2.5場效應(yīng)管概述一、MOS場效應(yīng)管二、結(jié)型場效應(yīng)管三、場效應(yīng)管主要參數(shù)及特點根據(jù)結(jié)構(gòu)場效應(yīng)管的分類結(jié)型場效應(yīng)管JFETMOS型場效應(yīng)管場效應(yīng)管（FieldEffectTransistor，F(xiàn)ET）：是僅由一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，是以輸入電壓控制輸出電流的的半導(dǎo)體器件。也稱為單極型晶體管。結(jié)型場效應(yīng)管：JunctionFieldEffectTransistor,JFETMOS型場效應(yīng)管：MetalOxideSemiconductorFET,MOSFET根據(jù)載流子場效應(yīng)管的分類N溝道FET：電子作為載流子P溝道FET：空穴作為載流子場效應(yīng)管與晶體管的區(qū)別1.晶體管是電流控制元件；場效應(yīng)管是電壓控制元件。2.晶體管參與導(dǎo)電的是電子—空穴，因此稱其為雙極型器件；場效應(yīng)管是電壓控制元件，參與導(dǎo)電的只有一種載流子，因此稱其為單極型器件。3.晶體管的輸入電阻較低，一般102~104

；場效應(yīng)管的輸入電阻高，可達(dá)109~1014

。4.其他：FET體積小、重量輕、壽命長、熱穩(wěn)定、更便于集成、但易受靜電影響。一、MOS場效應(yīng)管增強型MOS場效應(yīng)管耗盡型MOS場效應(yīng)管MOS場效應(yīng)管分類MOS場效應(yīng)管分類一、MOS場效應(yīng)管P溝道器件（空穴作為載流子）

N溝道器件（電子作為載流子）

增強型增強型耗盡型耗盡型MOS場效應(yīng)管N溝道增強型的MOS管P溝道增強型的MOS管N溝道耗盡型的MOS管P溝道耗盡型的MOS管1、N溝道增強型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)P襯底N+N+N溝道增強型MOS管源極SSource柵極GGate漏極DDrain襯底BSubstratesgdBN型溝道P型溝道sgdB增強型箭頭方向表示襯底與溝道之間由P指向N（一）增強型MOS場效應(yīng)管一、MOS場效應(yīng)管2、N溝道增強型MOS場效應(yīng)管工作原理N+dgs鋁二氧化硅耗盡層N+P當(dāng)UGS=0V時，漏源之間相當(dāng)兩個背靠背的PN結(jié)，無論UDS之間加何種極性的電壓都不會在D、S間形成電流ID,即ID≈0。在g-s間加正向電壓UGS

，由于BS短接，G與襯底B間產(chǎn)生電場,GB相當(dāng)兩個平板，使空穴被排斥，在P型襯底表面形成一層耗盡層；反型層

當(dāng)UGS=UGS,th（開啟電壓）時,在P型襯底表面形成一層電子層，形成N型導(dǎo)電溝道（反型層）；當(dāng)UGS>UGS,th時,溝道加厚，溝道電阻減少。UGSUDS加入UDS后,在D、S間可形成電流ID。導(dǎo)電溝道加厚時，在相同UDS的作用下，ID將進一步增加。因此,場效應(yīng)管為電壓控制電流器件。開始無導(dǎo)電溝道，當(dāng)在UGSUGS,th時才形成溝道,這種類型的管子稱為增強型MOS管（一）增強型MOS場效應(yīng)管一、MOS場效應(yīng)管一、MOS場效應(yīng)管3、漏源電壓UDS對漏極電流ID的控制作用N+dgsN+PIDUGSUDS形成導(dǎo)電溝道并UGS不變，在d-s間加入正向偏置電壓后：當(dāng)UDS<（UGS-UGS,th

）時，電流ID與UDS成正比。加大UDS，當(dāng)UDS=（UGS-UGS,th

）時，出現(xiàn)預(yù)夾斷，電流ID不再隨UDS的增加而增加，ID

基本飽和當(dāng)UDS>

（UGS-UGS,th

）時，溝道夾斷，UDS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上，電流ID值與預(yù)夾斷時基本相同。UDS=UDG＋UGS=－UGD＋UGS<（UGS-UGS,th）

UGD>UGS,thUGD<

UGS,thUGD=UGS,th，相當(dāng)于UDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況；

∵UDS=UDG＋UGS=UGS

－UGD

∴UGD=UGS－UDS

顯然UDS增大，UGD減小。所以有

UGD＜UGS（一）增強型MOS場效應(yīng)管定義：UDS一定時，UGS對漏極電流ID的控制關(guān)系曲線

ID=f(UGS)

UDS=C

（1）轉(zhuǎn)移特性曲線3、N溝道增強型MOS場效應(yīng)管特性曲線(1)UGS<UGS,th時：溝道未形成，

ID=0管子截止?fàn)顟B(tài)(2)UGS

UGS,th時：溝道形成，

ID>0隨UGS

溝道加厚

ID

UDS正向減小，曲線右移。在恒流區(qū)轉(zhuǎn)移特性曲線中ID

與UGS的關(guān)系為：ID=K(UGS–UGS,th)2

UGS,thK為導(dǎo)電因子一、MOS場效應(yīng)管ID≈K(UGS-UGS,th)2（1+UDS)其中：K—導(dǎo)電因子（mA/V2)

—溝道調(diào)制長度系數(shù)

n—溝道內(nèi)電子的表面遷移率COX—單位面積柵氧化層電容W—溝道寬度L—溝道長度Sn—溝道長寬比K'—本征導(dǎo)電因子ID≈K(UGS-UGS,th)2不考慮UDS對溝道長度的調(diào)節(jié)作用時溝道較短時，應(yīng)考慮UDS對溝道長度的調(diào)節(jié)作用：（1）轉(zhuǎn)移特性曲線一、MOS場效應(yīng)管（一）增強型MOS場效應(yīng)管定義：UGS一定時，ID與UDS的變化曲線。

ID=f(UDS)

UGS=C

（2）輸出特性曲線輸出特性曲線有三個區(qū)：（1）可變電阻區(qū)（或恒阻區(qū)）（2）恒流區(qū)（或放大區(qū)）（3）擊穿區(qū)UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=4VUGS=UGS,thUDS(V)ID(mA)可變電阻區(qū)輸出特性曲線隨著UGS的變化形成是一族曲線：一、MOS場效應(yīng)管（一）增強型MOS場效應(yīng)管3、N溝道增強型MOS場效應(yīng)管特性曲線

可變電阻區(qū)條件：UDS<UGS-UGS,th

特點：ID與UDS的關(guān)系近似為線性：

ID≈2K(UGS-UGS，th)UDS當(dāng)UGS變化時，RON將隨之變化因此稱之為可變電阻區(qū)；當(dāng)UGS一定時，RON近似為一常數(shù)因此又稱之為恒阻區(qū)。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=4VUGS=UGS,thUDS(V)ID(mA)可變電阻區(qū)輸出電阻（DS間的電阻）為（2）輸出特性曲線UGS固定

溝道大小固定

溝道電阻固定

UDS與漏極電流ID之間呈線性關(guān)系。一、MOS場效應(yīng)管3、N溝道增強型MOS場效應(yīng)管特性曲線

恒流區(qū)

UGS一定，ID基本不隨UDS變化而變，

擊穿區(qū)

UDS

增加到某一值時，ID開始劇增而出現(xiàn)擊穿。當(dāng)UDS

增加到某一臨界值時，ID開始劇增時的UDS稱為漏源擊穿電壓。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=4VUGS=UGS,thUDS(V)ID(mA)ID≈K(UGS-UGS,th)2可變電阻區(qū)場效應(yīng)管做放大器時，需要工作在此區(qū)域。（2）輸出特性曲線一、MOS場效應(yīng)管3、N溝道增強型MOS場效應(yīng)管特性曲線漏極輸出特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線與輸出特性曲線之間是有聯(lián)系的，因此轉(zhuǎn)移特性可由輸出特性曲線求得：

一、MOS場效應(yīng)管3、N溝道增強型MOS場效應(yīng)管特性曲線（一）增強型MOS場效應(yīng)管4、MOS管襯底的處理保證兩個PN結(jié)反偏，源極—溝道—漏極之間處于絕緣態(tài)。NMOS管—UBS加一負(fù)壓PMOS管—UBS加一正壓處理原則：處理方法：襯底效應(yīng)：是指MOS管因源極和襯底電位不同而形成源極到襯底之間偏置電壓的現(xiàn)象，這個偏置電壓將影響導(dǎo)電溝道的電阻，并影響漏極電流。一、MOS場效應(yīng)管（一）增強型MOS場效應(yīng)管sgdB1、N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)BP襯底N+N+SGDN溝道耗盡型MOS管增強型MOS管：初始狀態(tài)下不存在導(dǎo)電溝道耗盡型MOS管：初始狀態(tài)下即存在導(dǎo)電溝道（二）耗盡型MOS場效應(yīng)管一、MOS場效應(yīng)管N+dgs鋁二氧化硅耗盡層N+P反型層由于在二氧化硅中摻有大量正離子，因此在UGS=0V時也有導(dǎo)電溝道存在；UDS加正向電壓，產(chǎn)生漏極電流ID,此時的漏極電流稱為漏極飽和電流，用IDSS表示。當(dāng)UGS＞0時，溝道變厚，將使ID進一步增加（ID及導(dǎo)電溝道的變化與增強型相同）。當(dāng)UGS<0時，使ID

減小，當(dāng)UGS<

UGS,off(夾斷電壓)時,導(dǎo)電溝道消失，ID

=0。IDUGSUDS2、N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管工作原理一、MOS場效應(yīng)管（二）耗盡型MOS場效應(yīng)管UGS(V)ID(mA)溝道較短時，或考慮漏源之間的電壓時，有ID≈K(UGS-UGS,off)2（1+UDS)UGS,off（1）轉(zhuǎn)移特性曲線當(dāng)UGS>UGS,off，且未擊穿時，3、N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管特性曲線N溝道耗盡型MOS管可工作在UGS0或UGS>0

N溝道增強型MOS管只能工作在UGS>0一、MOS場效應(yīng)管（二）耗盡型MOS場效應(yīng)管（2）輸出特性曲線UGS=6VUGS=4VUGS=1VUGS=0VUGS=

1VUGS(V)ID(mA)可變電阻區(qū)也分為三個區(qū)，即恒阻區(qū)（或可變電阻區(qū)）恒流區(qū)（或放大區(qū)）擊穿區(qū)輸出特性曲線3、N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管特性曲線一、MOS場效應(yīng)管（二）耗盡型MOS場效應(yīng)管各類絕緣柵場效應(yīng)三極管的特性曲線小結(jié)N溝道增強型P溝道增強型絕緣柵場效應(yīng)管一、MOS場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型各類絕緣柵場效應(yīng)三極管的特性曲線小結(jié)（續(xù)）二、結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管的分類結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線N（二）結(jié)型場效應(yīng)管（JFET)結(jié)構(gòu)（一）結(jié)型場效應(yīng)管（JFET)分類可分為N溝道和P溝道兩種，輸入電阻約為107

。P+P+GSDN溝道結(jié)型場效應(yīng)管導(dǎo)電溝道二、結(jié)型場效應(yīng)管P溝道結(jié)型場效應(yīng)管SPN+N+DG

根據(jù)結(jié)型場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)，因它沒有絕緣層，為保證不出現(xiàn)柵極電流，柵極只能工作在反偏的條件下，對于N溝道結(jié)型場效應(yīng)三極管只能工作在負(fù)柵壓區(qū)，P溝道的只能工作在正柵壓區(qū)，否則將會出現(xiàn)柵流。現(xiàn)以N溝道為例說明其工作原理。P+P+NGSDUDSIDN溝道結(jié)型場效應(yīng)管（三）結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理二、結(jié)型場效應(yīng)管1、柵源電壓對溝道的控制作用:（1）當(dāng)UDS=0時，UGS在0V與UGS,off（負(fù)電壓）之間變化，可控制溝道寬度，從而控制ID的大??；DP+P+NGSUGS導(dǎo)電溝道消失時的柵源電壓UGS稱為夾斷電壓UGS,off（三）結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理二、結(jié)型場效應(yīng)管二、結(jié)型場效應(yīng)管（2）UGS固定，當(dāng)UGDUGS,off時，ID隨UDS的增加而加大；（3）當(dāng)UDS增大使UGD=UGS,off時，耗盡層在漏極附近相遇，稱為預(yù)夾斷，夾斷后ID不再隨UDS的增加而變化，進入恒流狀態(tài)；此時，ID僅由UGS控制1、柵源電壓對溝道的控制作用:DP+P+NGSUDSIDUGS預(yù)夾斷（三）結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理與N溝道耗盡型MOS管的特性曲線基本相同，只不過耗盡型NMOS的柵源電壓可正可負(fù)，而N溝道結(jié)型場效應(yīng)三極管的柵源電壓只能是為負(fù)。UGS,off可變電阻區(qū)（四）結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線輸出特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線二、結(jié)型場效應(yīng)管各類場效應(yīng)三極管的特性曲線絕緣柵場效應(yīng)管N溝道增強型P溝道增強型絕緣柵場效應(yīng)管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型結(jié)型場效應(yīng)管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型三、場效應(yīng)管的主要參數(shù)及特點（一）直流參數(shù)2.飽和漏極電流IDSS

耗盡型MOSFET、JFET，當(dāng)UGS=0時所對應(yīng)的漏極電流。1.閾值電壓（or稱為開啟電壓、夾斷電壓)

漏源電壓UDS恒定時，使ID=0時的電壓。增強型MOSFET閾值電壓用UGS,th表示，也成為開啟電壓；耗盡型MOSFET和JFET閾值電壓用UGS,off表示，也稱為夾斷電壓。3.直流輸入電阻RGS柵源間所加的恒定電壓UGS與流過柵極電流IGS之比。結(jié)型場效應(yīng)三極管，反偏時RGS約大于107Ω，絕緣柵場效應(yīng)三極管RGS約是109～1015Ω。

1.低頻跨導(dǎo)gm

低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對漏極電流的控制作用gm的求法:①圖解法：gm實際就是轉(zhuǎn)移特性曲線

iD=f(uGS)的斜率②解析法：如增強型MOS管存在

iD=K(uGS-UGS,th)2（二）交流參數(shù)gm與iD成正比關(guān)系。⊿ID⊿UGSQ練習(xí)：計算低頻跨導(dǎo)gm

。顯然：gm大小與工作點有關(guān),ID越大,gm越大。（二）交流參數(shù)

2.襯底跨導(dǎo)gmb反映了襯底偏置電壓對漏極電流ID的控制作用跨導(dǎo)比（二）交流參數(shù)3.動態(tài)漏極電阻rds反映了uDS對iD的影響，實際上是輸出特性曲線上工作點切線上的斜率。一般是幾十～幾百千歐姆。（二）交流參數(shù)三、效應(yīng)管的主要參數(shù)及特點4.極間電容Cgs—柵極與源極間電容，約1～3PFCgd—柵極與漏極間電容，約1～3PFCsd

—源極與漏極間電容，約0.1～1PFCgb—柵極與襯底間電容

Csb—源極與襯底間電容Cdb—漏極與襯底間電容主要的極間電容有：極間電容影響FET的高頻特性，越小越好。（二）交流參數(shù)三、效應(yīng)管的主要參數(shù)及特點2.漏源擊穿電壓UDS,B

(或用符號BUDS

表示）使ID開始劇增時的UDS。1.柵源擊穿電壓UGS

,B(或用符號BUGS表示）JFET：反向飽和電流劇增時的柵源電壓。MOS：使SiO2絕緣層擊穿的電壓。（三）極限參數(shù)3.最大漏極電流IDM

管子正常工作時漏極電流的上限值。4.最大漏極耗散功率PDM

PD=iDuDS

應(yīng)用：根據(jù)IDM

、PDM、UDS,B可以確定管子的安全工作區(qū)。三、效應(yīng)管的主要參數(shù)及特點

附錄1.與雙極型三極管相同第三位字母J代表結(jié)型場效應(yīng)管，O代表絕緣柵型場效應(yīng)管。第二位字母代表材料，D是P型硅N溝道；C是N型硅P溝道。例如3DJ6D是結(jié)型N溝道場效應(yīng)三極管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場效應(yīng)三極管。CS代表場效應(yīng)管，××以數(shù)字代表型號的序號，#用字母代表同一型號中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等。場效應(yīng)三極管的型號現(xiàn)行有兩種命名方法：2.第二種命名方法是CS××#：小結(jié)1.場效應(yīng)管種類很多，主要有結(jié)型和絕緣柵場效應(yīng)管。結(jié)型有N溝道和P溝道兩種，柵源必須加反偏壓才能工作，如N溝道在UGS≤0下工作，P溝道在UGS≥0下工作。絕緣柵場效應(yīng)管有N溝道增強型、N溝道耗盡型、P溝道增強型、P溝道耗盡型四種類型。增強型不存在原始導(dǎo)電溝道，UGS只在單一極性或正或負(fù)工作；而耗盡型存在原始溝道，UGS可正可負(fù)。2.場效應(yīng)管是單極型電壓控制器件，具有輸入電阻高，一般可達(dá)109

。第4章場效應(yīng)管的基本放大電路一、場效應(yīng)管的等效電路二、場效應(yīng)管三種基本放大電路三、場效應(yīng)管三種組態(tài)放大電路性能比較一、場效應(yīng)管的等效電路SDUGS+-+-UDSG（一）MOSFET的直流模型（耗盡型MOS管，簡稱D管）IDID（增強型MOS管，簡稱E管）復(fù)習(xí)：UGS,th開啟電壓（增強型），UGS,off夾斷電壓（耗盡型、結(jié)型）SDgdsΔUGS+-+-ΔUDSGID（二）低頻小信號模型由輸出特性：ID=f(UGS,UDS)ΔIDgmΔUGSgm：跨導(dǎo)gds：輸出電導(dǎo)gds=1/rds一、場效應(yīng)管的等效電路SDgdsugs+-+-udsGID低頻跨導(dǎo)定義idgmugs（耗盡型、結(jié)型管）（增強型管）一、場效應(yīng)管的等效電路常數(shù)====DSDSGSDΔGSDmdΔΔUUUdIUIg0（三）高頻小信號模型電路CgdSDgmUgsgdsUgs+-+-UdsGIDCgsCds一、場效應(yīng)管的等效電路二、場效應(yīng)管管三種基本放大電路場效應(yīng)管偏置電路的關(guān)鍵是如何提供柵源控制電壓UGS。自給偏置電路：適合結(jié)型場效應(yīng)管和耗盡型MOS管外加偏置電路：適合增強型MOS管（一）場效應(yīng)管偏置電路1、自給偏置電路UGS=UG-US=-ISRS≈-IDRSUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)RS的作用：1.提供柵源所需的直流偏壓。2.提供直流負(fù)反饋，穩(wěn)定靜態(tài)工作點。RS越大，工作點越穩(wěn)定。但會造成工作點偏低，放大增益減少，非線性失真增大。GSD基本自給偏置電路（一）場效應(yīng)管偏置電路二、場效應(yīng)管管三種基本放大電路二、場效應(yīng)管管三種基本放大電路外加偏置電路RG為大電阻（M)，可減小R1、R2對放大電路輸入電阻的影響。UGS=UG-US-IDRSUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)（一）場效應(yīng)管偏置電路2、外加偏置電路R1R2提供一個正偏柵壓UG2、外加偏置電路-IDRSR1和R2提供一個固定柵壓。UGS=UG-US二、場效應(yīng)管管三種基本放大電路（一）場效應(yīng)管偏置電路ID=K(UGS-UGS,th)2UGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)1、共源放大電路直流分析UGS=UG-US-IDRSUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)二、場效應(yīng)管管三種基本放大電路（二）三種基本放大電路一般rds較大，可忽略基本放大電路1、共源放大電路(續(xù)）IdGRGR1R2RDRLDrdsRSgmUgsSUgsUiUo未接Cs時=-gmUgsR'DUgs+gmUgsRs=-gmR'D1+gmRsR'D=RD//RL交流分析（二）三種基本放大電路IdGRGR1R2RDRLDRSgmUgsSUgsUiUo未接Cs時=-gmR'D1+gmRsr'ir'i=RG+(R1//R2)≈RGr'or’o≈RD接入Cs時AU=-gm(RD//RL)r'i=RG+(R1//R2)≈RGr'o=RD交流分析1、共源放大電路二、場效應(yīng)管管三種基本放大電路（二）三種基本放大電路◆Rs的作用是提供一個直流柵源電壓、引入直流負(fù)反饋來穩(wěn)定工作點。但它同時對交流也起負(fù)反饋作用，使電路的放大倍數(shù)降低?！艚尤隒S可以消除RS對交流的負(fù)反饋作用。GSDr'iUi2、共漏放大電路（也稱源極跟隨器)RGGUoRLRSgmUgsrdsSD=gmUgsR'SUgs+gmUgsR's=gmR'S1+gmR'sR'S=rds//RS//RL≈RS//RL<1gmR'S>>1AU≈1r'i=RGUgs+-電壓增益輸入電阻低頻等效電路二、場效應(yīng)管管三種基本放大電路（二）三種基本放大電路輸出電阻Ugs+-gmUgsRS+-UoIor'oUiGUoSRGRLRSgmUgsrdsDUgs+--gmU