第三章场效应管

1、3.1 3.1 场效应晶体管场效应晶体管3.2 3.2 场效应管放大电路场效应管放大电路作业：作业：习题习题 3-4 3-7 3-8 3-10 3-11 3-4 3-7 3-8 3-10 3-11 理解场效应管的工作原理；理解场效应管的工作原理；掌握掌握场效应管的外特性及主要参数；场效应管的外特性及主要参数； 掌握场效应管放大电路静态工作点与动态参数掌握场效应管放大电路静态工作点与动态参数（Au、Ri、Ro）的分析方法。）的分析方法。通过外部电压对导电沟道的控制作用来说明结通过外部电压对导电沟道的控制作用来说明结型场效应管及绝缘栅型场效应管的工作原理。型场效应管及绝缘栅型场效应管的工作原理。第

2、第3 3章章 场效应晶体管和基本放大电路场效应晶体管和基本放大电路 场效应管输入回路内阻很高场效应管输入回路内阻很高(1071012 )，热稳定性好，噪，热稳定性好，噪声低，比晶体管耗电小，应用广泛。声低，比晶体管耗电小，应用广泛。仅靠多数载流子导电，又称仅靠多数载流子导电，又称单极型单极型晶体管。晶体管。场效应管场效应管（FET）：是利用输入回路的电场效应是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。来控制输出回路电流的一种半导体器件。3.1 3.1 场效应晶体管场效应晶体管分类：分类：结型结型(JFET) 绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)每种类型的场效应管又分为每种类型的场效应

3、管又分为N沟道和沟道和P沟道沟道两种两种类型。类型。3.1.1 结型场效应管结型场效应管 N沟道结型场效应管是在同一沟道结型场效应管是在同一块块N型半导体上制作两个高掺型半导体上制作两个高掺杂的杂的P区，将它们连接在一起区，将它们连接在一起引出电极引出电极栅极栅极g。N型半导体型半导体分别引出分别引出漏极漏极d、源极源极s，P区区和和N区的交界面形成耗尽层。区的交界面形成耗尽层。源极和漏极之间的非耗尽层称源极和漏极之间的非耗尽层称为导电沟。为导电沟。 结型场效应管有结型场效应管有N沟道沟道和和P沟道沟道两种类型两种类型。1. 结型场效应管的结构结型场效应管的结构sgP+N导电沟道导电沟道源极源

4、极s栅极栅极g漏极漏极d结型场效应管的符号结型场效应管的符号N沟道符号沟道符号dsgdsgP沟道符号沟道符号2. 工作原理工作原理_电压控制作用电压控制作用正常工作时正常工作时在栅在栅-源之间加源之间加负向电压负向电压，(保证耗尽层承受反向电压保证耗尽层承受反向电压) 漏漏-源之间加源之间加正向电压正向电压，(以形成漏极电流）以形成漏极电流）这样既保证了栅源之间的电阻这样既保证了栅源之间的电阻很高，又实现了很高，又实现了ugs对沟道电流对沟道电流iD的控制。的控制。d耗尽层耗尽层sgP+N导电沟道导电沟道结构示意图结构示意图(以以N沟道为例加以说明沟道为例加以说明)（1 1）、间和、间短路）、

5、间和、间短路耗尽区很窄耗尽区很窄,导电沟道宽导电沟道宽（）、间加负电压和、间短路（）、间加负电压和、间短路| UGS |增加到某一数值增加到某一数值,耗尽耗尽区区相接相接,沟道消失沟道消失,沟沟道电阻趋于无穷大，沟道电阻趋于无穷大，沟道夹断道夹断此时此时GS的值的值为为夹断电压夹断电压UGS（off） | UGS |增大，耗尽增大，耗尽区区增增宽，沟道变窄，宽，沟道变窄，沟道沟道电电阻增大。阻增大。等宽变化等宽变化N沟道沟道JFETUGS(off)0 UDS的作用产生漏极电流的作用产生漏极电流ID ，使沟道中使沟道中各点和栅极间的电压各点和栅极间的电压不再相等不再相等，近漏极电压最大，近漏极电

6、压最大，近源极电压最小。近源极电压最小。 导电沟道导电沟道宽度不再相等。宽度不再相等。dsgUDSiD（3 3）、间短路，）、间短路，、间加正向电压、间加正向电压随着随着UDS 的增加，的增加， ID近似近似线线性性增加增加,ds间呈电阻特性间呈电阻特性。 UGD = UGS - UDS = - UDS当当UDS 增加到增加到|UGS（off）|.漏极附漏极附近的耗尽区相接，称为近的耗尽区相接，称为预夹断预夹断。UDSdsgAID随着UDS 增加，ID增大。沟道在漏极处越来越窄。此时，此时，UGD= UGS（off）UDS 再增加，夹断区长度增加（再增加，夹断区长度增加（AA）。）。预夹断时，

7、导电沟道内仍有电流预夹断时，导电沟道内仍有电流ID ，且，且UDS增大时增大时ID几乎不变，此几乎不变，此时的时的ID称为称为“饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS”A、间的负电压使导电、间的负电压使导电沟道变窄（等宽），、沟道变窄（等宽），、间的正电压使沟道不等间的正电压使沟道不等宽。宽。 UGS 增加，增加，导电沟道导电沟道变窄，沟道电阻增大，相变窄，沟道电阻增大，相同同UDS产生的产生的ID减小。减小。dsgUDSUGSID（4 4）、间）、间加负向电压加负向电压，、间加正向电压、间加正向电压（综合（综合（2 2）（）（3 3）两种情况）两种情况）称场效应管为称场效应管为电压控制元件。电压控

8、制元件。由于由于UDS的增加几乎全的增加几乎全部落在夹断区，漏极电部落在夹断区，漏极电流流ID基本保持不变。基本保持不变。ID几乎仅仅决定于几乎仅仅决定于UGS，表现出恒流特性。表现出恒流特性。 AdsgUDSUGSID3.3.结型结型场效应管的特性场效应管的特性ID = f (UDS )UGS = 常数常数（1）输出特性曲线）输出特性曲线因场效应管栅极电流几乎为因场效应管栅极电流几乎为零，不讨论输入特性。零，不讨论输入特性。输出特性和转移特性输出特性和转移特性从图中可以看出，管子的工作状态分为四个区域：从图中可以看出，管子的工作状态分为四个区域：可变电阻区，恒流区，夹断区及击穿区。可变电阻区

9、，恒流区，夹断区及击穿区。UGS 0预夹断轨迹预夹断轨迹：通过连接各曲线上通过连接各曲线上UGD= UGS（off）的的点而成。点而成。1)1)可变电阻区：可变电阻区： U UDSDS较小、曲线较小、曲线靠近纵轴的部分靠近纵轴的部分。也就是预夹断。也就是预夹断轨迹左边区域。轨迹左边区域。 条件：条件：|UGS | |UGS（off） | | |U UGD GD | | | |U UGSGS（offoff） | | 特点：可通过改变特点：可通过改变U UGSGS大小来大小来改变漏源间电阻值。改变漏源间电阻值。2)2)恒流区恒流区( (饱和区，放大区）饱和区，放大区）： U UDSDS较大、较大、

10、 ID基本不随基本不随U UDSDS曲增加曲增加而增加的部分而增加的部分。预夹断轨迹右。预夹断轨迹右边区域。边区域。 条件：条件：|UGS | | U UGSGS（offoff） | 特点：特点： I ID D只受只受U UGS GS 控制控制3)夹断区（截止区）夹断区（截止区）： 导电沟道全部夹断。导电沟道全部夹断。 条件：条件：|UGS | | UGS（off） | 特点：特点： ID 04)4)击穿区：击穿区：U UDSDS增加到一定程度，电流急剧增大。增加到一定程度，电流急剧增大。 不允许管子工作在击穿区。不允许管子工作在击穿区。转移特性曲线与输出特性曲线有严格的对应关系转移特性曲线与

11、输出特性曲线有严格的对应关系（2）转移特性）转移特性ID = f (UGS )UDS = 常数常数反映反映UGS对对ID的控制作用的控制作用UDS=8VIDSSUGS=0时产时产生预夹断时生预夹断时的漏极电流的漏极电流恒流区恒流区ID近似表达式为：近似表达式为：2)()1 (offGSGSDSSDUUII放大区的转移特性曲线几乎重合。可变电阻区时，不放大区的转移特性曲线几乎重合。可变电阻区时，不同的同的UDS ，转移特性曲线有很大差别。，转移特性曲线有很大差别。30123 UGS / VUGS(off)ID /mA4IDSS12N沟沟结型场效应管，栅源之间加结型场效应管，栅源之间加反向反向电压

12、。电压。P沟沟结型场效应管，栅源之间加结型场效应管，栅源之间加正向正向电压。电压。1.4.2 1.4.2 绝缘栅型场效应管（绝缘栅型场效应管（MOSMOS管管) )栅栅-源电压为零时，无导电沟道的管子称为源电压为零时，无导电沟道的管子称为增强型。增强型。栅栅-源电压为零时，已建立了导电沟道的管子称为源电压为零时，已建立了导电沟道的管子称为耗尽型。耗尽型。MOS管分类：管分类： N沟道（沟道（ N MOS） 增强型增强型 耗尽型耗尽型 P沟道（沟道（ P MOS） 增强型增强型 耗尽型耗尽型 绝缘栅型场效应管采用绝缘栅型场效应管采用sio2绝缘层隔离，栅极为金属铝，绝缘层隔离，栅极为金属铝，又称

13、为又称为MOS管。管。 1、N沟道增强型沟道增强型MOS管管 （1）结构）结构 通常通常衬底和源衬底和源极连接在一起使用。极连接在一起使用。 栅极和栅极和衬底各相当于一个极板，中衬底各相当于一个极板，中间是绝缘层，形成电容。间是绝缘层，形成电容。 栅栅-源电压改变时，将改变源电压改变时，将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流的多少，从而控制漏极电流的大小。的大小。P型硅衬底型硅衬底源极源极S 栅极栅极G 漏极漏极D 衬底引线衬底引线BN+N+SiO2DBSGN沟道符号沟道符号DBSGP沟道符号沟道符号SiO2P型硅衬底型硅衬底耗尽层耗尽层衬底引线衬底引线

14、BN+N+SGDUDSID = 0D与与S之间是两个之间是两个PN结反向串联，结反向串联，无论无论D与与S之间加之间加什么极性的电压，什么极性的电压，漏极电流均接近于漏极电流均接近于零。零。（2） 工作原理工作原理1) 1) UGS =0 由于绝缘层由于绝缘层SiOSiO2 2的存在，栅极的存在，栅极电流为零。栅极金属层将聚集电流为零。栅极金属层将聚集大量正电荷，排斥大量正电荷，排斥P P型衬底靠型衬底靠近近SiOSiO2 2的空穴，将衬底的自由的空穴，将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成间，形成N N型型薄层，称为反型薄层，称为反型层。这个反型层就构成了漏

15、源层。这个反型层就构成了漏源之间的导电沟道。之间的导电沟道。PN+N+SGD反型层反型层2 2）U UGSGS 0 0 ，U UDSDS =0 =0UGS到达到达UGS（th)后，后，UGS越大，反型层越宽，导电沟越大，反型层越宽，导电沟道电阻越小，相同的道电阻越小，相同的产生的电流产生的电流越大，从越大，从而实现了压控电流作用。而实现了压控电流作用。 产生反型层（导电沟道）时对应的栅产生反型层（导电沟道）时对应的栅-源电压称为源电压称为开启电压开启电压UGS(th) PN+N+SGD反型层反型层 U UDSDS作用产生漏极电流作用产生漏极电流I ID D 。沟道各点对栅极电压不再相沟道各点对

16、栅极电压不再相等，导电沟道宽度不再相等，等，导电沟道宽度不再相等，沿源沿源- -漏方向逐渐变窄。漏方向逐渐变窄。 3 3）U UGSGS U UGS(thGS(th） ，U UDSDS 0 0P衬底衬底B BN+N+SGDUGD=UGS-UDS U UGS(thGS(th） ，U UDSDS 0 0P衬底衬底BN+N+SGD4321051015UGS =5V6V4V3V2ViD /mAUDS =10VN N沟道增强型沟道增强型 MOS MOS 管的特性曲线管的特性曲线 0123恒流区恒流区击穿区击穿区可变电阻区可变电阻区246uGS / V（3） 特性曲线特性曲线UGs(th)输出特性输出特性

17、转移特性转移特性 uDS / ViD /mA夹断区夹断区2)()1(thGSGSDODUUIIID和和UGS的近似关系：的近似关系：IDO是是UGS = 2UGS(th)时的时的ID。UDS =10V0123246UGS / VUGs(th)ID /mA制造时制造时,在在sio2绝缘层中掺入大绝缘层中掺入大量的正离子量的正离子,即使即使UGS =0，在正，在正离子的作用下，源离子的作用下，源-漏之间也存漏之间也存在导电沟道。只要加正向在导电沟道。只要加正向UDS ，就会产生就会产生ID。UGS0,并且当并且当UGS小于某一值时，小于某一值时，导电沟道消失，此时的导电沟道消失，此时的UGS称为称

18、为夹断电压夹断电压UGS(off) 。结构示意图结构示意图P源极源极S漏极漏极D 栅极栅极GBN+N+正离子正离子反型层反型层SiO22、N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管管dN沟道符号沟道符号BsgP沟道符号沟道符号dBsgMOSMOS管符号管符号DBSGN沟道符号沟道符号DBSGP沟道符号沟道符号耗尽型耗尽型MOSMOS管符号管符号增强型增强型MOSMOS管符号管符号432104812UGS =1V2V3V输出特性输出特性转移特性转移特性N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管的特性曲线管的特性曲线 1230V1012123 UGS / V2. 特性曲线特性曲线 ID UGSUGs(of

19、f) UDS / VUDS =10VID /mAID /mA场效应场效应管的符管的符号及特号及特性性(p76）结型结型N沟道沟道结型结型P沟道沟道NMOS增强型增强型NMOS耗尽型耗尽型PMOS增强型增强型PMOS耗尽型耗尽型（+）（+）（+）（+）（-）（-）（-）（-） 测得某放大电路中三个测得某放大电路中三个MOS管的三个电极的电位及它们的管的三个电极的电位及它们的开启电压如表所示。试分析各管的工作状态（夹断区、恒开启电压如表所示。试分析各管的工作状态（夹断区、恒流区、可变电阻区）。流区、可变电阻区）。管号管号U UGS(thGS(th) )/V/VUs/VUs/VU UG G/V/VU

20、 UD D/V/V工作状态工作状态T14-513T2-43310T3-4605恒流区恒流区夹断区夹断区可变电阻区可变电阻区增强型增强型NMOSPMOS1、直流参数、直流参数 （1 1）开启电压开启电压U UGS(thGS(th) )U UDSDS为固定值能产生漏极电流为固定值能产生漏极电流I ID D所需的栅所需的栅- -源电压源电压U UGSGS的的最小值最小值 它是它是增强型增强型MOSMOS管的参数管的参数。（NMOSNMOS管为正，管为正，PMOSPMOS管为负）管为负） （ 2）夹断电压夹断电压 UGS(off) UDS为固定值为固定值使漏极电流近似等于零时所需的栅使漏极电流近似等于

21、零时所需的栅-源电压。源电压。 是是结型场效应管和耗尽型结型场效应管和耗尽型MOS管管的参数的参数（NMOS管为负，管为负， PMOS管为正）。管为正）。 （4）直流输入电阻直流输入电阻RGS（DC）栅栅- -源电压与栅极电流的比值，其值很高源电压与栅极电流的比值，其值很高, , 一般为一般为107-1010左右。左右。 （3）饱和漏极电流）饱和漏极电流IDSS对于对于耗尽型耗尽型MOS管管,在在UGS =0情况下产生情况下产生 预夹断时预夹断时的漏极电流。的漏极电流。2、交流参数、交流参数gm= iD / uGS UDS =常数常数 gm是衡量栅是衡量栅-源电压对漏极电流控制能力的一个重源电

22、压对漏极电流控制能力的一个重要参数。要参数。 （1）低频跨导）低频跨导 gm管子工作在恒流区并且管子工作在恒流区并且 UDS为常数时，漏极电流的微为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅变量与引起这个变化的栅-源电压的微变量之比称为低源电压的微变量之比称为低频跨导频跨导,即即（2）交流输出电阻）交流输出电阻rdsrds反映了反映了uDS对对iD的影响，是输出特性曲线上的影响，是输出特性曲线上Q点处切点处切线斜率的倒数线斜率的倒数 rds在在恒流区很大。恒流区很大。常数GSUDDSdsiur3、参数参数（1）最大漏极电流）最大漏极电流IDM()最大漏源电压最大漏源电压U DS(BR)(3)最

23、大栅源电压最大栅源电压U GS(BR)(4)最大耗散功率最大耗散功率P DM场效应管的栅极场效应管的栅极g g、源极、源极s s、漏极、漏极d d分别对应于晶体管分别对应于晶体管的基极的基极b b、发射极、发射极e e、集电极、集电极c c1 1）FETFET是电压控制元件，输入阻抗很高；是电压控制元件，输入阻抗很高；BJT BJT 是电流控制元件，输入阻抗较小；是电流控制元件，输入阻抗较小；2 2）FETFET（单极型）多子参与导电，温度稳定性好，抗（单极型）多子参与导电，温度稳定性好，抗辐射能力强，辐射能力强， FETFET噪声系数小；噪声系数小；BJTBJT为多子和少子同时参与导电，温度

24、特性能差；为多子和少子同时参与导电，温度特性能差；3 3）FETFET漏极与源极可以互换使用；漏极与源极可以互换使用；BJTBJT的发射极与集的发射极与集电极一般不能互换使用；电极一般不能互换使用； FETFET比比BJTBJT的种类多，组成的种类多，组成电路更灵活；电路更灵活；4 4）FETFET工艺简单，功耗小，电源范围宽，更多用于大工艺简单，功耗小，电源范围宽，更多用于大规模和超大规模集成电路。规模和超大规模集成电路。）管的栅极绝缘，外界感应电荷不易泄放）管的栅极绝缘，外界感应电荷不易泄放 例例 已知某管的输出特性曲线如图所示。试分析该管是已知某管的输出特性曲线如图所示。试分析该管是什么

25、类型的场效应管。什么类型的场效应管。N沟道增强型沟道增强型MOS管。管。2105101510V8V6V uDS / ViD /mA4V开启电压开启电压UGS(th)=4V 例例 电路及管子的输出特性如图所示。试分析电路及管子的输出特性如图所示。试分析uI为为0、8V和和10V三种情况下三种情况下uO分别为几伏。分别为几伏。+VDD(+15V)RD5kuo +-uI +- -2105101510V8V6V uDS / ViD /mA4VVVuuiuuDDDSODIGS15, 00) 1 (，因而时，管子处于夹断状态当VVRiVuumAiVuuDDDDDSODIGS10)5115(,18)2(的时

26、，管子工作在恒流区当+VDD(+15V)RD5kuo +-uI +- -2105101510V8V6V uDS / ViD /mA4VVVVRRRukiuRVuuDDDdsdsODDSdsIGS6 . 51535331013/103区，等效电阻为，管子工作在可变电阻（3）当）当UGS(th)=10V时，若认为时，若认为 T工作在恒流区，工作在恒流区，则则iD为为2.2mA, uo=4V,而而uGS=10V时的预夹断电压时的预夹断电压为为uDS=6V说明管子工作在可变电阻区。说明管子工作在可变电阻区。+VDD(+15V)RD5kuo +-uI +- - uDS / V2105101510V8V6

27、ViD /mA4V3场效应管组成的放大电路与双极型晶体管一样，必须建场效应管组成的放大电路与双极型晶体管一样，必须建立立合适的静态工作点合适的静态工作点. . 场效应管放大电路场效应管放大电路. . .1. 1. 自给偏压电路自给偏压电路此电路只适用于此电路只适用于耗尽型器件耗尽型器件静态工作点分析静态工作点分析2)()1 (offGSGSQDSSDQsDQSQGQGSQUUIIRIUUU)(sDDQDDDSQRRIVU栅极电流为栅极电流为0、分压式偏置电路、分压式偏置电路静态工作点分析静态工作点分析sDQDDGGGSQGQGSQRIVRRRUUU212IDQ UGSQ2)() 1(thGSG

28、SDODUUIi)(SDDQDDDSQRRIVU栅极电流为栅极电流为0增强型增强型MOSMOS管的电流方程管的电流方程静态工作点分析静态工作点分析例例3-1 自给偏压电路中自给偏压电路中,已知场效应管的输出特性已知场效应管的输出特性, 用图解法确定用图解法确定Q点点VVKRKRMRDDDSG20,18,2,10DDSDDDSVRRiu)(1) (1) 根据输出回路方程作根据输出回路方程作直流负载线直流负载线MNMN(2) (2) 根据直流负载线与各输根据直流负载线与各输出曲线的交点出曲线的交点a a、b b、c c、d d、e e所对应的所对应的i iD D和和u uGSGS的值作的值作转移转

29、移特性特性(3) (3) 根据输入回路方程根据输入回路方程作作源极负载线源极负载线OLOL（4）源极负载线与转移特性曲线的交点为）源极负载线与转移特性曲线的交点为Q点点SDGSRiuQQ0.750.3712.5GSQDQDSQUVImAUV 求静态工作点，场效应管的图示电路中，例）（mAIVUVVkRkRMRkRMRDSSoffGSDDDSGGG5 . 01,18,30,2,10,47,22321sDQDDGGGSQGQGSQRIVRRRUUU212DQGSQGSQDQIUUI24 . 0)1 (5 . 02VU舍去UVUVUmAImAImAIDSQoffGSGSQGSQDQDQDQ1 . 8

30、),(78. 2,22. 059. 1,31. 0,)64. 095. 0()(所以22)()11 (5 . 0)1 (GSQoffGSGSQDSSDQUUUII. 用微变等效电路法分析场效应管用微变等效电路法分析场效应管放大电路的动态参数放大电路的动态参数 场效应管的交流低频小信号模型场效应管的交流低频小信号模型),(DSGSDuufidsUDSDmUGSDruiguiGSDS1令DSUDSDGSUGSDDuuiuuiiGSDSddd求全微分求全微分dsdsgsmdUrUgI1则低频小信号模型低频小信号模型dsdsgsmdUrUgI1rdsMOSMOS管简化交流等效模型管简化交流等效模型sdg. . .U Ugsgsg gm mU Ugsgssdg. . .U Ugsgsg gm mU UgsgsDQDOGS(th)mIIU2gDQDSSoffGSmIIUg)(2耗尽型耗尽型MOSMOS及含结型及含结型2()(1)GSDDSSGS offuiIU增强型：增强型：UGS(th)iD=IDO(uGS1)2应用微变等效电路分析法分析应用微变等效电路分析法分析场效应管放大电路场效应管放大电路GiRR （）（）共源放大电路共源放大电路微变等效电路微变等效电路LDLLmgsLgs