线性电子电路教案
第三章场效应管
知识要点：
场效应管原理、场效应管的小信号模型及其参数
场效应管是只有一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流
的半导体器件。有N沟道器件和P沟道器件。有结型场效应三极管JFET(JunctionField
EffectTransister)和绝缘栅型场效应三极管IGFET(InsulatedGateFieldEffectTransister)
之分。IGFET也称金属-氧化物-半导体三极管MOSFET（MetalOxideSemiconductor
FET）。
1.1
1.1.1
MOS场效应管
MOS场效应管有增强型（EnhancementMOS或EMOS
或DMOS）两大类，每一类有N沟道和P沟道两种导电类型。场效应管有三个电极：
D(Drain)称为漏极，相当双极型三极管的集电极；
G(Gate)称为栅极，相当于双极型三极管的基极；
S(Source)称为源极，相当于双极型三极管的发射极。
增强型MOS(EMOS)场效应管
根据图3-1，N沟道增强型MOSFET基本上是一种左
型半导体上生成一层SiO
2
薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩
型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。在源极和
属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。
图3-1
一、工作原理
1．沟道形成原理
当V
GS
=0
V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在
S间形成电流。
当栅极加有电压时，若0＜V
GS
＜V
GS(th)
时，通过栅极和
下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗
将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，所以仍然不足以形成漏极电流
进一步增加V
GS
，当V
GS
＞V
GS(th)
时（V
GS(th)
称为开启电压）
经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，
和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流
1
）和耗尽型(Depletion)MOS
右对称的拓扑结构，它是在P
散两个高掺杂的N型区，从N
漏极之间的绝缘层上镀一层金
N沟道增强型
EMOS管结构示意
D、S之间加上电压不会在D、
衬底间的电容作用，将靠近栅极
尽层。耗尽层中的少子
I
D
。
，由于此时的栅极电压已
可以形成沟道，将漏极
I
D
。在栅极下方形成的导电沟
线性电子电路教案
道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层（inversionlayer）。
随着V
GS
的继续增加，I
D
将不断增加。在V
GS
=0V时I
D
=0，只有当V
GS
＞V
GS(th)
后才会出现
漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。
转移特性曲线的斜率g
m
的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。g
m
的量纲为
mA/V，所以g
m
也称为跨导。
跨导的定义式如下：
const
DS
=
=
V
GS
D
V
I
gm
?
?
(单位mS)
2．VDS对沟道导电能力的控制
当V
GS
＞V
GS(th)
，且固定为某一值时，来分析漏源电压V
DS
对漏极电流I
D
的影响。V
DS
的不同变化对沟道的影响如图3-2所示。根据此图可以有如下关系
V
DS
=V
DG
＋V
GS
=—V
GD
＋V
GS
V
GD
=V
GS
—V
DS
当V
DS
为0或较小时，相当V
GD
＞V
GS(th)
，沟道呈斜线分布。在紧靠漏极处，沟道达到
开启的程度以上，漏源之间有电流通过。
当V
DS
增加到使V
GD
=V
GS(th)
时，相当于V
DS
增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，
称为预夹断，此时的漏极电流I
D
基本饱和。当V
DS
增加到V
GD
GS(th)
时，预夹断区域加长，
伸向S极。V
DS
增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，I
D
基本趋于不变。
（a）（b）（c）
图3-2漏源电压V
DS
对沟道的影响
当V
GS
＞V
GS(th)
，且固定为某一值时，V
DS
对I
D
的影响，即i
D
=f(v
DS
)?V
GS
=const这一关
系曲线如图3-3所示。
V
GS
一定
I
DD
V
DS
图3-3V
GS
一定，I
D
随V
DS
变化的特性
V
GS
-V
GS(th)
2
线性电子电路教案
二、伏安特性
输出特性曲线转移特性曲线
图3-3漏极输出特性曲线和转移特性曲线
1．非饱和区
非饱和区（NonsaturationRegion）是沟道未被预夹断的工作区，又称可变电阻区。由
不等式V
GS
>V
GS(th)
、V
DS
GS
-V
GS(th)
限定。理论证明，I
D
与V
GS
和V
DS
的关系如下：
]VV)VV(2[
l2
WC
IDS
2
DS)th(GSGS
oxn
D
??=
μ
2．饱和区
饱和区(SaturationRegion)又称放大区，它是沟道预夹断后所对应的工作区。由不等式
V
GS
>V
GS(th)
、V
DS
>V
GS
-V
GS(th)
限定。漏极电流表达式：
2
)th(GSGS
oxn
D
)VV(
l2
WC
I?=
μ
在这个工作区内，I
D
受V
GS
控制。考虑厄尔利效应的I
D
表达式：
)V1()VV(
l2
WC
)
V
V
1()VV(
l2
WC
I
DS
2
)th(GSGS
oxn
A
DS2
)th(GSGS
oxn
D
λ
μμ
+?=??=
3．截止区和亚阈区
V
GS
GS(th)
，沟道未形成，I
D
=0。在V
GS(th)
附近很小的区域叫亚阈区（Subthreshold
Region）在这个区域内，I
D
与V
GS
的关系为指数关系。
I
D
V
GS
3-5亚阈区转移特性
4．击穿区
当V
DS
增大到足以使漏区与衬底间PN结引发雪崩击穿时，I
D
迅速增加，管子进入击
穿区。
四、P沟道EMOS场效应管
在N型衬底中扩散两个P
+
区，分别做为漏区和源区，并在两个P
+
之间的SiO
2
绝缘层
上覆盖栅极金属层，就构成了P沟道EMOS管。
3
线性电子电路教案
1.1.2耗尽型MOS（DMOS）场效应管
N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图3-5所示，它是在栅极下方的S
i
O
2
绝缘层中
掺入了大量的金属正离子。所以当V
GS
=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。
于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。当V
GS
＞0时，将使I
D
进一步增加。V
GS
＜0
时，随着V
GS
的减小漏极电流逐渐减小，直至I
D
=0。对应I
D
=0的V
GS
称为夹断电压，用符
号V
GS(off)
表示，有时也用V
P
表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线见图所示。
(a)结构示意图(b)转移特性曲线
图3-5N沟道耗尽型MOSFET的结构和转移特性曲线
P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，
供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。
四种MOS场效应管比较1.1.3
N沟道EMOSDMOS；P沟道EMOSDMOS。
V
GS
GS(th)
V
DS
>V
GS
-V
GS(th)
V
GS
>V
GS(th)
V
DS
GS
-V
GS(th)
非
饱
和
区
]VV)VV(2[
l2
WC
IDS
2
DS)th(GSGS
oxn
D
??=
μ
V
GS
GS(th)
V
DS
≤V
GS
-V
GS(th)
V
GS
>V
GS(th)
V
DS
≥V
GS
-V
GS(th)
饱
和
区
)V1(]VV[
l2
WC
I
DS
2
)th(GSGS
oxn
D
λ
μ
+?=
4
线性电子电路教案
四种MOS管比较
1.1.4小信号电路模型
v
GS
=v
GSQ
+v
gs
,v
DS
=v
DSQ
+v
ds
,i
D
=I
DQ
+i
d
饱和区：
ds
Q
DS
D
gs
Q
GS
D
DQDSGSD
v
v
i
v
v
i
I)v,v(fi
?
?
+
?
?
+==
i
gs
g
m
v
gs
-
-
D
+
v
ds
r
ds
S
+
v
gs
G
g
m
:Transconductance
1/g
ds
:outputresistance
r
ds
:1/g
ds
dsdsgsmDQDd
vgvgIii+≈?=
)V1(I
l2
WC
2)V1)(VV(
l
WC
v
i
g
DSQDQ
ox
DSQ)th(GSGSQ
ox
Q
GS
D
m
λ
μ
λ
μ
+=+?=
?
?
=
WC
2lI
VV
ox
D
GS(th)GS
μ
=?
DQdsDQ
ox
m
Ig,,,I
l2
WC
gλ
μ
=≈
5
线性电子电路教案
G
D
++
-
-
μv
gs
r
ds
v
dsvgs
i
gs
μ=g
m
r
d
S
m
Q
us
D
g
v
i
gmuη=
?
?
=衬底跨导
g
m
v
gs
rds
v
ds
-
+
v
gs
+
g
mu
v
us
-
高频小信号电路模型
C
gd
C
su
C
gd
C
ds
g
C
gu
d
s
C
gs
C
gd
C
gs
gd
C
ds
s
1.1.5分析方法
6
线性电子电路教案
1.2
1.2.1
结型场效应管
工作原理
结型场效应三极管的结构与绝缘栅场效应三极管相似，工作机理也相同。结型场效应
三极管的结构如图所示，它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结
夹着一个N型沟道的结构。两个P区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。
图3-2-1N沟道JFET
工艺结构示意图
图3-2-2N沟道及P沟道JEFET结构示意图
D
S
G
NP
+
P
+
7
线性电子电路教案
D
S
G
PN
+
N
+
D
S
G
P
+
P
+
D
S
G
P
+
P
+
-
-
+
+
图3-2-3N沟道JFET当V
DS
=0时，V
GS
对沟道宽度的影响
当PN结反向偏置时，阻挡层宽度增大，主要向低掺杂N区扩展。当V
DS
=0时，V
GS
越负，响应的阻挡层越宽，沟道就窄，沟道的导电能力就越差，直到V
GS
=V
GS(off)
时，两侧
阻挡层相遇，沟道消失。
G
由于
在PN结上的反向偏置电压就不同，
上的反偏电压最高，
被夹断。
1.2.2
根据
D
S
P
+
P
+
G
D
S
G
P
+
P
+
G
I
D
通过长条沟道产生漏极到源极方向的电压降，因此在沟道的不同位置上，加
在源极端，PN结上的反偏电压最小。
响应的阻挡层最宽，沟道也最窄。当
伏安特性曲线
结型场效应三极管的结构，因它没有绝缘层，
8
在漏极端，PN结
V
GS
=V
GS
（
off
）时，近漏极端的沟道
只能工作在反偏的条件下，对于N
线性电子电路教案
沟道结型场效应三极管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现
栅流。
结型场效应三极管的特性曲线有两条，一是转移特性曲线，二是输出特性曲线。它与
绝缘栅场效应三极管的特性曲线基本相同，只不过绝缘栅场效应管的栅压可正、可负，而
结型场效应三极管的栅压只能是P沟道的为正或N沟道的为负。N沟道结型场效应三极管
的特性曲线如下图所示。
(a)漏极输出特性曲线(b)转移特性曲线
1．非饱和区
V
GS
>V
GS(off)
、V
DS
GS
-V
GS(off)
])
V
V
(
V
V
)
V
V
1(2[II
2
)off(GS
DS
)off(GS
DS
)off(GS
GS
DSSD
???=
2．饱和区
V
GS
>V
GS(off)
、V
DS
>V
GS
-V
GS(off)
限定
2
)off(GS
GS
DSSD
)
V
V
1(II?=
3．截止区
V
GS
GS(off)
沟道被夹断，I
D
=0。
4．击穿区
当V
DS
增大到一定值V
(BR)DS
时，漏极端PN结发生雪崩击穿而使I
D
急剧增加区域。
9
|
|
