模拟电子技术基础 第3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

3.2场效应管放大电路1作业3-43-7（第3问，当RS2取最大值时计算AU）

3-83-103-112本章的重点与难点重点:1.

掌握场效应管的外特性及主要参数；2.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。难点: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。3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。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。3.1场效应晶体管4场效应管的分类53.1.1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。1.N沟道结型场效应管的结构sgP+N导电沟道源极s栅极g漏极d6结型场效应管的符号N沟道符号dsgdsgP沟道符号7(1)g、s间和d、s间均短路的情况导电沟道具有一定的宽度并且等宽2.工作原理－－电压控制作用(以N沟道为例加以说明)8(2)g、s间加负电压和d、s间短路

UGS<0，UDS=0|UGS|增加到某一数值,耗尽区相接,沟道消失,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。等宽变化N沟道JFETUGS(off)<09UDS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。dsgUDSiD(3)g、s间短路，d、s间加正向电压

UGS=0，UDS>0随着UDS的增加，ID近似线性增加,d-s间呈电阻特性。

10UGD=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。UDSdsgAID随着UDS

增加，ID增大。沟道在漏极处越来越窄。此时，UGD=UGS（off）UDS

再增加，夹断区长度增加（AA'）。A'预夹断时，导电沟道内仍有电流ID

，且UDS增大时ID几乎不变。11g、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，相同UDS产生的ID减小。dsgUDSUGSID(4)g、s间加负向电压，d、s间加正向电压

UGS<0，UDS>0（综合（2）（3）两种情况）12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，表现出恒流特性。A'dsgUDSUGSID13预夹断情况下，对应UGS＝0时的ID最大，称为“饱和漏极电流IDSS”2.工作原理－－电压控制作用正常工作时（放大）：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，(以形成流入漏极的电流）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iD的控制。d耗尽层sgP+N导电沟道结构示意图2.工作原理－－电压控制作用143.结型场效应管的特性ID

=f(UDS)UGS=常数（1）输出特性曲线因场效应管栅极电流几乎为零，不讨论输入特性。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：可变电阻区，恒流区，夹断区及击穿区。UGS015UDS较小、曲线靠近纵轴的部分。也就是预夹断轨迹左边区域。1)可变电阻区

条件：|UGS|

<|UGS（off）

||UGD|

<|UGS（off）|预夹断轨迹：连接各曲线上UGD=UGS（off）的点特点：可通过改变UGS大小来改变漏源间电阻值。16dsgUDSiDUDS较大、ID基本不随UDS的增加而增加的部分。预夹断轨迹右边区域。2)恒流区（饱和区，放大区）条件：|UGS|

<|UGS（off）||UGD|

>|UGS（off）|特点：ID只受UGS控制17dsgUDSUGSID

导电沟道全部夹断。3)夹断区（截止区）条件：|UGS|

|

UGS（off）|

特点：ID018194)击穿区：UDS增加到一定程度，电流急剧增大(雪崩）。不允许管子工作在击穿区。sgP+N导电沟道432104812UGS

=0V–3V–4V输出特性转移特性123–1V–20–1–2–3UGS/VUGS(off)UDS/VID/mAID/mA转移特性曲线与输出特性曲线有严格的对应关系–44（2）转移特性ID

=f(UGS)UDS=常数反映UGS对ID的控制作用UDS=8VIDSS饱和漏极电流UGS=0时产生预夹断时的漏极电流放大区的转移特性曲线几乎重合。可变电阻区时，不同的UDS

，转移特性曲线有很大差别。20恒流区ID近似表达式为：30–1–2–3UGS/VUGS(off)ID/mA–4IDSS12N沟道结型场效应管，栅源之间加反向电压。P沟道结型场效应管，栅源之间加正向电压。211.4.2

绝缘栅型场效应管（MOS管)

结型场效应管输入电阻可达107，但有些情况还不足够大；另外温度升高时，PN结反向电流增大，输入电阻减小。

绝缘栅型场效应管采用sio2绝缘层隔离，栅极为金属铝，又称为MOS管，MOS管栅极与沟道之间处于绝缘状态，输入电阻大，并且易于集成。

2223MOS管分类

栅-源电压UGS为零时，无导电沟道的管子称为增强型栅-源电压UGS为零时，已建立了导电沟道的管子称为耗尽型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-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。P型硅衬底源极s栅极g漏极d

衬底引线BN+N+SiO2dBsgN沟道符号dBsgP沟道符号24SiO2P型硅衬底耗尽层衬底引线BN+N+sgdUDSID

=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1)UGS=025

由于绝缘层SiO2的存在，栅极电流为零。栅源电压产生向下的电场强度，基底靠近栅极形成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+sgd反型层2）UGS>0，UDS=026UGS到达UGS（th)后，UGS越大，反型层越宽，导电沟道电阻越小，相同的UDS产生的电流ID大，从而实现了压控电流作用。

产生反型层（导电沟道）时对应的栅-源电压称为

开启电压UGS(th)

PN+N+sgd反型层27UDS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。3）UGS>UGS(th），UDS>0P衬底BN+N+sgdUGD=UGS-UDS<UGS当UDS较小时，ID随着的UDS增加而线性增大。28

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。3）UGS>UGS(th），UDS>0P衬底BN+N+sgd2930恒流区击穿区可变电阻区夹断区输出特性转移特性（3）特性曲线恒流区ID和UGS的近似关系：ID0是UGS

=2UGS(th)时的ID。UDS=10V0123246UGS

/

VUGs(th)ID/mAID031制造时，在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

，就会产生流入漏极的电流ID。UGS<0,并且当UGS小于某一值时，导电沟道消失，此时的UGS称为夹断电压UGS(off)

。结构示意图P源极s漏极d

栅极gBN+N+正离子反型层SiO22、N沟道耗尽型MOS管32dN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33432104812UGS

=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–1012–1–2–3UGS/V2.特性曲线IDUGSUGs(off)UDS/VUDS=10VID/mAID/mA34场效应管的符号及特性76页结型N沟道结型P沟道NMOS增强型NMOS耗尽型PMOS增强型PMOS耗尽型（+）（+）（+）（+）（-）（-）（-）（-）3536判断N沟道结型场效应管的工作状态UGS（off）<0UGS<UGS（off）：夹断区UGS>UGS（off），UGD<UGS（off）：恒流区UGS>UGS（off），UGD>UGS（off）：可变电阻区37判断MOS管的工作状态N沟道增强型：UGS（th）>0UGS<UGS（th）：夹断区UGS>UGS（th），UGD<UGS（th）：恒流区UGS>UGS（th），UGD>UGS（th）：可变电阻区38P沟道增强型：UGS（th）<0UGS>UGS（th）：夹断区UGS<UGS（th），UGD>UGS（th）：恒流区UGS<UGS（th），UGD<UGS（th）：可变电阻区

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（夹断区、恒流区、可变电阻区）。管号UGS(th)/VUs/VUG/VUD/V工作状态T14-513T2-43310T3-4605恒流区夹断区可变电阻区增强型NMOSPMOS393.1.3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。增强型MOS管的参数。

（NMOS管为正，PMOS管为负）40

（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。

结型场效应管和耗尽型MOS管的参数。

（NMOS管为负，PMOS管为正）。41

（4）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。

（3）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。422、交流参数

gm是衡量栅-源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数，gm一般都较小，所以场效应管放大电路的增益较低。（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43（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。443、极限参数（1）最大漏极电流IDM(２)最大漏源电压UDS(BR)(3)最大栅源电压UGS(BR)(4)最大耗散功率PDM453.1.4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c1）FET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；2）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，温度特性能差；463）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，占用芯片面积小，电源范围宽，更多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。存储及使用时要注意。47例电路及管子的输出特性如图所示。试分析uI为0、8V和10V三种情况下uO分别为几伏。+VDD(+15V)RD5kΩuo

+-uI

+-2105101510V8V6VuDS/ViD/mA4V48

首先需要分析该管子是什么类型的场效应管。N沟道增强型MOS管2105101510V8V6VuDS/ViD/mA4V开启电压UGS(th)=4V49例电路及管子的输出特性如图所示。试分析uI为0、8V和10V三种情况下uO分别为几伏。+VDD(+15V)RD5kΩuo

+-uI

+-2105101510V8V6VuDS/ViD/mA4V50预夹断轨迹，UGD=UGS(th)4V6V+VDD(+15V)RD5kΩuo

+-uI

+-2105101510V8V6VuDS/ViD

/mA4V输入电压为8V514V（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。+VDD(+15V)RD5kΩuo

+-uI

+-uDS/V2105101510V8V6ViD/mA4V3526V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。３.２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1.自给偏压电路此电路只适用于耗尽型器件不适用于增强型器件53静态工作点分析栅极电流为0，则UGQ=0解方程求出IDQ和UGSQ54解出两个解，UGSQ一定要保证管子工作在恒流区。２、分压式偏置电路静态工作点分析直流通路55IDQ

UGSQ栅极电流为0增强型MOS管的电流方程静态工作点分析56静态分析小结利用场效应管栅极电流为0，得到栅源电压与漏极电流之间关系式。列出场效应管在恒流区的电流方程。联立上述两方程，求解UGSQ和IDQ，并推算UDSQ。注意解算后应使得管子工作在恒流区。5758例3-1自给偏压电路中,已知场效应管的输出特性,

用图解法确定Q点(1)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59QＬ59(2)根据输入回路方程作源极负载线OL例3-1自给偏压电路中,已知场效应管的输出特性,

用图解法确定Q点(3)根据输出回路方程作直流负载线MN6060QQ613.2.2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求全微分低频小信号模型MOS管简化