第3章场效应管4

1、作业：作业：习题：习题：3-1 3-1 、3-3 3-3 、3-4 3-4 、3-7 3-7 、3-113-11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。 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，热稳定

2、性好，噪声低，比晶体管耗电小，应用广泛。好，噪声低，比晶体管耗电小，应用广泛。单极型单极型场效应管场效应管（FET）：是利用输入回路的电场效应来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。控制输出回路电流的一种半导体器件。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

3、漏极之间的非耗尽层称为导电沟道。为导电沟道。 N沟道结构示意图沟道结构示意图SiO2N源极源极S栅极栅极G漏极漏极D NNPP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) 在在N型硅材料两端加上型硅材料两端加上一定极性的电压，多子在电一定极性的电压，多子在电场力的作用下形成电流场力的作用下形成电流ID。若将若将G、S间加上不同的反偏间加上不同

4、的反偏电压，即可改变导电沟道的电压，即可改变导电沟道的宽度，便实现了利用电压所宽度，便实现了利用电压所产生的电场控制导电沟道中产生的电场控制导电沟道中电流强弱的目的。电流强弱的目的。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（1 1）、间和、间短路）、间和、间短路耗尽

5、区很窄耗尽区很窄,导电沟道宽导电沟道宽| 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的值为的值为UGS（off） | UGS |增大，耗尽增大，耗尽区区增宽，沟道变窄，增宽，沟道变窄，沟沟道道电阻增大。电阻增大。（2 2）、间加负电压和、间短路）、间加负电压和、间短路 UDS的作用产生漏极电流ID ，使沟道中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，近漏极电压最大，近源极电压最小。近源极电压最小。 导电沟道宽导电沟道宽度不再相等，近漏极沟道窄，度不再相等

6、，近漏极沟道窄，近源极沟道宽。近源极沟道宽。dsgUDSiD（3 3）、间短路，、间加正向电压）、间短路，、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。 U UGD GD = = U UGS GS - - U UDS DS = = - - U UDSDSUDSdsgAID随着随着U UDSDS 增加，增加，I ID D增大。沟道在漏极处越来越窄。增大。沟道在漏极处越来越窄。此时，此时，U UGDGD= U= UGSGS（offoff）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，导电沟道内仍有电流ID

7、，且UDS增大时ID几乎不变，此时的ID称为“饱和漏极电流IDSS”A当当UDS 增加到增加到 U UGSGS（offoff），），漏极附近的耗尽区相接，称为为预夹断预夹断。、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。 U UGSGS 增加，增加，导电沟道导电沟道变窄，沟道电阻增大，同变窄，沟道电阻增大，同样样U UDSDS的产生的的产生的I ID D减小。减小。dsgUDSUGSID（4 4）、间加负向电压，、间加正向电压）、间加负向电压，、间加正向电压（综合（综合（2 2）（）（3 3）两种情况）两种情况）称场

8、效应管为称场效应管为电压控制元件。电压控制元件。由于由于UDS的增加几乎全部落的增加几乎全部落在夹断区，漏极电流在夹断区，漏极电流ID基本基本保持不变。保持不变。ID几乎仅仅决定几乎仅仅决定于于UGS，表现出恒流特性。，表现出恒流特性。 AdsgUDSUGSID（未出现夹断前）（未出现夹断前）,对于不同对于不同的的UGS ，漏源之间等效成不同阻值的电阻，漏源之间等效成不同阻值的电阻， ID随随UDS 的增加的增加线性线性增加增加。（。（）。 ID几乎只决定于几乎只决定于UGS，而与而与UDS 无关，可以把无关，可以把ID近似看成近似看成UGS控制的电流源。控制的电流源。 （）3.3.结型结型场

9、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（预夹断轨迹：预夹断轨迹：通过连接各通过连接各曲线上曲线上UGD= UGS（off）的点的点而成。而成。1)可变电阻区可变电阻区： 预夹断预夹断轨轨 迹迹左边区域。左边区域。 条件：条件： |UGD| |UGS（off）| 特点：特点： ID只受只受UGS 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 U U

10、GSGS（off） 特点：特点： ID 04)4)击穿区：击穿区：U UDSDS增加到一定程度，增加到一定程度，电流急剧增大。电流急剧增大。（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=8V恒流区恒流区ID近似表达式为：近似表达式为：2)()1 (offGSGSDSSDUUII管子工作在可变电阻区时，不同的管子工作在可变电阻区时，不同的UDS ，转移特性曲，转移特性曲线有很大差别。线有很大差别。30123 UGS / VUGS(off)ID /mA4IDSS12N沟道沟道结型场效应管，栅源之间加结型场效应管，栅源之间加反

11、向反向电压。电压。P沟道沟道结型场效应管，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

12、为金属铝，又称为又称为MOS管。管。 1 1、N沟道增强型沟道增强型MOSMOS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。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沟道符号沟道符号栅栅-源电压改变时，将改变衬源电压改变时，将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的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。大小。SiO2P型硅衬底型硅衬底耗尽层

13、耗尽层衬底引线衬底引线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，栅极电流为零。的存在，栅极电流为零。栅极金属层将聚集大量正电荷，排斥栅极金属层将聚集大量正电荷，排斥P P型衬底靠近型衬底靠近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间，形成电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成N N型型薄层，称为反型层。这个反型层就薄

14、层，称为反型层。这个反型层就构成了漏源之间的导电沟道。构成了漏源之间的导电沟道。PN+N+SGD反型层反型层2 2）U UGSGS 0 0 ，U UDSDS =0 =0U UGSGS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小，同样越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小，同样的的产生的电流产生的电流越大越大 此时的栅此时的栅-源电压称为源电压称为开启电压开启电压UGS(th) U UDSDS作用产生漏极电流作用产生漏极电流I ID D 。沟道。沟道各点对栅极电压不再相等，各点对栅极电压不再相等，导电沟道宽度不再相等，沿导电沟道宽度不再相等，沿源源- -漏方向逐渐变窄。漏方向逐渐变窄。 3 3）U UGSGS

15、 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)输出特性输出特性转移特性转移特性 uDS / ViD /mA夹断区夹断区2)(0)1(thGSGSDDUUIIUDS =10V0123246UGS /

16、 VUGs(th)ID /mA制造时制造时, ,在在sio2绝缘层中掺入绝缘层中掺入大量的正离子大量的正离子, ,即使即使UGS=0=0，在正离子的作用下，源在正离子的作用下，源- -漏之漏之间也存在导电沟道。只要加间也存在导电沟道。只要加正向正向 ，就会产生，就会产生ID。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管管只有当只有当小于某一值时，才小于某一值时，才会使导电沟道消失，此时的会使导电沟道消失，此时的称为称为夹断电压夹断电压 。dN沟道符号沟道符号BsgP沟道符号沟道符号dBsgMOS管符号管

17、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(off) UDS / VUDS =10VID /mAID /mA 场效应管场效应管 的符号及的符号及 特性特性 (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（+）（+）（

18、+）（+）（-）（-）（-）（-） 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们的开启电压如表所示。试分析各管的工作状态 （截止区、恒流区、可变电阻区）。（截止区、恒流区、可变电阻区）。管号管号U UGS(th)GS(th)/V/VUs/VUs/VU UG G/V/VU UD D/V/V工作状态工作状态T14-513T2-43310T3-4605恒流区恒流区截止区截止区可变电阻区可变电阻区1、直流参数、直流参数 （1 1）开启电压开启电压U UGS(th)GS(th)U UDSDS为固定值能产生漏极电流

19、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

20、，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情况下产生预夹断时情况下产生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要参数。源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。 （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，漏极电流的微变量与引为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅起这个变化的栅-源电压的微变量之比称为低频跨导源电压的微变量之比称为

21、低频跨导,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点处切线斜率的点处切线斜率的倒数倒数 rds在在恒流区很大。恒流区很大。常数GSUDDSdsiur管子正常工作时漏极电流的上限值。管子正常工作时漏极电流的上限值。管子进入恒流区后，使漏极电流骤然增加的管子进入恒流区后，使漏极电流骤然增加的UDS称称为漏为漏-源击穿电压。源击穿电压。对于结型场效应管，使栅极与沟道间反向击穿的对于结型场效应管，使栅极与沟道间反向击穿的UGS称为栅称为栅-源击穿电压。源击穿电压。对于绝缘栅型场效应管，使绝缘栅层击穿的对于绝缘栅型场效应

22、管，使绝缘栅层击穿的UGS称为栅称为栅-源击穿电压。源击穿电压。PDM决定于管子允许的温升。决定于管子允许的温升。1.场效应管场效应管利用栅源电压控制漏极电流，利用栅源电压控制漏极电流，是电压控制是电压控制元件元件，栅极基本不取电流（很小），输入回路电，栅极基本不取电流（很小），输入回路电阻很大；阻很大； 晶体管晶体管利用基极电流控制集电极电流，利用基极电流控制集电极电流，是电流控制元件是电流控制元件，基极索取一定电流，输入阻抗基极索取一定电流，输入阻抗较小。较小。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对应于晶体管的基对应于晶体管的基极极b b、发射极、发射极e

23、 e、集电极、集电极c c，能实现对信号的控制。，能实现对信号的控制。2. 晶体管放大电路的放大倍数通常比场效应管的大。晶体管放大电路的放大倍数通常比场效应管的大。3. 场效应管只有多子导电，而晶体管多子和少子均场效应管只有多子导电，而晶体管多子和少子均参与导电，参与导电，场效应管比晶体管热稳定性好、抗辐场效应管比晶体管热稳定性好、抗辐射能力强。射能力强。4. 场效应管比晶体管噪声系数小。场效应管比晶体管噪声系数小。5. 场效应管源极、漏极可以互换使用，互换后特性场效应管源极、漏极可以互换使用，互换后特性变化不大变化不大；而晶体管的发射极和集电极互换后特；而晶体管的发射极和集电极互换后特性差异

24、很大性差异很大,一般不能互换使用。一般不能互换使用。6. 场效应管的种类比晶体管多，特别对于耗尽型场效应管的种类比晶体管多，特别对于耗尽型MOS管，栅管，栅- -源控制电压可正可负，均能控制漏源控制电压可正可负，均能控制漏极电流。极电流。7.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。8. 场效应管和晶体管均可用于放大电路和开关电路，场效应管和晶体管均可用于放大电路和开关电路，但场效应管具有集成工艺简单，工作电源电压范但场效应管具有集成工艺简单，工作电源电压范围宽，耗电省、低功耗等特点，目前越来越多的围宽，耗电省、低功耗等特点，目前越来越多的应用于集成电路中。应用于

25、集成电路中。 例例 已知某管的输出特性曲线如图所示。试分析已知某管的输出特性曲线如图所示。试分析该管是什么类型的场效应管。该管是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 /mA4VVVRiVuuiuuDDDDDDDSODIGS15

26、, 00) 1 (，因而时，管子处于夹断状态当VVRiVuumAiVuuDDDDDSODIGS10)5115(,18)2(的时，管子工作在恒流区当+VDD(+15V)RD5kuo +-uI +- -2105101510V8V6V uDS / ViD /mA4VV.VVRRRuki /uRVuuDDDdsdsODDSdsIGS651535331013103为可变电阻区，等效电阻，管子工作在（3）当）当UGS=10V时，若认为时，若认为 T工作在恒流区，则工作在恒流区，则iD为为2.2mA, uo=4V,而而uGS=10V时的预夹断电压为时的预夹断电压为uDS=6V说明管子工作在可变电阻区。说明管

27、子工作在可变电阻区。+VDD(+15V)RD5kuo +-uI +- - uDS / V2105101510V8V6ViD /mA4V能实现对信号的控制；能实现对信号的控制；三种组态相对应；三种组态相对应；分析方法相同。分析方法相同。为实现放大，对为实现放大，对FET，在栅极回路加适当偏压；，在栅极回路加适当偏压；而对而对BJT则加适当的偏流。则加适当的偏流。场效应管组成的放大电路与双极型晶体管一样，必须建立合适场效应管组成的放大电路与双极型晶体管一样，必须建立合适的静态工作点的静态工作点.场效应管放大电路场效应管放大电路.1 1、自给偏压电路、自给偏压电路静态工作点分析静态工作点分析 栅极电

28、流为栅极电流为02)()1 (offGSGSQDSSDQsDQSQGQGSQUUIIRIUUU)(sDDQDDDSQRRIVU此电路只适用于此电路只适用于耗尽型器件耗尽型器件、分压式偏置电路、分压式偏置电路sDQDDGGGSQGQGSQRIVRRRUUU212I IDQDQ、 U UGSQGSQ静态工作点分析静态工作点分析)(SDDQDDDSQRRIVU栅极电流为栅极电流为02)() 1(thGSGSDODUUIi增强型增强型MOSMOS管的电流方程管的电流方程求静态工作点，场效应管的图示电路中，例）（mAIVUVVkRkRMRkRMRDSSoffGSDDDSGGG5 . 01,18,30,2

29、,10,47,2232122)()11 (5 . 0)1 (GSQoffGSGSQDSSDQUUUIIsDQDDGGGSQGQGSQRIVRRRUUU212DQGSQGSQDQIUUI24 . 0)1 (5 . 02V.U,V.UmA.I,mA).(IDSGSQDQDQ18220310640950所以. 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)u ,u( fiDSGSDdsdsgsmddsUDSDmUGSDUrUgIrui,guiGSDS11则令DSUDSDGSUGSDDuuiuuii

30、GSDSddd求全微分求全微分是输出回路电流与输入回路电压之比，称跨导是输出回路电流与输入回路电压之比，称跨导,电导量纲。电导量纲。是描述是描述MOS管输出特性曲线上翘程度的参数，等管输出特性曲线上翘程度的参数，等效为电阻，在几十效为电阻，在几十几百千欧之间。通常几百千欧之间。通常 rds可视为可视为开路。开路。dsdsgsmdUrUgI1。低频小信号模型低频小信号模型sdg. . .U Ugsgsg gm mU UgsgsMOSMOS管简化交流等效模型管简化交流等效模型DQDOGS(th)mIIU2gDQDSSoffGSmIIUg)(2耗尽型耗尽型:(:(结型结型) )2()(1)GSDDS

31、SGS offuiIU增强型：增强型：UGS(th)iD=IDO(uGS1)2rdsQ点不仅影响电路是否失点不仅影响电路是否失真真,还影响动态参数。还影响动态参数。应用微变等效电路分析法分析场效应应用微变等效电路分析法分析场效应管放大电路管放大电路LDLLmgsLgsmgsLdiOuRRRRgURUgURIUUA/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DoRR 例例图示电路，图示电路，CS和和RL开路开路,mSg,kR,kR,MR,kR,kRmDSGGG1102210030021计算计算、和和331.RgRgRUgURUgUUASmDmSgsmgsDgsmiOuM.R/RRRGGG