场效应管讲解

1、场效应管与双极型晶体管不同，场效应管与双极型晶体管不同，它只有一种载流子导电它只有一种载流子导电（电子或空穴，多子）导电，也称为单极型器件。（电子或空穴，多子）导电，也称为单极型器件。特点：输入阻抗特点：输入阻抗高，温度稳定性好。高，温度稳定性好。结型场效应管结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOS场效应管有两种场效应管有两种:N沟道沟道P沟道沟道耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型N沟道沟道P沟道沟道5 场效应管放大电路场效应管放大电路5.1 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管(MOS管管):PP型基底型基底SiO2绝缘层绝缘层金属铝金属铝+ + + + +- - -

2、 - - -电子反型层电子反型层MOS电容E+ + + + + PP型基底型基底SiO2绝缘层绝缘层 金属铝金属铝- - - - - -电子反型层电子反型层掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+一、结构和电路符号一、结构和电路符号PNNGSDP型基底型基底两个两个N区区SiO2绝缘层绝缘层导电沟道导电沟道金属铝金属铝GSDN沟道增强型沟道增强型N 沟道耗尽型沟道耗尽型PNNGSD予埋了导予埋了导电沟道电沟道 GSDNPPGSDGSDP 沟道增强型沟道增强型P 沟道耗尽型沟道耗尽型NPPGSDGSD予埋了导予埋了导电沟道电沟道 VGS控制控制沟道宽窄沟道宽窄1. 开启开启沟道沟道增强型MOS管二、

3、二、MOS管的工作原理管的工作原理以以N 沟道增强型沟道增强型为例为例 2沟道变形VDS控制沟道形状可变可变电阻区电阻区饱和区饱和区截止区截止区预夹断临界点轨迹预夹断临界点轨迹vDS=vGS-VTvGD=vGS-vDS=VT1) 截止区vGSVT, iD=0 输出特性曲线iD=f(vDS)vGS=const可变可变电阻区电阻区饱和区饱和区截止区截止区转移特性曲线预夹断临界点轨迹预夹断临界点轨迹vDS=vGS-VT2) 可变电阻区vDSvGS-VT 3)饱和区vDSvGS-VT22()2DnGSTDSDSnoxnvWCKKvLivV电导常数（单位mA/V2） P203 (5.1.3) 22220

4、()(1)(1)GSGSDnGSTnTDTTvviKvVK VIVVP203 (5.1.6)三、三、耗尽型耗尽型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线耗尽型的耗尽型的MOS管管vGS=0时就有导电沟道，加反向时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。电压才能夹断。转移特性曲线转移特性曲线0iDvGSVP输出特性曲线输出特性曲线iDvDS0vGS=0vGS0四、四、说明：说明：（1）MOS管有四种基本类型；（2）增强型的MOS管的vGS必须超过一定的值以使沟道形成； 耗尽型的MOS管使形成沟道的vGS可正可负；（3）MOS管的输入阻抗特别高（4）衡量场效应管的放大能力用跨导 单位：msDSGSDmV

5、VIg2() (5.1.18)mnGSTgKvVGGSDCGSIVR)(五五、MOS管的有关问题管的有关问题（2）交流参数低频跨导：极间电容：栅源电容CGS，栅漏电容CGD，漏源电容CDS（3）极限参数 最大漏极电流IDM，最大耗散功率P0M，漏源击穿电压V(BR)DS栅源击穿电压VBR)GS1、主要参数（1）直流参数开启电压VT指增强型的MOS管夹断电压VP指耗尽型的MOS管零栅压漏极电流IDSS直流输入电阻： 通常很大10101015左右三三 极极 管管场场 效效 应应 管管导电机构双极性器件单极性器件导电方式载流子的扩散与漂移漂移控制方式电流控制电压控制类 型NPN 型、PNP 型P、N

6、 沟道，增强、耗尽型放大参数=30100gm=16ms输入电阻1021041071015抗辐射能力差好噪 声大小热稳定性差好制造工艺复杂简单、成本低；便于集成灵活性C、E 不能互换D、S 可以互换五、五、MOS管的有关问题管的有关问题2、场效应管与三极管的比较五五、MOS管的有关问题管的有关问题3、使用注意事项（1）结型场效应管的栅源电压不能接反，但可在开路状态下保存；（2）MOS管在不使用时，须将各个电极短接；（3）焊接时，电烙铁必须有外接地线，最好是断电后再焊接；（4）结型场效应管可用万用表定性检测管子的质量，而MOS管必须用专门的仪器来检测；（5）若用四引线的场效应管，其衬底引线应正确连

7、接；G(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极1、结构、结构5.2 结型场效应管结型场效应管(JFET)扩散情况：NPNNNPP基底基底 ：N型半导体型半导体两边是两边是P区区导电沟道导电沟道NPP 一、一、JFET的结构和工作原理的结构和工作原理NPPG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极N沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGS符号符号栅极上的箭头表示栅极电流的方向（由P区指向N区）。结型场效应管代表符号中栅极上的箭头方向，可以确认沟道的类型。PNNG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极P沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGS符号符号2、工作原理（以、工作原理（以N沟道为例）沟道为例）vDS=0V时时vGS

8、NGSDvDSNNPPiDPN结反偏，结反偏，vGS越大则耗尽区越越大则耗尽区越宽，导电沟道越宽，导电沟道越窄。窄。vGS0V(1)vGS对导电沟道及对导电沟道及iD的控制的控制vDS=0V时时NGSDvDSvGSNNiDPPvGS越大耗尽区越宽，越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。沟道越窄，电阻越大。但当但当vGS较小时，耗尽较小时，耗尽区宽度有限，存在导区宽度有限，存在导电沟道。电沟道。DS间相当于间相当于线性电阻。线性电阻。VDS=0时时NGSDVDSVGSPPIDVGS达到一定值时达到一定值时（夹断电压夹断电压VP）,耗耗尽区碰到一起，尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即间被夹断，这时

9、，即使使vDS 0V，漏极电，漏极电流流iD=0A。|vGS|0、|vGD| = |vGS-vDS| |VP |时时耗尽区的形状耗尽区的形状NGSDvDSvGSPPiD越靠近漏端，越靠近漏端，PN结反压越大结反压越大6V6V0V2V4V 导电沟道中电位分布情况 (1)vDS对对iD的影响的影响NGSDvDSvGSPPiD沟道中仍是电阻沟道中仍是电阻特性，但是是非特性，但是是非线性电阻。线性电阻。|vGS | |Vp |且且vDS较大时较大时vGDVP时耗尽区的形状时耗尽区的形状|vGS | |Vp | ，vGD=VP时时vDS增大则被夹断增大则被夹断区向下延伸。区向下延伸。NGSDvDSvGS

10、PPiD漏端的沟道被夹断，漏端的沟道被夹断，称为称为予夹断。予夹断。此时，电流此时，电流iD由未由未被夹断区域中的载被夹断区域中的载流子形成，基本不流子形成，基本不随随vDS的增加而增加，的增加而增加，呈恒流特性。呈恒流特性。NGSDvDSvGSPPiD|vGS | |Vp |且且vDS较大时较大时vGD0)vDSvGSVP0P沟道管：负极性(vDS0)vDSVGSVPVP(或VT)P沟道管：vGSVP(或VT)FET放大偏置时vDS与vGS应满足的关系 5.3场效应场效应管放大电路管放大电路(1) 静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区，场

11、效应管的偏置电路相对简单。区，场效应管的偏置电路相对简单。 (2) 动态：能为交流信号提供通路。动态：能为交流信号提供通路。组成原则：组成原则：静态分析：静态分析：估算法、图解法。估算法、图解法。动态分析：动态分析：微变等效电路法。微变等效电路法。分析方法：分析方法： 场效应管是电压控制器件。它利用栅源电压来控制漏极电流的变化。它的放大作用以跨导来体现，在场效应管的漏极特性的水平部分，漏极电流iD的值主要取决于vGS，而几乎与vDS无关。1、自偏压电路、自偏压电路2、分压式自偏压电路、分压式自偏压电路SV GSVGVDDg2g1g2VRRR RID Rg：使g与地的直流电位几乎相同（因上无电流

12、）。R：当IS流过R时产生直流压降ISR，使S对地有一定的电压：VGS=ISR=IDR0一、场效应一、场效应管的直流偏置电路及静态分析管的直流偏置电路及静态分析1. 直流偏置电路直流偏置电路VDDRdR-Rg+vGSiD-viC1+CSC2-+RLvoVDD=18VRCRg1RdRg3Rg22M47k10M30k2kT+Cb2Cb147u4.7u0.01u例例5.2.1 P2122GSDD1240526040gggRVVVRR22DQGST()0.2(21)0.2nIK VVmADSDDDd50.2 152VVI RVDSGST2(VVVV判断)=1V，成立DSGSTVVV设，工作于饱和区(2

13、)带源电阻的共源放大电路带源电阻的共源放大电路2GSDDSS12()gDggRVVVI RRR2DQGST()nIK VVDSDDSSDd()VVVIRRDSGSTVVV判断是否成立DSGSTVVV设，工作于饱和区例例5.2.3 P214 电流源偏置共源放大电路电流源偏置共源放大电路2DQGSQT2GSQGSQS()0.250.16(1)2.252.25nIK VVVVVVV ，DDDQdDQ52.5100.25VVRkIDSQDQSGST4.75()1.25VVVVVVV以自偏压电路为例(2) 图解分析法图解分析法 VGS=0vVdsiD3v1.5v-3v-1.5v由输出回路：VDD=VDS

14、+ID(RD+RS)作出直流负载线+VDDRdRgRSTVoVi在转移特性上作源极负载线点所对应的VDS、VGS、ID； UGSiD-3 1.5 0 1.5 3VDD由输出特性：ID=f(Vds)|VGS由输入回路：VGS=VGVS=IDRSsdDDRRV作负载转移特性GSSDVRi1VDSVGSID（1）根据VDD=Vds+ID（RD+RS）在输出特性上作直流负载线；（2）作负载转移特性；（3）作源极负载线；（4）决定静态工作点；（5）在转移特性和输出特性上求出QVGS=0vVDSiD3v1.5v-3v-1.5vVGSiD-3 1.5 0 1.5 3VDDsdDDRRVGSSDVRi1VDS

15、VGSID步骤：二、二、 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路GSD),(DSGSDvvfi DSvDSDGSvGSDDdvvidvvidiGSDSdsDSgsmvrvg1GSDmvig跨导：反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，相当于转移特性中工作点处的斜率。 DDSDSivr漏极输出电阻：（很大，常可以看作开路）；它是输出特性工作点处的切线斜率的倒数。 vGSiDvDS1、参数的导出、参数的导出 很大，很大，可忽略。可忽略。2、等效电路、等效电路GSDvGSiDvDS),(DSGSDvvfi DSvDSDGSvGSDDdvvidvvidiGSDSdsDSgsmvrvg1SGDrDSg

16、svgsmvgdsvdiSGDgsvgsmvgdsvdiGSD),(DSGSDvvfi DSvDSDGSvGSDDdvvidvvidiGSDSdsDSgsmvrvg1vGSiDvDS3、gm的求法的求法 222() =()DnGSTDSDSnGSTiKvVvvKvV2()DSDmnGSTGSvigK VVv由得VDD=20VvoRSviCSR1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10k动态分析动态分析微变等效电路微变等效电路gsivv )/(LDgsmoRRvgvLmiovRgvvA21/ RRRRGiM0375.1Ro=RD=10kR2R1RGvi+-sggsvdgsmvgR

17、LRLRDvo-+例例5.1：典型共源极放大（不带源极电阻）：典型共源极放大（不带源极电阻）VDD=20VvoRSviR1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10k微变等效电路微变等效电路SgsmgsiRvgvv)/(LDgsmoRRvgvSgsmgsLgsmiovRvgvRvgvvA21/ RRRRGiM0375.1Ro=RD=10kR2R1RGvi+-sggsvdgsmvgRLRLRDvo-+RSSmLmRgRg1典型共源极放大（带源极电阻）典型共源极放大（带源极电阻）vo+VDDRSviC1R1RGR2RL150k50k1M10kDSC2GLgsmgsLgsmiovRvg

18、vRvgvvA11LmLmRgRg动态分析动态分析21/RRRRGiM0375. 1RiRo Ro gR2R1RGsdRLRS微变等效电路微变等效电路vivogmvgs共漏极放大器共漏极放大器源极输出器源极输出器输出电阻输出电阻 Ro加压求流法加压求流法mgsmgsdogvgvivRT1SooRRR/TvTidigd微变等效电路微变等效电路Ro Ro R2R1RGsRSgsvgsmvg例例5.2.6（共漏极放大电路）：（共漏极放大电路）：o(/ /)mgsdsvg vRr1(/ /)igsogsmdsvvvvgRr(/ /)1(/ /)mdsvmdsgRrAgRr12/ /iggRRR例例5.2.6：1/ / /odsmRRrg =trRmgsttmgsdsoiiig vvvg vrRgstvv 11= ()ttmdsoivgrRCE / CB / CCCE / CB / CC CS / CG / CDCS / CG / CDRi