第三章 场效应管

3.1 MOS 场效应管

3.2 结型场效应管

3.3 场效应管应用

3.1 场效应管 BJT 是一种电流控制元件 (iB~ iC) ，工作时，多数载流子

和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。

增强型

耗尽型

N 沟道P 沟道N 沟道P 沟道

N 沟道P 沟道

FET 分类：

绝缘栅场效应管

结型场效应管

场效应管（ Field Effect Transistor 简称 FET ）是一种电压控制器件 (uGS~ iD) ，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。

FET 因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。

一 . 绝缘栅场效应三极管 绝缘栅型场效应管 ( Metal Oxide Semiconductor FET) ，简称 MOSFET 。分为： 增强型 N 沟道、 P 沟道 耗尽型 N 沟道、 P 沟道

1.N 沟道增强型 MOS 管 （ 1 ）结构 4 个电极：漏极 D ，源极 S ，栅极 G 和 衬底 B

。-

-

-

-

g

s

d

b符号：

--

-

-

N + +N

P³Äµ×

s g d

b

Ô´¼« Õ¤¼« ©¼«

³Äµ×

当 uGS ＞ 0V 时→纵向电场

→ 将靠近栅极下方的空穴向下排斥→耗尽层。

（ 2 ）工作原理

当 uGS=0V 时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在d 、 s 之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。

再增加 uGS→ 纵向电场↑

→ 将 P 区少子电子聚集到P 区表面→形成导电沟道，

如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流 id 。

① 栅源电压 uGS 的控制作用

--

-

P³Äµ×

s

g

N +

b

dVDD

二氧化硅

+N

- --

s

二氧化硅

P³Äµ×

g

DDV

+N

d

+

b

N

VGG

i d

定义： 开启电压（ UT ）——刚刚产生沟道所需的

栅源电压 UGS 。

N 沟道增强型 MOS 管的基本特性： uGS ＜ UT ，管子截止，

uGS ＞ UT ，管子导通。

uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压 uDS 作

用下，漏极电流 ID 越大。

② 漏源电压 uDS 对漏极电流 id 的控制作用

当 uGS ＞ UT ，且固定为某一值时，来分析漏源电压 VDS 对漏极电流 ID 的影响。（设 UT=2V ， uGS=4V ）

（ a ） uds=0 时， id=0。（ b ） uds ↑→id↑ ； 同时沟道靠漏区变窄。

（ c ）当 uds 增加到使 ugd=UT 时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。（ d ） uds 再增加，预夹断区加长， uds 增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， id 基本不变。

- --

s

二氧化硅

P³Äµ×

g

DDV

+N

d

+

b

N

VGG

i d-

--

二氧化硅

N

i

s

d

N

V

b

++

DD

dV

P³Äµ×

GG g-

--

GG

b

Vd

二氧化硅

s

i

N

g

DD

+

d

P³Äµ×

V

N +

---

P³Äµ×

d

+

d

DDVs

+

二氧化硅

N N

b

iGGV g

（ 3 ）特性曲线

四个区：（ a ）可变电阻区

（预夹断前）。

① 输出特性曲线： iD=f(uDS)uGS=const

i

(V)

(mA)D

DSu

GS =6Vu

u =5VGS

=4Vu GS

u =3VGS

（ b ）恒流区也称饱和 区（预夹断

后）。 （ c ）夹断区（截止区）

。 （ d ）击穿区。

可变电阻区 恒流区

截止区

击穿区

② 转移特性曲线： iD=f(uGS)uDS=const

可根据输出特性曲线作出移特性曲线。例：作 uDS=10V 的一条转移特性曲线：

i (mA)D

GS =6Vu

u =5VGS

=4Vu GS

u =3VGSu

DS (V)

Di (mA)

10V

1

2

3

4

1

4

3

2

(V)uGS

2 4 6

UT

一个重要参数——跨导 gm ：

gm=iD/uGS uDS=const ( 单位 mS)

gm 的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 在转移特性曲线上， gm 为的曲线的斜率。 在输出特性曲线上也可求出 gm 。

1

(mA)

DSu

=6V

=3V

u

uGS (V)

1

D

6

2

4

i

4

3=5V

(mA)

2

4

3

i D

GS

2

10V(V)

¡÷ u GSi¡÷ D

GSu¡÷

i¡÷ D

2.N 沟道耗尽型 MOSFET

特点： 当 uGS=0 时，就有沟道，加

入 uDS ，就有 iD 。

当 uGS ＞ 0 时，沟道增宽，iD 进一步增加。

当 uGS ＜ 0 时，沟道变窄，iD 减小。

在栅极下方的 SiO2 层中掺入了大量的金属正离子。所以当 uGS=0 时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。

定义： 夹断电压（ UP ）——沟道刚刚消失所需的栅源电压 uGS

。

-

-

--g ©¼«s

+N

³Äµ×

P³Äµ×

Ô´¼« dÕ¤¼«

b

N

+ +++ ++++++ + +

-

-

- -

s

b

g

d

N 沟道耗尽型 MOSFET 的特性曲线输出特性曲线 转移特性曲线

1GSu

0

1

D

(V)-1 2-2

(mA)

4

3

2

i

4

2

u

u

3

10V

=+2V

1

DS

GS

D (mA)i

= -1V

u

GS

GS

GS =0V

=+1V

u

u

(V)= -2V ＝ U

P

GSu

UP

3 、 P 沟道耗尽型 MOSFET

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。

4. MOS 管的主要参数

（ 1 ）开启电压 UT

（ 2 ）夹断电压 UP

（ 3 ）跨导 gm ： gm=iD/uGS uDS=const

（ 4 ）直流输入电阻 RGS —— 栅源间的等效

电阻。由于 MOS 管栅源间有 sio2 绝缘层，输入电阻可达 109 ～ 1015 。

本章小结1 ．半导体材料中有两种载流子：电子和空穴。电子带负电，空穴带正电。在纯净半导体中掺入不同的杂质，可以得到 N 型半导体和 P 型半导体。2 ．采用一定的工艺措施，使 P 型和 N 型半导体结合在一起，就形成了 P

N 结。 PN 结的基本特点是单向导电性。3 ．二极管是由一个 PN 结构成的。其特性可以用伏安特性和一系列参数来描述。在研究二极管电路时，可根据不同情况，使用不同的二极管模型。4 ． BJT 是由两个 PN 结构成的。工作时，有两种载流子参与导电，称为双极性晶体管。 BJT 是一种电流控制电流型的器件，改变基极电流就可以控制集电极电流。 BJT 的特性可用输入特性曲线和输出特性曲线来描述。其性能可以用一系列参数来表征。 BJT 有三个工作区：饱和区、放大器和截止区。6 ． FET 分为 JFET 和 MOSFET 两种。工作时只有一种载流子参与导电，因此称为单极性晶体管。 FET 是一种电压控制电流型器件。改变其栅源电压就可以改变其漏极电流。 FET 的特性可用转移特性曲线和输出特性曲线来描述。其性能可以用一系列参数来表征。