模電課件第四章場效應管第一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日第四章場效應管及MOS模擬集成電路基礎4-1結型場效應管（JFET）4-2金屬-氧化物-半導體場效應管（MOSFET）4-3場效應管放大電路4-4MOS模擬集成電路基礎第二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日場效應管（FET）：

是一種具有PN結的有源半導體器件，利用電場效應來控制輸出電流的大小。場效應管的特點：①輸入電阻高；②內部噪聲小；③功耗低；④熱穩(wěn)定性及抗輻射能力強；⑤工藝簡單、易于集成化。輸入端PN結一般工作反偏或絕緣狀態(tài)。場效應管的分類：結型FET（JFET）：MOSFET（IGFET）：N溝道、P溝道增強型：耗盡型：N溝道、P溝道N溝道、P溝道第三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日N4.1結型場效應管（JFET）4.1結型場效應管一、JFET的結構和符號#符號中的箭頭方向表示什么？表示柵結正向偏置時，電流方向是由P指向N。PP+P+DSGDGSN溝道JFET的結構和符號柵極

漏極

源極

NPNBIBDGSP溝道JFETN+N+CEBCEPNPIBBCEBCE第四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日二、JFET的工作原理※N溝道JFET工作時，必須在柵極和源極之間加一個負電壓——uGS<0.GNP+P+DS柵極—溝道間的PN結反偏，柵極電流iG0柵極輸入阻抗高達107以上。在D-S間加一個正電壓uDS>0,N溝道中的多子（電子）由S向D運動，形成漏極電流iD。iDiG主要討論uGS對iD的控制作用以及uDS對iD的影響。電子iDuGSuDS輸入電阻很高只有一種類型的多數(shù)載流子參與導電第五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日GNP+P+DS1、UGS對iD對控制作用①

UDS=0，uGS對導電溝道的影響GNP+P+DSuGS=0導電溝道較寬|uGS|=|UGS(off)||uGS|<|UGS(off)|導電溝道由于耗盡層的加寬而變窄。導電溝道由于耗盡層的合攏而被夾斷。GNP+P+DSUGS(off)——夾斷電壓。當uGS由零向負值增大時

溝道電阻rDS↑

|uGS|↑當|uGS|=UGS（off）時，溝道夾斷，iD=0。

→溝道電阻rDS→iD↓夾斷電壓

↑第六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日耗盡層合攏的電壓條件PN結兩端電壓=夾斷電壓UGS(off)GDSNuDSuGSP+P+AA點電壓=uDG=UGS(off)=uDS-uGSuDS=uGS-UGS(off)uDS<uGS-UGS(off)耗盡層合攏的電壓條件耗盡層不合攏的電壓條件uGS

<夾斷電壓UGS(off)第七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日GDSN②

uDS對iD的影響uGS=0；導電溝道較寬；當uDS較小時(uDS<uGS-UGS(off))，iD隨uDS的增大成正比增大；uDSiD0uDS↑導電溝道由于DS間的電位梯度呈契形；uDSuDS<uGS-UGS(off)uGS→iD↑uDS產生一個沿溝道的電位梯度

iDuGS=0uDS↑P+P+ADSuDS→rDS↑很小，幾乎不變→iD↑第八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日②

uDS對iD的影響兩耗盡層在A點相遇此時，A點耗盡層兩邊的電位差為：uDSiD0飽和漏電流uGD=UGS(off)|UGS(off)|IDSSDGP+P+SNA當uDS=

|UGS（off）|時，靠近漏極出現(xiàn)溝道合攏，兩耗盡層在A點相遇稱為預夾斷狀態(tài)GNP+P+DSuGS

=

UGS(off)uGS=0=uGS-uDSuDS=uGS-UGS(off)第九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日②

uDS對iD的影響溝道預夾斷后，uDS>uGS-UGS(off)GP+P+DSNuDS夾斷區(qū)長度外電壓的增量主要降落在夾斷區(qū)上。uDS=uGS-UGS(off)溝道預夾斷時，uGS=0uDS=-UGS(off)飽和漏電流uDSiD0|UGS(off)|IDSSuGS=0→rDS↑大1kΩ1Vi=1mA4V3kΩi=1mA1V4VΔV第十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日②

uDS對iD的影響GP+P+DSNuDS=uGS-UGS(off)溝道預夾斷時，uGS=0uDS=-UGS(off)溝道預夾斷后，uDS>uGS-UGS(off)uDS夾斷區(qū)長度外電壓的增量主要降落在夾斷區(qū)上。iD基本不隨uDS的增加而上升，iD趨于飽和。在強電場作用下PN結雪崩擊穿，iD急劇增大。飽和漏電流uDSiD0|UGS(off)|IDSSuGS=0若uDS>BUDS，。uDS第十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日GDSNuDSuDS<uGS-UGS(off)uGSiDP+P+uGS≠0,uDS≠0→iD↑uDS↑飽和漏電流|UGS(off)|IDSSuDSiD0uDS=uGS-UGS(off)溝道預夾斷uDS↑uDS>uGS-UGS(off)夾斷區(qū)長度iD基本不隨uDS的增加而上升，iD趨于飽和。uDS↑在強電場作用下PN結雪崩擊穿，iD急劇增大。uGS=0VuGS=-4VuGS=-8VuGD=uGS-uDS=UGS(off)第十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日綜上分析可知：4.1結型場效應管溝道中只有一種類型的多數(shù)載流子參與導電，所以場效應管也稱為單極型三極管。|UGS(off)|IDSSuDSiD0uGS=-4VuGS=-8VJFET柵極與溝道間的PN結是反向偏置的，因此iG0，輸入電阻很高。JFET是電壓控制電流器件，iD受uGS控制。預夾斷前iD與uDS呈近似線性關系；預夾斷后，iD趨于飽和。uGSGNP+P+DSiDiG電子iDuDSNGNN+N+DSiDiG空穴iDuGSuDSP第十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日GNP+P+DS|uGS|<|UGS(off)|GNP+P+DSUGS(off)——夾斷電壓。|uGS|↑當|uGS|=UGS（off）時，溝道夾斷，iD=0。

→溝道電阻rDS→iD↓↑復習第十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日GDSNuDSuDS<uGS-UGS(off)uGSiDP+P+uGS≠0,uDS≠0→iD↑uDS↑飽和漏電流|UGS(off)|IDSSuDSiD0uDS=uGS-UGS(off)溝道預夾斷uDS↑uDS>uGS-UGS(off)夾斷區(qū)長度iD基本不隨uDS的增加而上升，iD趨于飽和。uDS↑在強電場作用下PN結雪崩擊穿，iD急劇增大。uGS=0VuGS=-4VuGS=-8VuGD=uGS-uDS=UGS(off)第十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日4.1結型場效應管三、JFET的特性曲線及參數(shù)1.輸出特性iDuDS00-4-1-2-3IDSS可變電阻區(qū)恒流區(qū)擊穿區(qū)截止區(qū)①uGS↓→rds↑②恒流區(qū)（飽和區(qū)）③擊穿區(qū)④截止區(qū)（全夾斷區(qū)）uDS=uGS-UGS(off)uGS可變電阻區(qū)GNP+P+DSJFET正常放大作用區(qū)域線性放大區(qū)

BUDSP140表4．1N溝道JFET各工作區(qū)的條件

uGS≤UGS(off)uDS<uGS-UGS(off)uDS>uGS-UGS(off)第十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日2.轉移特性0(當UGS(off)<uGS<0)iDuGSuDSiD00-3-2uGS=-1-3-2-1在恒流區(qū)

IDSSUGS(off)第十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日3.主要參數(shù)（1）夾斷電壓UGS(off)：實測時，令uDS為某一固定值（10V），使iD0時，柵源之間所加的電壓，uGS=UGS(off)。（2）飽和漏電流IDSS：uGS=0時，-uDS=UGS(off)。uGS=0，當uDS>|UGS(off)|（10V）時的漏極電流。IDSS是JFET能輸出的最大電流。飽和漏電流IDSS|UGS(off)|uDSiD0uGS=0VuGS=-4VuGS=-8VuGD=uGS-uDS=UGS(off)uDS=uGS-UGS(off)第十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日GNP+P+DS（3）直流輸入電阻RGS：在漏源間短路的情況下，柵源間加一定的反偏電壓時的柵源直流電阻。（4）輸出電阻rd：反映了漏源電壓對漏極電流的影響。在恒流區(qū)，iD隨uDS改變很小，所以rd的數(shù)值很大，在幾十千歐到幾百千歐之間。GDSNuGSiDP+P+uDS|UGS(off)|uDSiD0uGS=0VuGS=-4VuGS=-8V恒流區(qū)第十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日（5）低頻跨導gm：uDS為常數(shù)時，漏極電流的微變量與引起這個變化的柵源電壓的微變量的比。反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力，gm可以在轉移特性曲線上求得，單位是mS(毫西門子)。GSoffGSGSDSSmduUuIdg12)(-=)()(12offGSoffGSGSDSSUUuI-=第二十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日（7）最大柵源電壓BUGS：輸入柵源間PN結的反向電流開始急劇增加的uGS值。（8）最大耗散功率PDM：JFET的瞬時耗散功率等于uDS和iD的乘積，即pD＝uDSiD

（6）最大漏源電壓BUDS：發(fā)生雪崩擊穿，iD開始急劇上升時的uDS值。IDSS越負，BUDS越小。第二十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日1、轉移特性曲線：ID=f（UGS）|UDS=常數(shù)ID(mA)UGS(V)0UGS(off)IDSS三、特性曲線第二十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日2、漏極特性曲線：ID=f（UDS）|UGS=常數(shù)恒流區(qū)擊穿區(qū)截止區(qū)線性放大區(qū)

iDuDS00-4-1-2-3IDSSuGSBUDS可變電阻區(qū)放大區(qū)擊穿區(qū)線性放大區(qū)

uCEiC0iB飽和區(qū)截止區(qū)第二十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日3、漏極特性、轉移特性曲線間的聯(lián)系IDUDS00-5-7-2-3-4-6-4-20UGSIDIDSS第二十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日恒流區(qū)擊穿區(qū)截止區(qū)線性放大區(qū)

iDuDS00-4-1-2-3IDSSuGSBUDS可變電阻區(qū)判斷N溝道JFET工作區(qū)uGS當uDSuDS=uGS-UGS(off)uDS<uGS-UGS(off)uDS>uGS-UGS(off)uGS≤UGS(off)截止區(qū)uGS>UGS(off)可變電阻區(qū)預夾斷恒流區(qū)uDS>BUDS擊穿區(qū)第二十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日例4．1設N溝道JFET的UGS（off）=-4V，試分析圖中的JFET各工作在哪個區(qū)?

DGS10V-5VDGS7V-3V解：圖(a)：uDS圖(a)uGS=10V為正極性=-5VuGS<UGS（off）所以溝道處于全夾斷狀態(tài)。即圖(a)的JFET工作在截止區(qū)。

圖(b)

uGS=-3V>UGS（off）

所以導電溝道存在。又知uDS=7V，uGS-UGS（off）=1V，滿足uDS>uGS-UGS（off）所以漏端的溝道已被部分夾斷，圖(b)的JFET工作在恒流區(qū)(放大區(qū))

DGS0.5V圖(c)

uGS=0V，滿足uGS>UGS（off），所以導電溝道存在又因為uDS=0．5V，uGS

-UGS（off）=4V，滿足uDS<uGS-UGS（off）所以漏源之間存在連續(xù)溝道，圖(c)的JFET工作在可變電阻區(qū)

第二十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日作業(yè)：P1654.1(UGS(off)=-4V)第二十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日場效應管的分類：結型FET（JFET）：MOSFET（IGFET）：N溝道、P溝道增強型：耗盡型：N溝道、P溝道N溝道、P溝道106～109Ω

絕緣柵型場效應管（MOSFET）1015Ω

增強型N溝道MOS管（E型NMOSFET）

增強型P溝道MOS管（E型PMOSFET）

耗盡型N溝道MOS管（D型NMOSFET）

耗盡型P溝道MOS管（D型PMOSFET）

第二十八頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日1·4·2絕緣柵型場效應管（MOSFET）一、N溝道增強型MOSFET（一）結構和符號P型襯底GB○○○○GDSB襯底引線

絕緣層SiO2

N+N+SD柵極與其他兩個電極是相互絕緣的

箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)

iGiG=0間斷線表示柵源電壓uGS=0時，F(xiàn)ET內部不存在導電溝道第二十九頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日（二）工作原理1、UGS=0P型襯底GB襯底引線

N+N+SD漏源間沒有導電的溝道，iD=0

第三十頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日P型襯底GBN+N+SD（二）工作原理(1)導電溝道的形成

uGS>0uGSuGS增大到某一個值時

反型層反型層是N型半導體層

開啟電壓UGS（th）uGS<UGS（th）全夾斷狀態(tài)

UGS=UGS(th)時，導電溝道開始形成第三十一頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日N+P型襯底GBN+SDuGSuGS>uGS(th)uGS↑→導電溝道↑uGB↑→rDS↓第三十二頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日(2)iD和導電溝道隨uGS和uDS的變化

N+P型襯底GBN+SDuGSuDSuGS=常數(shù)>UGS（th）

電位S←D低←高寬←窄

S←D有導電溝道的條件uGD>UGS（th）

uGD=uGS-uDS

>UGS（th）

uDS<uGS-UGS（th）uDS↑→rDS↑(慢)→iD↑iDuDSiDOAuDS↑導電溝道開始形成uGD=uGS-uDS=UGS（th）

導電溝道開始夾斷uGD=uGS-uDS=UGS（th）

uDS=uGS-UGS（th）

預夾斷uDS=uGS-UGS（th）預夾斷后

預夾斷uDS>uGS-UGS（th）

uDS↑預夾斷后△uDS幾乎都降落在夾斷區(qū)上，而未夾斷溝道中的電壓基本維持不變。

iD幾乎不變略有增大uDS↑→反向擊穿SDuDSuGS-uDS<UGS（th）

uGD=B溝道部分夾斷

第三十三頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日3．輸出特性曲線

uDSiD0uGS=5VuGS=4VuGS=3VuGS=2VuGS=UGS(th)截止區(qū)uGS>uGS(th)N+P型襯底GBN+SDuGS→導電溝道↑uGS↑→rDS↓uDS→iD

↑預夾斷曲線uDS=uGS-UGS（th）

uDS=uGS-UGS(off)uGSiDuDS00-4-1-2-3uGS=UGS(off)uGS=UGS(th)第三十四頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日4.1結型場效應管三、E型NMOSFET的輸出特性曲線

1.輸出特性iDuDS05432可變電阻區(qū)恒流區(qū)擊穿區(qū)截止區(qū)①uGS↓→rds↑②恒流區(qū)（飽和區(qū)）③擊穿區(qū)④截止區(qū)（全夾斷區(qū)）uDS=uGS-UGS(th)uGS可變電阻區(qū)MOSFET正常放大作用區(qū)域線性放大區(qū)

BUDSuGS≤UGS(th)uDS<uGS-UGS(th)uDS>uGS-UGS(th)UGS(th)P145

表4．2

第三十五頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日2.轉移特性0iDuGSuDSiD0523uGS=42345IDO第三十六頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日轉移特性曲線

E型NMOSFET0iDuGSIDSSUGS(off)(當UGS(off)<uGS<0)0iDuGSIDOUGS(th)NJFET第三十七頁，共四十五頁，編輯于2023年，星期日例4．2一N溝道增強型MOSFET的UGS（th）=2V，當uDS=0．5V，uGS=3V時，iD=lmA，試問該MOSFET工作在什么區(qū)?此時，漏源間的電阻RDS=?

uGS當uDSiDuDS05432可變電阻區(qū)恒流區(qū)擊穿區(qū)截止區(qū)uGS線性放大區(qū)

BUDSUGS(th)uDS=uGS-UGS(th)uDS<uGS-UGS(th)uDS>uGS-UGS(th)uGS≤UGS(th)截止區(qū)uGS>UGS(th)可變電阻區(qū)預夾斷恒流區(qū)uDS>BUDS擊穿區(qū)uGS=3V>UGS（th）=2VuDS=0．5V，uGS-UGS（th）=1V滿足uDS<uGS-UGS（th）

N溝道MOSFET工作在可變電阻區(qū)

第三