第3章 场效晶体管及场效晶体管放大电路

1、第3 章 场效晶体管及场效晶 体管放大电路 场效应管是通过改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。 它不仅具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，而且还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。因而，在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。 根据结构和工作原理不同,场效应管可分为两大类:结型场效应管(JFET)和绝缘栅型场效应管(IGFET). 场效应管：场效应管：一种载流子参与导电，利用一种载流子参与导电，利用输入回路的电场输入回路的电场效应来控制效应来控制输出回路电流输出回路电流的三极管，又称的三极管，又称单极型三

2、极管。单极型三极管。特点特点单极型器件单极型器件( (一种载流子导电一种载流子导电) )； 输入电阻高；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。成本低。要求要求：1、掌握场效应管的分类、特点、特性曲线及参数，了解其结构、工作原理。2、掌握场效应管放大电路的分析方法和指标计算。 N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效晶体管场效晶体管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)场效晶体管分类场效晶体管分类：第3 章 效晶体管及场效晶体管放大电路3.1 结型场效晶

3、体管3.2 绝缘栅型场效晶体管3.3 各种场效晶体管的比较3.4 场效晶体管放大电路DSGN符符号号一、结构一、结构N型型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+P 型区型区耗尽层耗尽层( (PN 结结) )在漏极和源极之间加在漏极和源极之间加上一个正向电压，上一个正向电压，N 型半型半导体中多数载流子导体中多数载流子电子电子可可以导电。以导电。导电沟道是导电沟道是 N 型的，型的，称称 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管。3. 1 结型场效应管结型场效应管P 沟道场效应管沟道场效应管P P 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N+N+P型型沟沟道道GSD P 沟道场效

4、应管是在沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺型硅棒的两侧做成高掺杂的杂的 N 型区型区( (N+) )，导电沟导电沟道为道为 P 型型，多数载流子为，多数载流子为空穴。空穴。符号符号GDS二、结型场效应管工作原理二、结型场效应管工作原理 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管用改变用改变 UGS 大小来控制漏极电大小来控制漏极电流流 ID 的。的。(VCCS)GDSNN型型沟沟道道栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+耗尽层耗尽层*在栅极和源极之间在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，使沟道本身的电阻值增大

5、，漏极电流漏极电流 ID 减小，反之，减小，反之，漏极漏极 ID 电流将增加。电流将增加。 *耗尽层的宽度改变耗尽层的宽度改变主要在沟道区。主要在沟道区。 U UGSGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当UGS0时时 当沟道夹断时当沟道夹断时,ID减小至减小至0，此时，此时对应的栅源电压对应的栅源电压UGS称为称为夹断电压夹断电压UGS(off) 。对于对于N沟道的沟道的JFET，UPGS(off) 0。PN结反偏结反偏耗尽层加厚耗尽层加厚沟道变窄沟道变窄 UGS继续减小，沟道继续变窄，继续减小，沟道继续变窄， ID继续变小继续变小DP+P+NGSUDSIDUGS 当当UGS=0时，时，沟道

6、最宽沟道最宽，沟道电阻最小，在，沟道电阻最小，在UDS的的作用下作用下N沟道内的电子定向运动形成漏极电流沟道内的电子定向运动形成漏极电流ID,此此时最大。时最大。沟道电阻变大沟道电阻变大ID变小变小 根据其结构，它只能工作在根据其结构，它只能工作在反偏反偏条件下，条件下，N N沟道管加沟道管加负负栅源电压栅源电压， P P沟道管加沟道管加正栅源电压正栅源电压，否则将会出现栅流。，否则将会出现栅流。二、结型场效应管工作原理二、结型场效应管工作原理 UDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当UGS=0时时，UDS ID G、D间间PN结的反向电结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗压增加，使靠近漏极处

7、的耗尽层加宽，沟道变窄，从上尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。至下呈楔形分布。 当当U UDSDS增加到使增加到使U UGDGD= =U UGS(off) GS(off) 时，在紧靠漏极处出现预夹时，在紧靠漏极处出现预夹断。断。此时此时UDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 ID基本不变基本不变DP+P+NGSUDSIDUGS二、结型场效应管工作原理二、结型场效应管工作原理UGS和和UDS同时作用时同时作用时当当UP UGSUGS(th)时时, 沟道加厚，沟道加厚，沟道电阻减少，沟道电阻减少，在相同在相同UDS的作的作用下，用下，iD将进一步增加。将进一步增加。开始时无导电沟道，当

8、在开始时无导电沟道，当在UGS UGS(th)时才形成沟时才形成沟道道,这种类型的管子称为这种类型的管子称为增强型增强型MOS管管一一方方面面 MOSFET是利用栅源电压是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。电流的大小。 当当UGSUGS(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电压，且固定为某一值时，来分析漏源电压UDS的不同变化对导电沟道和漏极电流的不同变化对导电沟道和漏极电流ID的影响。的影响。UDS=UDGUGS =UGDUGSUGD=UGSUDS 当当UDS为为0或较小时，或较小时，相当相当UGD

9、UGS(th) ，此时此时UDS 基本均匀降落基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在在沟道中，沟道呈斜线分布。在UDS作用下形成作用下形成ID。另一方面另一方面，漏源电压漏源电压UDS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用的控制作用当当UDS增加到使增加到使UGD=UGS(th)时，时，当当UDS增加到增加到UGD UGS(th)时，时，增强型MOS管 这相当于这相当于UDS增加使漏极处沟道增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断预夹断。此时的。此时的漏极电流漏极电流ID 基本饱和。基本饱和。 此时预夹断区域加长，伸向此时预夹断区域加长，伸向S S极。极。 U

10、UDSDS增加的部分基本降落在随之加长的增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，夹断沟道上，I ID D基本趋于不变。基本趋于不变。漏源电压漏源电压UDS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用的控制作用UGD=UGSUDSDGSDGSGSDDiIIi时的是T0T2T0U2u)Uu() 1Uu(3、N沟道沟道增强型增强型MOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线iD=f(uGS) uDS=C 转移特性曲线转移特性曲线iD=f(uDS) uGS=C 输出特性曲线输出特性曲线uDS(V)iD(mA)当当u uGSGS变化时，变化时，R RONON将随之将随之变化，因此称之为变化，因此称之为可变可变电阻区电

11、阻区恒流区恒流区( (饱和区饱和区) )：u uGSGS一定一定时，时，i iD D基本不随基本不随u uDSDS变化而变化而变化。变化。uGS/V3.2.2 N沟道沟道耗尽型耗尽型MOS场效应管场效应管+ + + + + + + 耗尽型耗尽型MOS管存在管存在原始导电沟道原始导电沟道1. 结构结构2. N沟道沟道耗尽型耗尽型MOS场效应管工作原理场效应管工作原理 当当UGS=0时，时，UDS加正向电压，产加正向电压，产生漏极电流生漏极电流iD,此时的漏极电流称为此时的漏极电流称为漏极饱和电流漏极饱和电流，用，用IDSS表示。表示。 当当UGS0时时,将使将使iD进一步增加。进一步增加。 当当

12、UGS0时，随着时，随着UGS的减小漏的减小漏极电流逐渐极电流逐渐减小减小，直至，直至iD=0，对应，对应iD=0的的UGS称为夹断电压，用符号称为夹断电压，用符号UP表示。表示。UGS(V)iD(mA)UPN沟道沟道耗尽型耗尽型MOS管可工作在管可工作在UGS 0或或UGS0 N沟道沟道增强型增强型MOS管只能工作在管只能工作在UGS03. N沟道沟道耗尽型耗尽型MOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线输出特性曲线输出特性曲线UGS(V)iD(mA)UP转移特性曲线转移特性曲线2. 夹断电压夹断电压UP：是耗尽型：是耗尽型FET的参数，当的参数，当UGS=UP 时时,漏极电流漏极电流为零。为零

13、。3. 饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管当耗尽型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。1. 开启电压开启电压UT：MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值电压的绝对值,场效应管不能导通。场效应管不能导通。4. 直流输入电阻直流输入电阻RGS(DS):栅源间所加的恒定电压栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极与流过栅极电流电流IGS之比。结型之比。结型:大于大于107，绝缘栅，绝缘栅:1091015。3.2.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数一、直流参数一、直流参数1. 低频跨导低频跨导gm ：反映了栅源

14、压对漏极电流的控制作用。：反映了栅源压对漏极电流的控制作用。CUGSDmDSdudig 2. 极间电容极间电容Cgs栅极与源极间电容栅极与源极间电容Cgd 栅极与漏极间电容栅极与漏极间电容Csd 源极与漏极间电容源极与漏极间电容二、交流参数二、交流参数3.2.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数三、极限参数三、极限参数3. 漏极最大允许耗散功率漏极最大允许耗散功率 PDM2.漏源击穿电压漏源击穿电压 U(BR)DS4. 栅源击穿电压栅源击穿电压U(BR)GS 由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。热能使管子的温度升高。

15、当漏极电流当漏极电流 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS 。 场效应管工作时，栅源间场效应管工作时，栅源间 PN 结处于反偏状态，若结处于反偏状态，若UGS U(BR)GS ，PN 将被击穿，这种击穿与电容击将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。穿的情况类似，属于破坏性击穿。1.最大漏极电流最大漏极电流IDMN沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效晶体管场效晶体管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)场效晶体场效晶体 管的分类管的分类3.3 场效晶体管的比

16、较场效晶体管的比较绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型3.3 各种场效晶体管的比较各种场效晶体管的比较绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型场效晶体管与晶体管的区别场效晶体管与晶体管的区别1. 晶体管是晶体管是电流控制元件电流控制元件；场效应管是；场效应管是电压控制元件电压控制元件。2. 晶体管参与导电的是晶体管参与导电的是电子电子空穴空穴，因此称其为双极型器件；，因此称其为双极型器件； 场效应管是电压控制元件，参与导电的只有场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子一种载流子， 因此称其为单极型器件。因此称其为单极型器件。3. 晶体管的晶体管的输入电阻较低输入电阻较低，一般，一般

17、102104 ； 场效晶体管的场效晶体管的输入电阻高输入电阻高，可达，可达1091014 场效晶体管与晶体管的应用场效晶体管与晶体管的应用均可用于放大电路和开关电路，构成品种繁多的集成电路。均可用于放大电路和开关电路，构成品种繁多的集成电路。 一、基本共源放大电路一、基本共源放大电路 三、分压式偏置电路三、分压式偏置电路 一、场效应管的低频小信号等效模型一、场效应管的低频小信号等效模型 二、基本共源放大电路的二、基本共源放大电路的动态分析动态分析3.4.1 场效晶体管的直流偏置放大电路及静态分析场效晶体管的直流偏置放大电路及静态分析 二、自给偏压电路二、自给偏压电路3.4.2 场效晶体管放大电

18、路的动态分析场效晶体管放大电路的动态分析 三、基本共漏放大电路的三、基本共漏放大电路的动态分析动态分析3.4 场效晶体管放大电路场效晶体管放大电路场效应管是电压控制电流元件，具有高输入阻抗。场效应管是电压控制电流元件，具有高输入阻抗。（以（以N沟道结型场效应管为例）沟道结型场效应管为例）场效应管放大电路的三种接法场效应管放大电路的三种接法（a）共源电路（b）共漏电路（c）共栅电路3.4.1 场效晶体管的直流偏置放大电路及静态分场效晶体管的直流偏置放大电路及静态分析析3.4.1 场效晶体管的直流偏置放大电路及静态分场效晶体管的直流偏置放大电路及静态分析析NJEFT PJEFT 增强型NMOS增强

19、型PMOS耗尽型NMOS耗尽型PMOSUGS负正正负正、零、负正、零、负UDS正负正负正负场效应管偏置电压的极性表场效应管偏置电压的极性表一、自给偏压电路一、自给偏压电路sDQSQGQGSQsDQSQGQ0RIUUURIUU ，2PGSQDSSD)1 (UUII)(sdDQDDDSQRRIVU+由正电源获得负偏压由正电源获得负偏压称为自给偏压称为自给偏压哪种场效应管能够采用这种电路形式设置哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？点？3.4.1 场效晶体管的直流偏置放大电路及静态分场效晶体管的直流偏置放大电路及静态分析析1. 估算法估算法一、自给偏压电路一、自给偏压电路sDQSQGQGSQRI

20、UUU)(sdDQDDDSQRRIVU+3.4.1 场效晶体管的直流偏置放大电路及静态分场效晶体管的直流偏置放大电路及静态分析析2.2.图解法图解法二、分压式偏置电路二、分压式偏置电路sDQSQDDg2g1g1AQGQRIUVRRRUU+2TGSQDOD) 1(UUII)(sdDQDDDSQRRIVU+为什么加为什么加Rg3?其数值应大些小些？其数值应大些小些？哪种场效应管能够采用这种电路形式设置哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？点？即典型的即典型的Q点稳定电路点稳定电路3.4.1 场效晶体管的直流偏置放大电路及静态分场效晶体管的直流偏置放大电路及静态分析析),(DSGSDuufi i

21、D 的全微分为的全微分为DSDSDGSGSDDdddGSDSuuiuuiiUU + + 上式中定义：上式中定义：DSGSDmUuig GSDSDSD1Uuir 场效应管的跨导场效应管的跨导( (毫毫西门子西门子 mS) )。 场效应管漏源之间等效电阻。场效应管漏源之间等效电阻。一、场效应管的微变等效模型一、场效应管的微变等效模型3.4.2 场效晶体场效晶体 管放大电路的动态分析管放大电路的动态分析DSGSDmUuig近似分析时可认近似分析时可认为其为无穷大！为其为无穷大！根据根据iD的表达式或转移特性可求得的表达式或转移特性可求得gm。dSDSgsmd1UrUgI+ + 由于没有栅极电流，所以

22、栅源是悬空的。由于没有栅极电流，所以栅源是悬空的。是一个受控源。是一个受控源。 gsmUgDSDSDGSGSDDdddGSDSuuiuuiiUU + + 2TGSDOD) 1(UUIIDODTDODTDOTGSTDOGSD22) 1(2DSDSIIUIIUIUUUIuigUUm2PGSQDSSDQ)1 (UUIIDSSDQP2IIUgm对于对于N沟道沟道增强型管子：增强型管子：对于对于N沟道耗尽型管子：沟道耗尽型管子：二、共源放大电路的动态分析二、共源放大电路的动态分析LdoiLdmgsLddio/RRRRRRgURRIUUAu若Rd=RL=3k， Rg=5k， gm=2mS，则与共射电路比较。?uA1.1.自给