场效应管及其应用

1、第3章 场效应管及其应用 3.1 场效应管及其应用 3.2 场效应及其放大电路3.1 场效应管 场效应管按结构分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管两类。 3.1.1结型场效应管 1. 结型场效应管的结构及工作原理 1) 基本结构及符号 如图3.1(a)所示, 在一块N型硅半导体两侧制作两个P型区域, 形成两个PN结, 把两个P型区相连后引出一个电极, 称为栅极, 用字母G(或g)表示。 dsgd 漏极g 栅极PPN耗尽层s 源极dsg(a)(b)(c) 图 3.1结型场效应管结构与符号图(a) 结构; (b) N沟道结型场效应管符号; (c) P沟道结型场效应 2) 工作原理 图3.2表示的是结

2、型场效应管施加偏置电压后的接线图。 2 特性曲线 场效应管的特性曲线分为转移特性曲线和输出特性曲线。 1) 转移特性 在uDS一定时, 漏极电流iD与栅源电压uGS之间的关系称为转移特性。 即常数ufdsuigsD)(3. 1)dgSUDDiDUGGPPuDSuGSNRd图3.2 N沟道结型场效应管工作原理 5432101234uDS=12 VuGS/ViD / mAIDSSUGS(off)图3.3 N沟道结型场效应管转移特性曲线 2) 输出特性 输出特性是指栅源电压uGS一定, 漏极电流iD与漏极电压uDS之间的关系, 即 在UGS(off)uGS0的范围内, 漏极电流iD与栅极电 压uGS

3、的关系为2)()1 (UuIioffGSGSDSSD(3. 2)常数ufGSuiDSD)(3. 3)01234524681012141618iD / mAuDS / V夹断区可变电阻区4 V3 V2 V1 V击穿区恒流区(放大区)uDS0 V 图 3.4 N沟道结型场效应管输出特性曲线 3.1.2绝缘栅型场效应管 1. 增强型绝缘栅场效应管的结构及工作原理 1) 结构及符号 2) 工作原理 图 3.5增强型MOS管结构及符号图 (a) N沟道结构图; (b) N沟道符号; (c) P沟道符号sgdNNP型硅衬底衬底引线gdsgds(a)(b)(c)SiO2gdNNP型硅衬底sUGGUDDiD

4、图 3.6 N沟道增强型MOS管工作原理 3) 特性曲线 （1） N沟道增强型绝缘栅场效应管的转移特性曲线如图3.7(a)所示。 在uGSUGS（th）时, iD与uGS的关系可用下式表示: 2)() 1(UuIithGSGSDOD(3. 4) 其中ID0是uGS=2UGS（th）时的iD值。 （2） N沟道增强型绝缘栅场效应管的输出特性曲线 如图3.7（b）所示。 4321iD / mA02468uGS / VuDS10 VUGS(th)3 V012345iD / mA6 V5 V4 V3 V24681012141618uDS / V(a)(b) 图3.7N沟道增强型场效应管特性曲线 （a）

5、 转移特性; （b） 输出特性 2. 耗尽型绝缘栅场效应管的结构及工作原理 图3.8为N沟道耗尽型场效应管的结构图。 其结构与增强型场效应管的结构相似, 不同的是这种管子在制造时, 就在二氧化硅绝缘层中掺入了大量的正离子。 sgdNNP型硅衬底衬底引线gdsgds(a)(b)(c) 图3.8耗尽型MOS管结构及符号图(a) N沟道结构图; （b） N沟道符号; （c） P沟道符号 图3.9N沟道耗尽型场效应管特性曲线 （a） 转移特性; （b） 输出特性 5 4 3 2 1024681012uDS= 常数uGS / ViD / mAUGS(off)IDSS02468101214162 V1 V

6、3 VuGS= 2 V1 V24681012uDS/V(a)(b)iD / mA0 V在uGS UGS（off）时, iD与uGS的关系可用下式表示: 2)()1 (UuIioffGSGSDSSD(3. 5) 3.1.3场效应管的主要参数及使用注意事项 1 主要参数 1） 夹断电压UGS（off）或开启电压UGS（th） 2） 饱和漏极电流IDSS 3） 漏源击穿电压U（BR）DS 4) 栅源击穿电压U（BR）GS 5） 直流输入电阻RGS 6） 最大耗散功率PDM 7） 跨导gm 在uDS为定值的条件下, 漏极电流变化量与引起这个变化的栅源电压变化量之比, 称为跨导或互导, 即 常数uDSd

7、udigGSDm(3. 6) 2 检测及使用注意事项 1） 检测 结型效应管可用万用表判别其管脚和性能的优劣。 （1） 管脚的判别 （2） 质量判定 2） 注意事项 （1） MOS管栅、 源极之间的电阻很高, 使得栅极的感应电荷不易泄放, 因极间电容很小, 故会造成电压过高使绝缘层击穿。 （2） 有些场效应晶体管将衬底引出, 故有4个管脚, 这种管子漏极与源极可互换使用。 （3） 使用场效应管时各极必须加正确的工作电压。 （4） 在使用场效应管时, 要注意漏源电压、 漏源电流及耗散功率等, 不要超过规定的最大允许值。 3.2 场效应管及其放大电路 与三极管一样, 根据输入、 输出回路公共端选择

8、不同, 将场效应管放大电路分成共源、 共漏和共栅三种组态。 本节主要介绍常用的共源和共漏两种放大电路。 3.2.1共源放大电路 1. 电路组成及直流偏置 漏极电阻：将漏 极电流转换成漏 极电压，并影响 放大倍数Au UDDRdC2RsCs旁路电容：消除Rs对交流信号的衰减源极电阻：利用IDQ在其上的压降为栅源极提拱偏压RgC1 栅极电阻：将Rs压降 加至栅极uiuo图 3.10 场效应管共源放大电路 由于栅极电阻上无直流电流, 因而RIUSDGS (3. 7)RIURRRUUUsDDDgggSGGS212 (3. 8)图3.11RdC2 UDDuoRsCsRg1Rg3Rg2C1ui Rg1，

9、Rg2：栅极 分压电阻使栅极获 得合适的工作电压 栅极电阻：用来 提高输入电阻 图 3.11分压偏置式共源放大电路 场效应管放大电路的静态工作点可用式（3.4）或式（3.5）与式（3.7）或式（3.8）联立求出UGSQ和IDQ,漏源电压UDSQ由下式求得: )(RRIUUsdDQDDDSQ (3. 9) 2. 动态分析 放大电路的动态参数可由微变等效电路求出。 1） 场效应管的微变等效电路 2） 共源放大电路的微变等效电路dgudsidsdsgudsidsgmugsugsugs 图3.12场效应管微变等效电路 （1） 电压放大倍数: RguRuguRRiuuALmgsLgsmgsLddiou)

10、/(3. 10)（2） 输入电阻: )/(213RRRrgggi(3. 11) （3） 输出电阻: Rrdo(3. 12)Rg1Rg2Rg3riuiugsggmugsRdRLuorods 图 3.13 共源放大电路的微变等效电路 3.2.2 共漏放大电路 共漏放大电路又称源极输出器。 电路如图3.15所示。由图3.15（b）可得: gRrRRRrRgRguuAuRguuuRUgRRiumsogggiLmLmiougsLmogsiLgsmLSdo1/)/(1)1 ()/(321(3. 13)(3. 14)(3. 15) 图3.9N沟道耗尽型场效应管特性曲线 （a） 转移特性; （b） 输出特性

11、5 4 3 2 1024681012uDS= 常数uGS / ViD / mAUGS(off)IDSS02468101214162 V1 V3 VuGS= 2 V1 V24681012uDS/V(a)(b)iD / mA0 V在uGS UGS（off）时, iD与uGS的关系可用下式表示: 2)()1 (UuIioffGSGSDSSD(3. 5) 2 检测及使用注意事项 1） 检测 结型效应管可用万用表判别其管脚和性能的优劣。 （1） 管脚的判别 （2） 质量判定 2） 注意事项 （1） MOS管栅、 源极之间的电阻很高, 使得栅极的感应电荷不易泄放, 因极间电容很小, 故会造成电压过高使绝缘层击穿。 （2） 有些场效应晶体管将衬底引出, 故有4个管脚, 这种管子漏极与源极可互换使用。 （3） 使用场效应管时各极必须加正确的工作电压。 （4） 在使用场效应管时, 要注意漏源电压、 漏源电流及耗散功率等, 不要超过规定的最大允许值。 场效应管放大电路的静态工作点可用式（3.4）或式（3.5）与式（3.7）或式（3.8）联立求出UGSQ和IDQ,漏源电压UDSQ由下式求得: )(RRIUUsdDQDDDSQ (3. 9) 2. 动态分析 放大电路的动态参数可由微变等效电路求出。 1） 场效应管的微变等效电路 2） 共源放大电路的微变等效电路dgu