1.4 场效应晶体管及其直流电路

不同于晶体管是电流控制型器件，场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）是电压控制型器件。场效应晶体管仅靠半导体中的多数载流子导电，又称为单极型晶体管。场效应晶体管既可以实现小信号放大，也可以作为电子开关使用，具有体积小、噪声低、稳定性好、制造工艺简单、易于集成等优点，目前广泛用于大规模和超大规模集成电路的制造。

1.4.1 场效应晶体管的符号和工作原理

目前广泛使用的是金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET），简称MOS管。根据导电沟道中载流子极性的不同，MOS管分为N沟道和P沟道；根据导电沟道是否事先存在，分为增强型和耗尽型。

MOS管有三个电极，源极s（Source）、栅极g（Gate）以及漏极d（Drain），分别与晶体管的发射极e、基极b以及集电极c相对应。此外，场效应晶体管还有一个衬底引脚B，通常与源极s相连。下面以N沟道增强型MOS管为例，介绍MOS管的结构和工作原理。

1.结构和符号

N沟道增强型MOS管的纵向剖面结构如图1-31a所示。它是在P型半导体衬底上制作两个高掺杂的N⁺型区，分别引出源极s和漏极d；在两个N⁺型区之间的P型半导体表面制作一层很薄的二氧化硅绝缘层，引出栅极g；衬底底部引出引线B，通常与源极接在一起。由于二氧化硅绝缘层将栅极与衬底隔离，栅极处于绝缘状态，因此栅极电流基本为零。N沟道增强型MOS管的电路符号如图1-31b所示，符号中的虚线表示在没有栅源电压时漏极与源极之间不存在导电沟道，是增强型MOS管；符号上的箭头方向表示由P衬底指向N沟道，表明是N沟道型MOS管。

2.工作原理

（1）导电沟道的形成

● u_GS=0，没有导电沟道

当栅源短接（栅源电压u_GS=0）时，源区、衬底和漏区形成耗尽层，如图1-32a所示。耗尽层等效为二极管，因此漏源之间可视为两个背靠背的PN结二极管，即使漏源之间加电压，总有一个PN结截止，漏源之间不能形成导电沟道，源极电流i_D=0。

● u_GS≥U_GS（th），出现导电沟道

若u_DS=0，加上正的栅源电压（u_GS＞0），栅极-绝缘层-衬底形成一个“平板电容器”，产生一个由栅极指向P型衬底的电场，使得栅极附近P型衬底中空穴被排斥，从而形成耗尽层，如图1-32b所示。u_GS增大，电场将排斥更多的空穴，耗尽层厚度增加，同时电子被吸引到衬底表面，形成反型层。这个电子薄层连通两个N⁺型区，形成漏极到源极的导电沟道，如图1-32c所示。这种在u_GS=0时没有导电沟道，必须在栅源电压的作用下才能形成导电沟道的MOS管，称为增强型MOS管。通常将开始形成导电沟道的栅源电压u_GS称为开启电压U_GS（th）。可见，N沟道增强型MOS管中U_GS（th）＞0，欲使MOS管导通，需要u_GS≥U_GS（th）。u_GS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小，导电性能越强。

（2）漏源电压u_DS对漏极电流i_D的影响

一旦形成导电沟道，若在漏源之间加正向电压，增强型MOS管将产生漏极电流i_D，方向从漏极流向源极。

● u_DS＜u_GS-U_GS（th），i_D随u_DS的增大而线性增大

当u_DS较小时，即u_DS＜u_GS-U_GS（th），i_D随着u_DS上升而迅速增大。i_D流过导电沟道产生电压降，使漏极到源极电位逐渐降低，加在“平板电容器”上的电压将沿着沟道变化，造成沟道厚度变得不均匀，靠近源极沟道最厚，靠近漏极沟道最薄，如图1-33a所示。

● u_DS≥u_GS-U_GS（th），i_D基本不随u_DS而变化

随着u_DS的增大，u_GD=u_GS-u_DS降低，沟道漏极厚度减小。直到u_DS=u_GS-U_GS（th）时，u_GD=U_GS（th），沟道漏极的反型层消失，如图1-33b所示。如果u_DS继续增大，u_DS＞u_GS-U_GS（th），反型层消失区域延长，如图1-33c所示。以后，u_DS增加的部分主要用于克服夹断区对漏极电流的阻力，因此随着u_DS的上升，i_D基本保持不变。

1.4.2 场效应晶体管的伏安特性和主要参数

场效应晶体管的伏安特性分为输出特性和转移特性。

1.输出特性

场效应晶体管的输出特性是指栅源电压u_GS为一个常数时，漏极电流i_D与漏源电压u_DS之间的函数关系，即

对应每一个u_GS都有一条输出曲线，因此输出特性曲线是一簇曲线。N沟道增强型MOS管的输出特性曲线如图1-34a所示，分别为截止区、恒流区和可变电阻区三个部分。

（1）截止区

u_GS=U_GS（th）以下的区域，称为截止区。当u_GS＜U_GS（th）时，没有形成导电沟道，漏极电流i_D=0，MOS管为截止状态。

（2）恒流区

当u_GS≥U_GS（th）且u_DS＞u_GS-U_GS（th）时，输出曲线平坦的工作区域称为恒流区，又称为放大区。不断增加u_DS，i_D基本不变，i_D可视为一个受电压u_GS控制的电流源。u_DS=u_GS-U_GS（th）时，MOS管处于临界状态，对应点的轨迹为临界线，如输出特性曲线中虚线所示。

（3）可变电阻区

当u_GS≥U_GS（th）且u_DS＜u_GS-U_GS（th）时，临界线左侧区域称为可变电阻区。其特点是u_GS不变，i_D随u_DS增大而线性上升，MOS管漏源之间可看成一个线性电阻。改变u_GS，特性曲线的斜率改变，即线性电阻的阻值改变，所以该区域视为一个受u_GS控制的可变电阻区。

2.转移特性

由于栅极电流为零，故场效应晶体管不存在输入特性，取而代之的是转移特性。转移特性是指在恒流区内漏源电压u_DS为常数时，漏极电流i_D与栅源电压u_GS之间的函数关系，即

转移特性描述的是u_GS对i_D的控制能力，转移特性曲线可以根据输出特性曲线求得。在图1-34a所示的输出特性曲线的恒流区中做一条垂直于横轴的垂线，该垂线与各条输出特性曲线的交点表示场效应晶体管在u_DS为一常数时i_D与u_GS的关系，把各交点的i_D与u_GS值画在i_D～u_GS的坐标系中，连接各点便得到转移特性曲线，如图1-34b所示。可见增强型N沟道MOS管只有当u_GS≥U_GS（th）后，MOS管才导通。

转移特性曲线可以用电流方程来描述，增强型MOS管的电流方程为

式中，I_DO为u_GS=2U_GS（th）时的漏极电流。

耗尽型MOS管，是在MOS管绝缘层预埋大量正离子，即使u_GS=0，衬底表层也会感应出反型层，形成导电沟道，符号中漏极与源极之间用实线连接表示存在原始导电沟道。耗尽型MOS管的u_GS可正可负，改变u_GS可以改变沟道电阻，从而控制i_D。当u_GS改变到一定值，导电沟道消失，i_D=0，此时u_GS称为夹断电压U_GS（off）。

耗尽型MOS管的电流方程可描述为

式中，I_DSS为u_GS=0时的漏极电流，称为饱和漏极电流。

P沟道MOS管与N沟道MOS管具有类似的特性，但是由于导电沟道类型不同，电压u_GS、u_DS极性和电流i_D方向相反，符号中衬底B上的箭头方向相反。

为了便于比较，表1-3中列出了各类MOS管的符号和特性曲线。

MOS管中，载流子总是从提供载流子的源极流向收集载流子的漏极，因此可以归纳出：N沟道MOS管的载流子是带负电的自由电子，形成的漏极电流从漏极流向源极，u_DS、i_D均为正值；P沟道MOS管的载流子是带正电的空穴，漏极电流从源极流向漏极，u_DS、i_D均为负值；增强型MOS管，没有原始沟道，存在一个使沟道从无到有的开启电压U_GS（th）；耗尽型MOS管，有原始沟道，存在一个使沟道从有到无的夹断电压U_GS（off）。

3.场效应晶体管的主要参数

（1）夹断电压U_GS（off）

u_DS一定时，使i_D减小到某一个微小电流时所需要的栅源电压，称为夹断电压U_GS（off）。它是耗尽型MOS管的参数。

（2）开启电压U_GS（th）

u_DS一定时，使i_D达到某一个微小电流时所需要的栅源电压，称为开启电压U_GS（th）。它是增强型MOS管的参数。

（3）饱和漏极电流I_DSS

u_GS=0时，u_DS＞u_GS-U_GS（off）时所对应的漏极电流，称为饱和漏极电流I_DSS。

（4）直流输入电阻R_GS

R_GS是栅源电压与栅极电流的比值。由于场效应晶体管的栅极几乎不取电流，所以其输入电阻很大，MOS管的R_GS大于10⁹Ω。

（5）低频跨导g_m

当u_DS一定时，i_D与u_GS的变化量之比称为低频跨导，即

g_m反映了栅源电压u_GS对漏极电流i_D的控制能力，g_m越大表示u_GS对i_D的控制能力越强。g_m的单位是S（西门子）或mS（豪西门子），一般g_m数值约为0.1至20 mS。

（6）最大耗散功率P_DM

场效应晶体管的耗散功率转化为热能，使管子温度升高，为了限制温度，就要求耗散功率不能超过P_DM。P_DM决定场效应管所允许的温升，型号确定的场效应管的P_DM是一个确定值。

（7）击穿电压

晶体管进入恒流区后，使i_D急剧上升（发生雪崩击穿）时的u_DS值，称为漏源击穿电压U_（BR）DS。u_DS超过U_（BR）DS后，管子会损坏。栅源间的反向电流急剧增大时的u_GS，即使栅极与沟道之间的绝缘层击穿的栅源电压，称为栅源击穿电压U_（BR）GS。

4.场效应晶体管与晶体管的比较

场效应晶体管与晶体管都是最基本的半导体器件，将两者相比较，其差别和特点如下。

1）场效应晶体管的栅极g、漏极d和源极s对应于晶体管的基极b、集电极c和发射极e。两类器件在恒流区的输出特性曲线相似，但是导电机理却不同。场效应晶体管只有一种载流子（多子）参与导电，是一种单极型器件，具有噪声小、温度稳定性好、抗辐射能力强的特点。晶体管中有两种载流子（多子和少子）同时参与导电，是一种双极型器件，易受温度、辐射等外界因素的影响。

2）场效应晶体管是一种电压控制型器件，在场效应晶体管的恒流区，漏极电流i_D的大小受栅源电压u_GS的控制。而晶体管是一种电流控制型器件，在晶体管的恒流区，集电极电流i_C的大小受基极电流i_B的控制。

3）场效应晶体管的栅极电流极小，输入电阻很大（MOS管输入电阻为10⁹Ω以上，高的可达10¹⁵Ω），因此场效应晶体管适合高输入电阻的输入级。晶体管的基极总要索取一定的电流，发射结处于正向偏置，输入电阻一般为几千欧的数量级，适合信号源提供一定电流的电路。

4）场效应晶体管集成度高、种类多、选择余地大，且具有工艺简单、功耗低、工作电源电压范围宽等优点，已成为当今集成电路的主流器件，在超大规模集成电路以及微波毫米波电路中得到广泛的应用。晶体管主要用在模拟集成电路和中、小规模数字集成电路中。

【例1-15】 已知某场效应晶体管的输出特性曲线如图1-35所示。试确定场效应晶体管的类型（N沟道、P沟道、增强型、耗尽型），分别求出它的U_GS（th）或U_GS（off）、I_DO或I_DSS的值。

解：由输出特性可见，产生i_D时，u_GS为单一极性且u_GS＞2 V，可知该晶体管为增强型MOS管，开启电压为U_GS（th）=2V＞0，说明该晶体管为N沟道MOS管。因此，该MOS管为N沟道增强型MOS管。u_GS=2U_GS（th）=4时，i_D=2 mA，所以I_DO=2 mA。

【例1-16】 场效应晶体管电路如图1-36所示。已知R_d=3 kΩ，R_g=1 MΩ，当U_DD逐渐增大时，R_d两端电压也不断增大，但当U_DD≥20 V后，R_d两端电压固定为15 V，不再增大。试求该管的U_GS（th）和I_DO。

解：该场效应晶体管为N沟道增强型MOS管。

根据题意，当U_DD＜20 V时，随着U_DD的增大R_d两端电压不断增大，说明MOS管工作在可变电阻区；而当U_DD≥20 V后，R_d两端电压固定为15 V，说明漏极电流变为恒流，MOS管进入恒流区。因此，U_DD=20 V是可变电阻区与恒流区的交界点，此时MOS管的U_DS=U_GS-U_GS（th）。

由图1-36可知，U_DS=20 V-15 V=5 V，U_GS=10 V

那么，U_GS（th）=U_GS-U_DS=5 V

恒流区的漏极电流

根据增强型MOS管的电流方程，有。

1.4.3 场效应晶体管直流电路分析

由场效应晶体管的伏安特性曲线可知，场效应晶体管直流工作时，可能工作在三个区域：恒流区、可变电阻区和截止区。同样，在场效应晶体管应用电路分析中，首要问题是场效应晶体管工作状态分析和直流电路计算。

1.场效应晶体管的工作状态分析

由场效应晶体管的工作原理和伏安特性曲线可知，栅源电压U_GS决定了有无沟道，漏源电压U_DS决定了是否产生夹断，那么根据U_GS和U_DS的大小，就可判断场效应晶体管的工作区域。

场效应晶体管为N沟道增强型MOS管时，首先比较U_GS与开启电压U_GS（th）的大小。若U_GS＜U_GS（th），导电沟道不存在，MOS管工作在截止区。若U_GS≥U_GS（th），MOS管导通，需要比较U_DS与U_GS-U_GS（th）大小。如果U_DS＞U_GS-U_GS（th），MOS管工作在恒流区；如果U_DS＜U_GS-U_GS（th），MOS管工作在可变电阻区。若是N沟道耗尽型MOS管，U_GS和U_DS比较对象分别为U_GS（off）和U_GS-U_GS（off）。此外，P沟道MOS管电压极性与N沟道相反，故判定场效应晶体管的工作区域并比较电压时，只需将符号“＞”和“＜”互换，结论仍成立。

【例1-17】 图1-37所示各场效应晶体管的|U_GS（th）|，|U_GS（off）|均为1 V，试分析场效应晶体管的工作区域。

解：a）该晶体管为N沟道增强型MOS管，U_G=2 V，U_D=6 V，U_S=0 V。故U_GS（th）=1 V，U_GS=2 V-0 V=2 V＞U_GS（th），说明MOS管导通；又U_DS=6 V-0 V=6 V，U_GS-U_GS（th）=2 V-1 V=1 V，即U_DS＞U_GS-U_GS（th），说明该晶体管工作在恒流区。

b）该晶体管为N沟道耗尽型MOS管，U_G=2 V，U_S=0 V，U_D=2V。故U_GS（off）=-1 V，U_GS=2 V＞U_GS（off），说明MOS管导通；又U_DS=2 V，U_GS-U_GS（off）=2 V-（-1）V=3 V，即U_DS＜U_GS-U_GS（off），说明该晶体管工作在可变电阻区。

c）该晶体管为P沟道耗尽型MOS管，U_G=2 V，U_S=0 V，U_D=-3 V。故U_GS（off）=1 V，U_GS=2 V＞U_GS（off），说明MOS管工作在截止区。

d）该晶体管为P沟道增强型MOS管，U_G=2 V，U_S=0 V，U_D=-1 V。故U_GS（th）=-1 V，U_GS=2 V＞U_GS（th），说明MOS管工作在截止区。

2.场效应晶体管直流电路分析

场效应晶体管构成放大电路时，首要问题仍然是直流偏置问题，即仅有直流电源作用时，场效应晶体管放大电路需要工作在恒流区，有合适的静态工作点。对场效应晶体管直流电路进行静态分析，得到放大电路的栅源电压U_GSQ、漏极电流I_{D Q}和管压降U_{DS Q}。

场效应晶体管直流电路，如图1-38所示。MOS管栅极电流为零，R_G中无电流流过，电源U_DD经电阻R_G1、R_G2分压后，通过电阻R_G供给栅极电压U_G，同时漏极电流在源极电阻R_S上产生电压降U_S，因此该电路称为分压式偏置电路。

栅极电位U_G等于电阻R_G1上的分压，即

栅源电压

可见，改变R_G1、R_G2、R_S就能改变电路的偏压U_GSQ，改变电路的静态工作点。

增强型MOS管在恒流区满足电流方程（1-30），联立式（1-33）和式（1-30），求解出I_DQ和U_GSQ，注意舍去不合理的解（增强型MOS管，U_GS≥U_GS（th））。当U_GSQ和I_DQ都确定后，可得管压降U_DSQ。

【例1-18】 已知场效应晶体管电路如图1-38所示，场效应晶体管的参数U_GS（th）=2 V，I_DO=1.8 mA，电路中U_DD=15 V，R_G1=200 kΩ，R_G2=300 kΩ，R_G=10 MΩ，R_S=2.5 kΩ，R_D=5kΩ，试计算该电路的静态工作点。

解：由电路可得，×15 V-2.5 kΩ×I_DQ

场效应晶体管为增强型MOS管，故有

解方程得I_DQ=1 mA，U_GSQ=3.5 V（另有增根U_GSQ=-0.4 V＜U_GS（th），不合理，舍去）

所以，U_DSQ=U_DD-I_DQ（R_D+R_S）=[15-1×（5+2.5）] V=7.5 V。

1.4.4 场效应晶体管开关电路

MOS管由于其静态功耗低、体积小、易于集成等优点，在数字集成电路中应用广泛。从实现基本逻辑运算的集成逻辑门到高度复杂的CPU、存储器、数字影像感光器，到处都能见到其身影。通常只有增强型的MOS管才能作为开关使用。

1.CMOS非门电路

图1-39是由增强型NMOS管和PMOS管构成的非门电路。输入高电平时，U_I=+U_DD，NMOS管的U_GS=+U_DD，管子导通，相当于开关闭合；PMOS管的U_GS=0，管子截止，相当于开关打开，此时输出端接地，U_O=0。输入低电平时，U_I=0，NMOS管的U_GS=0，NMOS管截止；PMOS管的U_GS=-U_DD，PMOS导通，相当于开关闭合，此时输出端接U_DD，U_O=U_DD，输出电压为高电平。可见，该电路输入低电平时，输出为高电平；输入高电平时，输出为低电平，电路具有非门功能，可实现非运算。

这类由NMOS管和PMOS管成对构成，且NMOS管和PMOS管工作状态总是一个导通、另一个截止的电路结构称为互补对称式MOS（Complementary Symmetry MOS）电路，简称CMOS电路。在分析CMOS门电路时，可以由NMOS管的工作状态，推出PMOS管的状态，从而简化电路分析过程。

2.CMOS与非门

图1-40所示电路是CMOS与非门，电路中两个NMOS管VT₁和VT₃串联，两个PMOS管VT₂和VT₄并联。只有串联的VT₁和VT₃都导通时，输出端才接地。两个数字信号输入端U_I1和U_I2，其四种输入组合中，仅当两个输入都是高电平时，VT₁和VT₃才都导通，同时VT₂和VT₄都截止，U_O=0，输出低电平。当两个输入信号U_{I 1}和U_{I 2}有低电平时，与该输入端连接的NMOS管截止，相应PMOS管导通，输出端接电源，U_O=U_DD，输出高电平。综上所述，电路特点为：全1出0，有0出1，实现与非功能，电路为CMOS与非门。

3.CMOS或非门

图1-41所示电路是CMOS或非门，电路中两个NMOS管VT₁和VT₃并联，两个PMOS管VT₂和VT₄串联。仅当两输入信号U_I1和U_I2都为低电平，VT₂和VT₄才都导通，U_O=U_DD，输出高电平。当两个输入信号U_{I 1}和U_{I 2}有高电平时，相应NMOS管导通、PMOS管截止，输出端接地，U_O=0，输出低电平。可见电路特点是，全0出1，有1出0，实现或非功能，电路为CMOS或非门。