性能的影響，可將源極與襯底連在一起。(2)各種FET的漏極與源極可以互換使用，但有些MOS管在產(chǎn)品出廠時(shí)已將源極與襯底連在一起，這時(shí)源極與漏極不能互換。(3)

MOS管的輸入電阻很大(>109Ω)，絕緣層很薄，當(dāng)柵極上感應(yīng)少量電荷會(huì)產(chǎn)生很高的電壓將絕緣層擊穿，使管子損壞。為了防止MOS管在未使用前損壞，保存時(shí)應(yīng)將各極引線短接，焊接時(shí)應(yīng)將電烙鐵外殼接地，焊接完好后才能將短接線去掉。

3、

三極管和場效應(yīng)管的比較

(1)在三極管中，空穴和自由電子都參與導(dǎo)電，稱為雙極型器件，用BJT表示；而場效應(yīng)管只用多子導(dǎo)電，稱為單極型器件，用FET表示。由于多子濃度不受外界溫度、光照、輻射的影響，在環(huán)境變化劇烈的條件下，選用FET比較合適。(2)在放大狀態(tài)工作時(shí)，三極管發(fā)射結(jié)