模拟电子技术-第三章场效应管

第3章

场效应晶体管和基本放大电路3.1

场效应晶体管场效应管（FET）：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。场效应管输入回路内阻很高(107~1012)，热稳定性好，噪声低，比晶体管耗电小，应用广泛。仅靠多数载流子导电，又称单极型晶体管。分类：结型(JFET)绝缘栅型(IGFET)3.1.1

结型场效应管N沟道结型场效应管是在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区，将它们连接在一起引出电极栅极g。N型半导体分别引出漏极d、源极s，P区和N区的交界面形成耗尽层。源极和漏极之间的非耗尽层称为导电沟。N沟道结构示意图N源极S栅极G

漏极DSiO2NNPP结型场效应管有N沟道和P沟道两种类型。1.结型场效应管的结构结型场效应管的符号N沟道符号dsgdsgP沟道符号2.

工作原理

电压控制作用(以N沟道为例加以说明)正常工作时在栅-源之间加负向电压，(保证耗尽层承受反向电压)漏-源之间加正向电压，(以形成漏极电流）这样既保证了栅源之间的电阻很高，又实现了ugs对沟道电流Di

的控制。d耗尽层P+sgN导电沟道结构示意图（1）ｇ、ｓ间和ｄ、ｓ间短路耗尽区很窄,导电沟道宽|UGS|增加到某一数值,耗尽区相接,沟道

,沟道电阻趋于无穷大，沟道夹断此时ＵGS的值为夹断电压UGS（off）|UGS|增大，耗尽区增宽，沟道变窄，沟道电阻增大。（２）ｇ、ｓ间加负电压和ｄ、ｓ间短路UDS的作用产生漏极电流ID，使沟道中各点和栅极间的电压不再相等，近漏极电压最大，近源极电压最小。导电沟道宽度不再相等，近漏极沟道窄，近源极沟道宽。dsgUDSiD（3）ｇ、ｓ间短路，ｄ、ｓ间加正向电压随着UDS

的增加，ID近似线性增加,d—s间呈电阻特性。UGD

=

UGS

-

UDS

=

UDS当UDS

增加到UGS（off），漏极附近的耗尽区相接，称为预夹断。UDSdgA此时，UGD=UGS（off）UDS

再增加，夹断区长度增加（AA'）。sID随着UDS

增加，ID增大。沟道在漏极处越来越窄。预夹断时，导电沟道内仍有电流ID

，且UDS增大时ID几乎不变，此时的ID称为“饱和漏极电流IDSS”A'ｇ、ｓ间的负电压使导电沟道变窄（等宽），ｄ、ｓ间的正电压使沟道不等宽。UGS增加，导电沟道变窄，沟道电阻增大，同样UDS的产生的ID减小。dgUDSUGSsID（4）ｇ、ｓ间加负向电压，ｄ、ｓ间加正向电压（综合（2）（3）两种情况）称场效应管为电压控制元件。由于UDS的增加几乎全部落在夹断区，漏极电流ID基本保持不变。ID几乎仅仅决定于UGS，

恒流特性。dsgUDSUGSID夹断区恒流区可变电阻区3.结型场效应管的特性ID

=

f

(UDS

)UGS

=常数输出特性和转移特性因场效应管栅极电流几乎为零，不

输入特性。（1）输出特性曲线条件：UGD>UGS（off）。特点：可通过改变UGS大小来改变漏源间电阻值。预夹断轨迹：通过连接各曲线上UGD=UGS（off）的点而成。1)可变电阻区：预夹断轨迹左边区域。2)恒流区：预夹断轨迹右边区域。条件：UGD<UGS（off）特点：ID只受UGS

控制3)夹断区（截止区）：导电沟道全部夹断。条件：｜UGS

｜

UGS（off）特点：ID

04)击穿区：UDS增加到一定程度，电流急剧增大。43210UGS

=0V–3V–4V输出特性转移特性12–1V–2UGS(off)ID

/mA转移特性曲线与输出特性曲线有严格的对应关系–4–3–2–10ID

/mA4IDSS3

UGS=0时产生预夹断时的漏极电流4

8

12UDS=8V（2）转移特性ID

=

f(UGS

)UDS

=常数反映UGS对ID的控制作用恒流区ID近似表达式为：)2GS

(off

)ID

IDSS

(1UUGSN沟结型场效应管，栅源之间加反向电压。

P沟结型场效应管，栅源之间加正向电压。管子工作在可变电阻区时，不同的UDS，转移特性曲线有很大差别。3UGS(off)–4

–3

–2

–1

0ID

/mAIDSS211.4.2

绝缘栅型场效应管（MOS管)MOS管分类：N沟道（

N

MOS）增强型耗尽型P沟道（

P

MOS）增强型耗尽型栅-源电压为零时，无导电沟道的管子称为增强型。栅-源电压为零时，已建立了导电沟道的管子称为耗尽型。，栅极为金属铝，绝缘栅型场效应管采用sio2绝缘层又称为MOS管。1、N沟道增强型MOS管（1）结构

通常衬底和源极连接在一起使用。

栅极和衬底各相当于一个极板，中间是绝缘层，形成电容。栅-源电压改变时，将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。源极S

栅极G

漏极DN+N+P型硅衬底衬底引线BSiO2DBSGN沟道符号DBSGP沟道符号耗尽层P型硅衬底衬底引线BN+N+SG

DUDSID

=

0SiO21)UGS

=0D与S之间是两个

PN结反向串联，无论D与S之间加什么极性的电压，漏极电流均接近于零。（2）

工作原理由于绝缘层SiO2的存在，栅极电流为零。栅极金属层将

大量正电荷，排斥P

型衬底靠近SiO2的空穴，将衬底的电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成

N型薄层，称为反型层。这个反型层就构成了漏源之间的导电沟道。PN+N+SG

D反型层2）UGS

>0

，UDS

=0此时的栅-源电压称为开启电压UGS(th)UGS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小，同样的ＵＤＳ产生的电流ＩＤ越大．UDS作用产生漏极电流ID

。沟道各点对栅极电压不再相等，导电沟道宽度不再相等，沿源-漏方向逐渐变窄。UGD=UGS-UDS<UGSID随着的UDS增加而线性增大。3）UGS>

UGS(th），UDS

>0P衬底BN+N+SG

D随着UDS的继续增大，UGD减小，当UGD=UGS(th）时，导电沟道在漏极一端产生夹断，称为预夹断。UDS继续增大，夹断区延长，漏电流ID几乎不变，管子进入恒流区，ID几乎仅仅决定于UGS

。此时可以把ID近似看成

UGS控制的电流源。>

UGS(th）3）UGS

，UDS

>0P衬底BN+N+SG

D4321051015GSU

=5V6V4V3V2ViD

/mAN沟道增强型MOS管的特性曲线123恒流区击穿区可变电阻区uGS

/V0

UG

2

4

6s(th)（3）

特性曲线输出特性转移特性iD

/mA夹断区1)2GS

(th

)DODUUGSI

I

(ID和UGS的近似关系：IDO是UGS

=2UGS(th)时的ID。01232

4

6GSU

/

VUGs(th)ID

/mAIDO制造时,在sio2绝缘层中掺入大量的正离子,即使UGS=0，在正离子的作用下，源-漏之间也存在导电沟道。只要加正向UDS

，就会产生ID。只有当UGS小于某一值时，才会使导电沟道

，此时的GS

GS(off)U

称为夹断电压U

。结构示意图P源极S

栅极G

漏极DBN+N+正离子反型层SiO22、N沟道耗尽型MOS管dN沟道符号BsgP沟道符号dBsgMOS管符号DBSGN沟道符号DBSGP沟道符号耗尽型MOS管符号增强型MOS管符号432104812UGS

=1V–2V–3V输出特性转移特性N沟道耗尽型MOS管的特性曲线1230V–112–3

–2

–12.

特性曲线IDUGS

0UGs(off)ID

/mAID

/mA场效应管的符号及特性(p76）结型N沟道结型P沟道NMOS增强型NMOS耗尽型PMOS增强型PMOS耗尽型（+）（+）（+）（+）（-）（-）（-）（-）测得某放大电路中三个MOS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（截止区、恒流区、可变电阻区）。管号UGS(th)/VUs/VUG/VUD/V工作状态T14-513恒流区T2-43310截止区T3-4605可变电阻区3.1.3

场效应管的主要参数1、直流参数（1）开启电压UGS(th)UDS为固定值能产生漏极电流ID所需的栅-源电压UGS的最小值它是增强型MOS管的参数。（NMOS管为正，PMOS管为负）（

2）夹断电压UGS(off)UDS为固定值使漏极电流近似等于零时所需的栅-源电压。是结型场效应管和耗尽型MOS管的参数（NMOS管为负，PMOS管为正）。饱和漏极电流IDSS对于耗尽型MOS管,在UGS=0情况下产生预夹断时的漏极电流。直流输入电阻RGS（DC）栅-源电压与栅极电流的比值，其值很高,一般为107-1010左右。2、交流参数（1）低频跨导

gm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起这个变化的栅-源电压的微变量之比称为低频跨导,即gm=iD

/

uGS

UDS

=常数gm是衡量栅-源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。（2）交流输出电阻rdsrds反映了uDS对iD的影响，是输出特性曲线上Q点处切线斜率的倒数．rds在恒流区很大。UGS

常数Di

uDSdsr3、极限参数（1）最大漏极电流IDM(２)最大漏源电压U

DS(BR)最大栅源电压U

GS(BR)最大耗散功率P

DM3.1.4

场效应管与双极型晶体管的比较场效应管的栅极g、源极s、漏极d分别对应于晶体管的基极b、发射极e、集电极cFET是电压控制元件，输入阻抗很高；BJT是电流控制元件，输入阻抗较小；FET（单极型）多子参与导电，温度稳定性好，抗辐射能力强，FET噪声系数小；BJT为多子和少子同时参与导电，性能差；FET漏极与源极可以互换使用；BJT的发射极与集电极一般不能互换使用；

FET比BJT的种类多，组成电路更灵活；4）FET工艺简单，功耗小，电源范围宽，

用于大规模和超大规模集成电路。５）ＭＯＳ管的栅极绝缘，外界感应电荷不易泄放．。试分析该管是例已知某管的输出特性曲线什么类型的场效应管。开启电压UGS(th)=4VN沟道增强型MOS管。2105101510V8V6ViD

/mA4V。试分析uI为0、8V例电路及管子的输出特性和10V三种情况下uO分别为几伏。+VDD(+15V)RD5kΩ+uo-+uI-210105

1510V8ViD

/mA6V4V(1)当uGS

uI

0时，管子处于夹断状态，因而iD

0,uO

uDS

VDD

iD

RD

VDD

15V

1mA,

8V时，管子工作在恒流区的iD(2)当uGS

uI+VDD(+15V)RD5kΩ+uo-+uI-2105101510V8VuO

uDS

VDD

iD

RD

(15

1

5)V

10ViD

/mA6V4VVRds

uDS

/

iD（3）当UGS(th)=10V时，若认为T工作在恒流区，则

iD为2.2mA,uo=4V,而uGS=10V时的预夹断电压为

uDS=6V说明管子工作在可变电阻区。uGS

uI

10V，管子工作在可变电阻区，等效电阻为DDds

DRdsR

ROu

3315V

5.6V

5

3

3k110

3+VDD(+15V)RD5kΩ+uo-+uI-2105101510V8ViD

/mA6V4V３.２

场效应管放大电路３.２.１场效应管放大电路的直流偏置及静态分析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．1、自给偏压电路静态工作点分析栅极电流为0)2GS(off

)GSQDSS

I

(1

DQIUGSQ

UGQ

USQ

IDQRsUU

IDQ

(RD

Rs

)UDSQ

VDD此电路只适用于耗尽型器件２、分压式偏置电路静态工作点分析DQ

sDDUGSQV

I

RR

RG1

G

2

UGQ

U

SQRG

2IUDQ、

GSQ1)2GS

(th

)DODi

IU(

UGS

VDD

IDQ

(RD

RS

)UDSQ栅极电流为0增强型MOS管的电流方程例3-1

自给偏压电路中,已知场效应管的输出特性,RG

10M,

RS

2K,

RD

18K,VDD

20V用图解法确定Q点根据输出回路方程作直流负载线MNuDS

iD

(RD

RS

)

VDD根据直流负载线与各输出曲线的交点a、b、c、d、e所对应的iD和uGS的值作转移特性(3)根据输入回路方程作源极负载线OL（4）源极负载线与转移特性曲线的交点为Q点uGS

iD

RSＬRD

30k,VDD

18V

,场效应管的UGS（off）

1V，IDSS

0.5mA求静态工作点例3

2图示电路中，RG1

2M,RG

2

47k,RG

10M,RS

2k,1GS(off

)DSSDQU)2

0.5(1

UGSQ

)2(1

UGSQI

IDQ

sDDSQGQGSQV

I

RR

RG

2G1RG

2U

UUDQ

GSQIUGSQ

0.4

2IDQ

0.5(1U)2IDQ

(0.95

0.64)mA,不应大于IDSS，所以IDQ

0.31mAUGSQ

0.22V

,UDS

8.1V３.２.２用微变等效电路法分析场效应管放大电路的动态参数１．场效应管的交流低频小信号模型iD

f

(uGS

,

uDS

)dsds则Id

gmU

gsrdsUmGSuDSr

1

U

guU

DSiD

1令iDGSDSDSGSGSUGSU

DSDduduuu

iD

iDdi求全微分低频小信号模型sdg.+Ugs_.gmUgs耗尽型:(结型))2GS

(off

)uGSD

DSSi

I

(1

U增强型：Di

=IDO(

uGS

UGS(th)–1)2rdsMOS管简化交流等效模型２．应用微变等效电路分析法分析场效应管放大电路（１）共源放大电路m

Lm

gs

Ld

LOU

gs

U

gsUiug

U

RA

g

R

U

I

RRi

RGRi

RGRo

RD微变等效电路电压增益RL

RD

//

RL输入电阻输出电阻

3.3

gm

RD

m

D1

g

ROU

gs

gmU

gs

RDUi

gmU

gs

RSuA

URi

RG

RG1

//

RG2

2.075kRo

RD

10k例３－３ 图示电路，CS和RL开路RG1

300k,

RG2

100k,

RG

2M,

RS

2k,

RD

10k,gm

1mS,计算Ａｕ、Ｒｉ和ＲＯ解：共源电路的电压增益比共射电路小，输入电阻大（２）共漏放大电路RL

RL

//

RSm

Lgm

RLU

gs

gm

U

gs

RLUiu1

g

RUo

A

gm

U

gs

RL

RG

RG1

//

RG2iiiUIR

(Au

1

,源极跟随器)②输入电阻微变等效电路①电压增益③输出电阻断开负载，输入信号短路，输出端加电压，得到求输出电阻的电路mSmRSo

UooRSo

mI