场效应管及放大电路1

第3章场效应管及其基本放大电路场效应管（FieldEffectTransistor，简称FET）双极型三极管

BJT场效应管

FET电流控制电流型器件（iB→iC）电压控制电流型器件（vGS→iD）两种载流子（电子和空穴）都参与导电，故称双极型三极管只有一种载流子（电子或空穴）参与导电，故称单极型三极管

FET的分类：N沟道P沟道N沟道P沟道按导电载流子增强型耗尽型增强型耗尽型按导电沟道的形成机理根据结构的不同结型场效应管

(JFET)金属－氧化物－半导体场效应管

(MOSFET)3.1.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管

1、N沟道增强型MOS管结构

漏极d，源极s，栅极g垂直短画线代表增强型导电沟道；箭头方向表示由P（衬底）指向N（沟道）衬底B和源极s通常是接在一起的。注意：栅极与源极、漏极均无电接触，故称为绝缘栅极。符号SiO2绝缘层铝电极衬底B工作原理(a)vGS=0时，没有导电沟道两个背靠背的PN结；不管vDS

极性如何，总有一个PN结反偏；

iD=0，即管子截止。（b）vGS＝VGG＞0V，

vDS＝0V时栅极（铝层）和P型衬底（硅片）相当于以SiO2为介质的平行板电容器在栅源电压vGS作用下，产生由栅极指向P型衬底的纵向电场。纵向电场排斥空穴而吸引电子①使栅极附近P型衬底中的空穴被排斥；②P型衬底中的电子被吸引到栅极下的衬底表面。当vGS达到一定数值（VT）时，电子在栅极下的衬底表面形成一个电子薄层，即：N型导电沟道。反型层N型导电沟道在vGS＝0时没有导电沟道；而栅源电压增强到一定值才形成导电沟道的场效应管，称为增强型场效应管。(vGS

越大，导电沟道越宽)VT开启电压：形成导电沟道所需的栅源电压vGS。栅极电流iG＝0iG=0因为此时vDS=0，所以漏极电流iD=0.（c）当vGS＞VT，vDS=VDD>0且较小时，iD≠0，且vDS越大→iD越大；沟道在靠漏极区变窄。（此时vGD=vGS－vDS

>VT，即：

vDS

<vGS－VT)沟道靠漏极区夹断，称为预夹断；但仍有电流iD，若vDS再增大，则预夹断区加长；iD基本上不变，只有沟道全部夹断时，才使iD＝0。（d）当vGS＞VT，vDS=VGS-VT时，特性曲线由于MOSFET的栅极电流iG≈0，因此很少用输入特性曲线，常用的特性曲线有：输出特性曲线、转移特性曲线。①输出特性曲线：

iD=f(vDS)vGS=const

②转移特性曲线：

iD=f(vGS

)vDS

=const①输出特性曲线：iD=f(vDS)vGS=const(a)截止区（夹断区）：vGS<VT

导电沟道尚未形成，iD=0。(b)可变电阻区(预夹断前)：vGS

VT且vDS<vGS-VT

,随vDS↑,iD↑受vGS

控制的可变电阻(c)饱和区(预夹断后)

：vGS

VT且vDSvGS–VT

，iD不随vDS变化MOSFET处于可变电阻区时，相当于一个压控可变电阻恒流区时，相当于一个压控电流源。

②转移特性曲线：iD=f(vGS

)vDS

=const

可根据输出特性曲线，作出转移特性曲线。例：作vDS=10V的一条转移特性曲线：开启电压VT电压控制电流型器件，当vDS为某一定值时，iD

受vGS

控制。2、N沟道耗尽型MOSFET

在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以，即使vGS=0，这些正离子已在s、d极之间的衬底上感应出电子，形成了N型沟道。特点：当vGS=0时，有沟道，加入vDS，有iD。当vGS＞0时，沟道增宽，iD进一步增加。当vGS＜0时，沟道变窄，iD减小。当vGS<0达到某一值（VP）时，沟道被完全夹断，此时，即使有vDS，也不会有iD。夹断电压（截止电压），VP为负值沟道被完全夹断前，vDS

对iD

的控制作用同增强型MOS管。N沟道耗尽型MOSFET的特性曲线可在正、负栅源电压vGS下工作；夹断电压VP为负值。夹断电压VP①输出特性曲线：

iD=f(vDS

)vGS=const②转移特性曲线：

iD=f(vGS

)vDS

=const饱和漏极电流iDSS

（vGS=0时的漏极电流）3、P沟道MOSFET

P沟道、N沟道MOSFET的工作原理完全相同，只有：导电的载流子不同，供电电压极性不同，漏极电流方向不同。（这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。）4、沟道长度调制效应（了解）

vDS对沟道长度的调制效应：实际MOS管工作在饱和区时，当vGS固定，而增加vDS时，iD会有所增加，即输出特性的每根曲线会向上倾斜。N沟道增强型N沟道耗尽型3.1.2结型场效应管

（JFET）1.结构在一块N型半导体两边，扩散高浓度的P型区（用P＋表示），形成两个PN结。两PN结中间的N型区域，称为导电沟道。三个电极：栅极g、漏极d、源极s

N沟道JFET

P沟道JFETN沟道JFET工作时，电压偏置要求：1.栅源极间加一负电压(vGS＜0)作用：使PN结反偏，栅极电流iG≈02.漏源极间加一正电压(vDS＞0)作用：使N沟道中的多子电子在电场作用下，由源极向漏极作运动，形成漏极电流iD（由漏极到源极，流进漏极）。

2.结型场效应管的工作原理

N沟道和P沟道JFET的工作原理完全相同。以N沟道JFET为例，分析其工作原理。讨论NJFET的工作原理，就是：1）讨论vGS

对iD

的控制作用；2）讨论vDS

对iD

的影响。

iD（1）vGS

对iD的控制作用（设vDS＝0）①当vGS=0时，导电沟道较宽，其电阻较小。②当vGS=-VGG,且│vGS│↑时，PN结反偏，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。③当│vGS│↑到一定值（│VP│）时，两侧的耗尽层在中间合拢，沟道被夹断，沟道电阻趋于无穷大。夹断电压VP：导电沟道消失（耗尽层合拢）所需的vGS。（VP为负值）可见：①

改变vGS大小，可控制沟道宽度和沟道电阻的大小。②若加上固定的正向漏源电压vDS，则漏极流向源极的电流iD

将受vGS

控制，|vGS|增大时，沟道电阻增大，iD

减小。（2）vDS

对iD

的控制作用（设vGS=0）①当vDS=0时，导电沟道较宽，iD=0。②当vDS＝VDD时，vDS沿沟道产生一个电位梯度，整个沟道呈楔形分布，越靠近漏极d处，沟道越窄。vDS

↑→iD↑，iD与vDS

近似呈线性关系。③当vDS

↑到一定值时，在靠近漏极处两耗尽层相遇，沟道夹断.（预夹断）∵预夹断处PN结的反偏电压vGD=VP(负值)

，即vGS

-vDS=VP，∴vDS=

vGS

-VP④vDS再↑，夹断区延长，iD

趋于饱和，不再随vDS的增加而增加。①②③④（3）vGS

和vDS

共同作用vGS

：负电压，使导电沟道变窄；vDS

：正电压，使导电沟道进一步变得不等宽。P沟道JFET工作时,电源极性、漏极电流方向，都与N沟道JFET的相反。

3.1.3结型场效应管的特性曲线①输出特性曲线：图3.1.12（b）可变电阻区（预夹断前）：VP<vGS≤0，vDS<vGS－VP，vDSiD，JFET相当于一个压控可变电阻。（a）截止区（夹断区）：

vGS<VP,iD=0

（c）饱和区（预夹断后）：VP<vGS

≤0，vDS≥vGS－VP,

iD大小受vGS控制，不随vDS变化，

JFET相当于一个压控电流源。其中，IDSS饱和漏极电流（即：vGS=0时的漏极电流）根据输出特性曲线，可作出移特性曲线。例：作vDS=10V的一条转移特性曲线：②

转移特性曲线：夹断电压（负值）饱和漏极电流（增强型MOS管的）开启电压VT（耗尽型MOS管的）夹断电压VP（耗尽型MOS管的）饱和漏极电流IDSS3.1.4场效应管的主要参数一、直流参数：二、交流参数：1、输出电阻：在饱和区，

当不考虑沟道调制效应时，rds→∞；当考虑沟道调制效应时，反映vD