3.1MOS場效應管P溝道（PMOS）

N溝道（NMOS）

P溝道（PMOS）

N溝道（NMOS）

MOSFET增強型（EMOS）

耗盡型（DMOS）

Metal-OxideSemiconductorFieldEffectTransistor

由金屬、氧化物和半導體制成。稱為金屬-氧化物-半導體場效應管，或簡稱MOS場效應管。特點：輸入電阻可達109以上。VGS=0時漏源間存在導電溝道稱耗盡型場效應管；VGS=0時漏源間不存在導電溝道稱增強型場效應管。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不同，因此導致加在各極上的電壓極性相反。3.1.1增強型MOS場效應管N溝道EMOSFET結構示意圖N+N+P+P+PUSGD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l溝道長度W溝道寬度源極S(Source)漏極D（Drain）襯底引線U柵極G(Gate)N溝道增強型MOS場效應管的結構示意圖

N溝道EMOS管外部工作條件VDS>0

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

VGS

N溝道EMOS管工作原理柵襯之間相當于以SiO2為介質的平板電容器。

絕緣柵場效應管利用VGS

來控制“感應電荷”的多少，改變由這些“感應電荷”形成的導電溝道的狀況，以控制漏極電流ID。工作原理分析：(1)VGS=0

漏源之間相當于兩個背靠背的PN結，無論漏源之間加何種極性電壓，總是不導電。SUD

N溝道EMOSFET溝道形成原理

假設VDS=0，討論VGS作用VGG(2)

VDS=0，0<VGS<VGS(th)

當柵極加有電壓時，若0＜VGS＜VGS(th)時，通過柵極和襯底間的電容作用，將靠近柵極下方的P型半導體中的空穴向下方排斥，出現了一薄層負離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運動，但數量有限，不足以形成溝道，將漏極和源極溝通，所以不可能以形成漏極電流ID。(3)

VDS=0，VGS≥VGS(th)

進一步增加VGS，當VGS＞VGS(th)時（稱為開啟電壓)，此時的柵極電壓已經比較強，在靠近柵極下方的P型半導體表層中聚集較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極溝通。如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方形成的導電溝道中的電子，因與P型半導體的載流子空穴極性相反，故稱為反型層。VGGVGS升高，N溝道變寬。因為VDS=0，所以ID=0。VGS(th)為開始形成反型層所需的VGS，稱開啟電壓。PP+N+N+SGDUVDS=0-+VGS形成空間電荷區并與PN結相通VGS襯底表面層中負離子、電子VGS開啟電壓VGS(th)形成N型導電溝道表面層n>>pVGS越大，反型層中n

越多，導電能力越強。反型層VDS對溝道的控制（假設VGS>VGS(th)

且保持不變）VDS很小時

→

VGDVGS。此時溝道深度近似不變，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Ron→ID變慢。PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+

當VDS增加到使VGD=VGS(th)時→A點出現預夾斷

若VDS繼續→A點左移→出現夾斷區此時VAS=VAG+VGS=-VGS(th)+VGS（恒定）若忽略溝道長度調制效應，則近似認為l

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

若考慮溝道長度調制效應則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）導電，故稱單極型器件。

三極管中多子、少子同時參與導電，故稱雙極型器件。

利用半導體表面的電場效應，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。共源組態特性曲線：ID=f

(VGS)VDS=常數轉移特性：ID=f

(VDS)VGS=常數輸出特性：

伏安特性+TVDSIG0VGSID+--

轉移特性與輸出特性反映場效應管同一物理過程，它們之間可以相互轉換。

NEMOS管輸出特性曲線

非飽和區特點：ID同時受VGS與VDS的控制。當VGS為常數時，VDSID近似線性，表現為一種電阻特性；ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V當VDS為常數時，VGSID，表現出一種壓控電阻的特性。溝道預夾斷前對應的工作區。條件：VGS>VGS(th)V

DS<VGS–VGS(th)因此，非飽和區又稱為可變電阻區。

數學模型：此時MOS管可看成阻值受VGS控制的線性電阻器：VDS很小MOS管工作在非飽區時，ID與VDS之間呈線性關系：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：非飽和區相當于三極管的飽和區。

飽和區特點：

ID只受VGS控制，而與VDS近似無關，表現出類似三極管的正向受控作用。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V溝道預夾斷后對應的工作區。條件：VGS>VGS(th)V

DS>VGS–VGS(th)

考慮到溝道長度調制效應，輸出特性曲線隨VDS的增加略有上翹。注意：飽和區（又稱放大區）對應三極管的放大區。數學模型：若考慮溝道長度調制效應，則ID的修正方程：

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

截止區特點：相當于MOS管三個電極斷開。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V溝道未形成時的工作區條件：VGS<VGS(th)ID=0以下的工作區域。IG≈0，ID≈0

擊穿區VDS增大到一定值時漏襯PN結雪崩擊穿

ID劇增。VDS溝道l對于l較小的MOS管穿通擊穿。

由于MOS管COX很小，因此當帶電物體（或人）靠近金屬柵極時，感生電荷在SiO2絕緣層中將產生很大的電壓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，同時對感生電荷起旁路作用。

NEMOS管轉移特性曲線VGS(th)=3VVDS

=5V

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

=5VID/mAVGS/V012345

轉移特性曲線中,ID=0時對應的VGS值,即開啟電壓VGS（th）。

襯底效應

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結反偏，襯底應接電路最低電位（N溝道）或最高電位（P溝道）。若|VUS|-+VUS耗盡層中負離子數因VGS不變（G極正電荷量不變）IDVUS

=0ID/mAVGS/VO-2V-4V根據襯底電壓對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

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：電路符號中的箭頭方向相反。ID3.1.2耗盡型MOS場效應管SGUDIDSGUDIDPP+N+SGDUN+N溝道DMOSNN+P+SGDUP+P溝道DMOS

DMOS管結構VGS=0時，導電溝道已存在溝道線是實線

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、零均可。外部工作條件：DMOS管在飽和區與非飽和區的ID表達式與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場效應管比較

電路符號及電流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOS

轉移特性IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)

飽和區（放大區）外加電壓極性及數學模型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型MOS管：

VGS

與VDS

極性相同。耗盡型MOS管：

VGS

取值任意。

飽和區數學模型與管子類型無關

臨界飽和工作條件

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

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

非飽和區（可變電阻區）數學模型FET直流簡化電路模型(與三極管相對照)

場效應管G、S之間開路，IG0。三極管發射結由于正偏而導通，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小信號電路模型MOS管簡化小信號電路模型(與三極管對照)

gmvgsrdsgdsicvgs-vds++-

rds為場效應管輸出電阻：

由于場效應管IG0，所以輸入電阻rgs。而三極管發射結正偏，故輸入電阻rbe較小。與三極管輸出電阻表達式相似。rbercebceibic+--+vbevcegmvbeMOS管跨導利用得三極管跨導

通常MOS管的跨導比三極管的跨導要小一個數量級以上，即MOS管放大能力比三極管弱。

計及襯底效應的MOS管簡化電路模型

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

當高頻應用、需計及管子極間電容影響時，應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；采用小信號等效電路法分析電路動態指標。3.1.5MOS管電路分析方法

場效應管估算法分析思路與三極管相同，