第5章場效應管（FieldEffectTransistor）及其放大器FET：利用電場效應控制其電流的正向受控器件特點：工藝簡單，占用芯片面積小，輸入阻抗高（107Ω以上）

MOS型（金屬-氧化物-半導體Metal-Oxide-SemiconductorFET或MOSFET）結型（JunctionFET，或JFET）分類內容:（1）場效應管的工作原理、特性和模型

（2）場效應管放大器（直流偏置電路，小信號分析）第5章場效應管（FieldEffectTr5.1MOS場效應管增強型(EnhancementMOS或EMOS)耗盡型(DepletionMOS或DMOS)N溝道(Channel)P溝道分類導電類型5.1MOS場效應管N溝道(Channel)分類導電類一、N溝道EMOS場效應管1、結構一、N溝道EMOS場效應管2、工作原理工作條件：PN結必須反偏（含零偏），源極一般與襯底相連，所以VDS必須為正值。工作過程:(1)溝道的形成①2、工作原理(1)溝道的形成①②VGS>0→指向襯底的電場→吸引電子,排斥空穴→空間電荷(b圖)②VGS>0→指向襯底的電場→吸引電子,排斥空穴→空間電荷③VGS↑→電子薄層→N+NN+→導電溝道(N)(c圖)開始形成溝道的VGS為開啟電壓—VGS(th)④VGS↑→溝道寬度↑→導電能力↑→ID↑③VGS↑→電子薄層→N+NN+→導電溝道(N)(c(2)VDS對溝道的控制(VGS>VGS(th))①VDS>0(很小),ID隨VDS線性增加(2)VDS對溝道的控制(VGS>VGS(th)②VDS↑→沿溝道有電位梯度→近漏極溝道深度變窄→電阻↑→ID上升斜率↓→ID增加緩慢②VDS↑→沿溝道有電位梯度→近漏極溝道深度變窄→電阻↑→VDS↑→VGD↓(VGD=VGS-VDS)→VGD=VGS(th)→近漏極端的電子層消失→溝道預夾斷(A)VDS↑→VGD↓(VGD=VGS-VDS)→VGD=VGS④VDS再增大，電壓的大部分將降落在夾斷區(此處電阻大)，而對溝道的橫向電場影響不大，溝道電壓也從此基本恒定下來。所以隨VDS的增大，ID基本恒定，從此進入恒流區。

(3)溝道長度調制效應VDS↑→A點略左移→溝道長度↓→電阻↓→ID↑(略)④VDS再增大，電壓的大部分將降落在夾斷區(此處電阻大)，而3.伏安特性(共源)輸出特性它與NPN型晶體三極管共發射極的輸出特性相似，它也分為恒流區(飽和區)、可變電阻區(非飽和區)、截止區和擊穿區。1.非飽和區預夾斷前VGS>VGS(th)VDS<VGS-VGS(th)3.伏安特性(共源)1.非飽和區ID同時受VGS、VDS控制μn——溝道電子運動的遷移率；

Cox——單位面積柵極電容；

W——溝道寬度；

l——溝道長度；W/l——MOS管的寬長比。在MOS集成電路設計中，寬長比是一個極為重要的參數。ID同時受VGS、VDS控制μn——溝道電子運動的遷移率；

簡化:VDS很小，忽略二次項ID與VDS呈線性→電阻（受VGS控制）簡化:VDS很小，忽略二次項ID與VDS呈線性2.飽和區(放大區、恒流區）預夾斷后，VGS>VGS(th)VDS>VGS-VGS(th)·曲線平坦，VGS對ID控制能力強。·VDS對ID的控制能力弱。2.飽和區(放大區、恒流區）正向受控作用：VGS控制ID平方律關系→轉移特性轉移特性曲線主要特點為：(1)當VGS<VGS（th）時，ID=0。(2)當VGS>VGS（th）時，ID>0，VGS越大，ID也隨之增大，二者符合平方律關系，正向受控作用：VGS控制ID平方律關系→轉移特性轉移特性曲線計溝道長度調制效應計溝道長度調制效應3.截止區：VGS≤VGS（th），導電溝道未形成，ID=0。4.擊穿區VDS↑→PN結雪崩擊穿→ID↑↑VGS過大→SiO2絕緣層的擊穿（永久性損壞）3.截止區：VGS≤VGS（th），導電溝道未形成，ID=0二、N溝道耗盡型MOSFET(DepletionNMOSFET)

1、結構增強型N溝道MOSFET在VGS=0時，管內沒有導電溝道。而耗盡型則不同，它在VGS=0時就存在導電溝道。因為這種器件在制造過程中，在柵極下面的SiO2絕緣層中摻入了大量堿金屬正離子(如Na++或K++)，這些正離子的作用如同加正柵壓一樣，在P型襯底表面產生垂直于襯底的自建電場，排斥空穴，吸引電子，從而形成表面導電溝道，稱為原始導電溝道。P溝道N溝道二、N溝道耗盡型MOSFET(DepletionNMOSFE2、伏安特性輸出特性曲線（a）和轉移特性曲線（b）2、伏安特性

由于VGS=0時就存在原始溝道，所以只要此時VDS>0，就有漏極電流。如果VGS>0,指向襯底的電場加強，溝道變寬，漏極電流ID將會增大。反之，若VGS<0，則柵壓產生的電場與正離子產生的自建電場方向相反，總電場減弱，溝道變窄，溝道電阻變大，ID減小。當VGS繼續變負，等于某一閾值電壓時，溝道將全部消失，ID=0，管子進入截止狀態。相應的VGS稱為夾斷電壓VGS(th)。第5章場效應管課件5.2結型場效應管

結型場效應管(JunctionFieldEffectTransistor)簡稱JFET，有N溝道JFET和P溝道JFET之分。下圖給出了JFET的結構示意圖及其表示符號。N溝道P溝道源極和漏極是可以互換的。5.2結型場效應管N溝道P溝道源極和漏極是可以互換的一、工作原理（以N溝道為例）工作條件：PN結反偏（含零偏），VGS為負→VDS為正1、VGS對ID的控制

因為柵源電壓為負，PN結反偏，在柵源間僅存在微弱的反向飽和電流，所以柵極電流IG≈0，這就是結型場效應管輸入阻抗很大的原因。(a)VGS=0，溝道最寬，ID最大；一、工作原理（以N溝道為例）1、VGS對ID的控制(b)VGS負壓增大，溝道變窄，ID減小；當柵源負壓VGS加大時，PN結變厚，并向N區擴張，使導電溝道變窄，溝道電導率變小，電阻變大，在同樣的VDS下，ID變小；(b)VGS負壓增大，溝道變窄，ID減小；當柵源(c)VGS負壓進一步增大，溝道夾斷，ID=0當|VGS|加大到某一負壓值時，兩側PN結擴張使溝道全部消失，此時，ID將變為零。稱此時的柵源電壓VGS為“夾斷電壓”，記為VGS（off）。JFET最重要的工作原理：柵源電壓VGS的變化，有效地控制漏極電流的變化。

(c)VGS負壓進一步增大，溝道夾斷，ID=02、VDS對ID的控制（1）VDS＞0（較小）→ID隨VDS線性增加（2）VDS↑→沿溝道有電位梯度→近漏極反偏電壓最大→PN結↑→溝道寬度↓→電阻↑→ID增加緩慢（a）圖2、VDS對ID的控制（1）VDS＞0（較小）→ID隨VDS（3）VDS↑→VDG↑→靠近漏區的PN結變厚，當VGD=VGS（off）→溝道在漏極附近被局部夾斷(稱為預夾斷)，如圖(b)所示。（4）VDS再增大，電壓主要降到局部夾斷區，而對整個溝道的導電能力影響不大。所以VDS的變化對ID影響很小。預夾斷點：（3）VDS↑→VDG↑→靠近漏區的PN結變厚，當VGD=V二、伏安特性曲線1.非飽和區（可變電阻區）

當VDS很小，VDS<VGS-VGS（off）時，即預夾斷前如圖(a)所示，VDS的變化直接影響整個溝道的電場強度，從而影響ID的大小。所以在此區域，隨著VDS的增大，ID增大很快。受VGS控制的線性電阻二、伏安特性曲線1.非飽和區（可變電阻區）受VGS控制的線2.恒流區（飽和區）

恒流區相當于雙極型晶體管的放大區。其主要特征為：當VGSoff<VGS<0時，ID與VGS符合平方律關系，VGS對ID的控制能力很強。轉移特性和轉移特性曲線（圖b）IDSS——飽和漏電流，表示VGS=0且預夾斷時的ID值；2.恒流區（飽和區）轉移特性和轉移特性曲線（圖b）IDSS—3.截止區當VGS<VGS(off)|時，溝道被全部夾斷，ID=0，故此區為截止區。若利用JFET作為開關，則工作在截止區，即相當于開關打開。4.擊穿區隨著VDS增大，靠近漏區的PN結反偏電壓VDG(=VDS-VGS)也隨之增大，PN結雪崩擊穿，ID劇增。3.截止區三、各種類型MOS管的符號及特性對比下圖給出各種N溝道和P溝道場效應管的符號。各種管子的輸出特性形狀是一樣的，只是控制電壓VGS不同。三、各種類型MOS管的符號及特性對比各種場效應管的轉移特性和輸出特性對比(a)轉移特性各種場效應管的轉移特性和輸出特性對比(b)輸出特性各種管子的輸出特性形狀是一樣的，只是控制電壓VGS不同。(b)輸出特性5.3場效應管放大器一、偏置電路零偏壓自偏壓分壓式分壓式偏置適用于各種場效應管；自偏置和零偏置不適用增強型MOS管；零偏壓電路熱穩定性差。5.3場效應管放大器零偏壓自偏壓分壓式分壓式偏置適用于各種分析方法用兩種辦法確定直流工作點，一種是圖解法，另一種是解析法。聯立求解，