g +
vgs gmvgs
s
ic
d +
rds vds
-
ib
b
+
vbe rbe
-
gmvbe
e
ic
c +
rce vce
-
▪ 由于场效应管IG0，所以输入电阻rgs 。 而三极管发射结正偏，故输入电阻rbe较小。
▪ rds为场效应管输出电阻： rds1/(IDQ) 与三极管输出电阻表达式 rce1/(ICQ) 相似。
• MOS管仅依靠一种载流子（多子）导电，故 称单极型器件。
• 三极管中多子、少子同时参与导电，故称双 极型器件。
伏安特性
由于MOS管栅极电流 为零，故不讨论输入特 性曲线。
共源组态特性曲线：
IG0 VG+-S
ID
+
T VDS
-
输出特性： ID= f ( VDS ) VGS = 常数 转移特性： ID= f ( VGS ) VDS = 常数 转移特性与输出特性反映场效应管同一物理过程， 它们之间可以相互转换。
DMOS
P
D
ID
U G
S
P沟道 DMOS
VGS=0时，导电沟道已存在
S U
G
D
N+
P+
P+
N
沟道线是实线
D
ID
U G
S
NDMOS管伏安特性
ID/mA VDS = VGS –VGS(th) VGS =1V
ID/mA
0. 5V
0V
-0. 5V
- 1V -1. 5V
0
-1. 8V
VDS /V
VGS(th)
IB
-
-
S
S
E
▪ 场效应管G、S之间开路 ，IG0。
三极管发射结由于正偏而导通，等效为VBE(on) 。
▪ FET输出端等效为压控电流源，满足平方律方程：
ID C 2 O lW X(VGS VGS()t2h)
三极管输出端等效为流控电流源，满足IC= IB 。
3.1.4 小信号电路模型
MOS管简化小信号电路模型(与三极管对照)
S -VGS + G
D
S -VGS + G
D
U
U
P+
N+
N+ A
P
P+
N+
N+
A P
▪ 若VDS 继续→A点左移→出现夹断区
此时
VAS =VAG +VGS =-VGS(th) +VGS （恒定）
若忽略沟道长度调制效应，则近似认为l 不变（即Ron不变）。 因此预夹断后： VDS →ID 基本维持不变。
N沟道EMOSFET结构示意图
衬底极
电路符号
源极
US
金属栅极
GD W
D
G S
P+
U
N+
N + P+
l
P
沟道长度
பைடு நூலகம்
漏极
沟道 宽度
SiO2 绝缘层
P型硅 衬底
N沟道EMOS管工作原理
➢ N沟道EMOS管外部工作条件
• VDS > 0 (保证栅漏PN结反偏)。 • U接电路最低电位或与S极相连(保证源衬PN结反偏)。
工作在饱和区时，MOS管的正向受控作用，服 从平方律关系式：
ID nC 2O lW X(VGS VGS()2 th)
若考虑沟道长度调制效应，则ID的修正方程：
ID nC 2O lW X(VG SVGS)(2th1)V V D AS
nC 2 O lW X(V G S V GS)2 (1 t h)V DS
|VGS| > |VGS(th) | ， |VDS | < | VGS – 非饱和区（可变电阻区VG）S(数th) 学| 模型
ID nC lOW X(V GS V GS)(V tD h)S
FET直流简化电路模型(与三极管相对照)
ID
IG0
DG
+
ID
IB
DB
+
IC
C
G
VGS ID(VGS )
VBE(on)
估算法
场效应管估算法分析思路与三极管相同，只是由 于两种管子工作原理不同，从而使外部工作条件有 明显差异。因此用估算法分析场效应管电路时，一 定要注意自身特点。
▪ MOS管截止模式判断方法
+VDS -
S +VGS- G
D
U
N+
P+
P+
D ID
U G
N
S
N沟道EMOS管与P沟道EMOS管工作原理相似。 不同之处：电路符号中的箭头方向相反。
外加电压极性相反、电流ID流向相反。 即 VDS < 0 、VGS < 0
3.1.2 耗尽型MOS场效应管
DMOS管结构
S U
G
D
N沟道
P+
N+
N+
U
P+
N+
P
反型层
D
N+
VGS 开启电压VGS(th) 表面层 n>>p 形成N型导电沟道
VGS越大，反型层中n 越多，导电能力越强。
• VDS对沟道的控制（假设VGS > VGS(th) 且保持不变）
-VDS +
-VDS +
S -VGS + G
D
S -VGS + G
D
U
U
P+
N+
N+
P+
N+
N+
第三章 场效应管
3.1 MOS场效应管 3.2 结型场效应管 3.3 场效管应用原理
概述
场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件。 它体积小、工艺简单，器件特性便于控制，是目前 制造大规模集成电路的主要有源器件。
场效应管分类： MOS场效应管
结型场效应管
场效应管与三极管主要区别：
• 场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。 • 场效应管是单极型器件（三极管是双极型器件）。
MOS管保护措施： 分立的MOS管：各极引线短接、烙铁外壳接地。
MOS集成电路：
D1 D2
T D1 D2一方面限制VGS间 最大电压，同时对感 生
电荷起旁路作用。
➢ NEMOS管转移特性曲线
转移特性曲线反映VDS为常数时，VGS对ID的控制作 用,可由输出特性转换得到。
ID/mA
VDS = 5V
ID/mA VDS = VGS –VGS(th) VGS =5V
➢ NEMOS管输出特性曲线
非饱和区
ID/mA
沟道预夹断前对应的工作区。
VDS = VGS –VGS(th)
条件： VGS > VGS(th) V DS < VGS–VGS(th)
特点： ID同时受VGS与VDS的控制。 0
VGS =5V
4.5V 4V 3.5V
VDS /V
当VGS为常数时，VDSID近似线性，表现为一种电阻特性；
ID
S NDMOS
ID
S PEMOS
ID
D
ID
U
S PDMOS
ID
0 VGS(th) VGS
VGS(th) 0 VGS
VGS(th) 0 VGS
0 VGS(th VGS
)
饱和区（放大区）外加电压极性及数学模型
▪ VDS极性取决于沟道类型 N沟道：VDS > 0， P沟道：VDS < 0
▪ VGS极性取决于工作方式及沟道类型 增强型MOS管： VGS 与VDS 极性相同。 耗尽型MOS管： VGS 取值任意。
考虑到衬底电压vus对漏极电流id的控制作用，小信 号等效电路中需增加一个压控电流源gmuvus。
id
g
+
vgs
-
gmvgs
gmuvus rds
s
d +
vds
-
gmu称背栅跨导，工程上 gmuviD us Q gm 为常数，一般 = 0.1~ 0.2
MOS管高频小信号电路模型 当高频应用、需计及管子极间电容影响时，应采 用如下高频等效电路模型。
其中： 称沟道长度调制系数，其值与l 有关。 通常 =( 0.005 ~ 0.03 )V-1
截止区
ID=0以下的工作区域。 条件： VGS < VGS(th) 沟道未形成时的工作区
ID/mA VDS = VGS –VGS(th) VGS =5V 4.5V
特点： IG≈0，ID≈0 相当于MOS管三个电极断开。 0
3.1 MOS场效应管
MOSFET
增强型（EMOS） N沟道（NMOS） P沟道（PMOS） N沟道（NMOS）
耗尽型（DMOS） P沟道（PMOS）
N沟道MOS管与P沟道MOS管工作原理相似，不 同之处仅在于它们形成电流的载流子性质不同，因 此导致加在各极上的电压极性相反。
3.1.1 增强型MOS场效应管
▪ 饱和区数学模型与管子类型无关
ID C 2 O lW X(VGS VGS()t2h)
临界饱和工作条件
|VGS| > |VGS(th) |， |VDS | = | VGS – 饱和区（放大区）工作VG条S(件th) |
|VGS| > |VGS(th) |， |VDS | > | VGS – 非饱和区（可变电阻区VG）S(工th) 作| 条件