第四章 场效应管

场效应管第四章

4.1结型场效应管原理及其伏安特性4.2绝缘栅型场效应管原理及伏安特性4.3主要参数4.4场效应管的基本放大电路场效应管是利用电场效应来控制电流大小，与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好、噪声低。结型场效应管JFET.绝缘栅型场效应管MOS;场效应管有两种:引言：HOME场效应管的分类

1.结构及符号4.1结型场效应管N基底：N型半导体PP两边是P区G(栅极)S源极D漏极导电沟道HOMES源极NPPG(栅极)D漏极N沟道结型场效应管DGSDGSHOMES源极PNNG(栅极)D漏极P沟道结型场效应管DGSDGSHOME2.工作原理（以N沟道为例）UDS=0V时NGSDUDS=0UGSNNPPIDPN结反偏，|UGS|越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。(1)、VDS=0，G、S加负电压：HOMENGSDUDS=0UGSPPUDS=0时UGS达到一定值时（夹断电压VGS,off）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使UDS0V，漏极电流ID=0A。IDHOMENGSDUDSUGS=0UGS=0且UDS>0时耗尽区的形状PP越靠近漏端，PN结反压越大ID(2)、VGS=0，D、S加正电压：HOMENGSDUDSNNIDPPUGS越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。但当UGS较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。(3)、G、S加负电压，D、S加正电压：UGSHOMENGSDUDSUGS<VGS,off且UDS较大时UGD<VGS,off时耗尽区的形状PP沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。IDUGSHOMENGSDUDSUGS<VGS,offUGD=VGS,off时PP漏端的沟道被夹断，称为予夹断。UDS增大则被夹断区向下延伸。IDUGSHOMENGSDUDSUGS<VGS,offUGD=VGS,off时PP此时，电流ID由未被夹断区域中的载流子形成，基本不随UDS的增加而增加，呈恒流特性。IDUGSHOMEUGS0IDIDSSVGSoff3.特性曲线转移特性曲线一定UDS下的ID-UGS曲线HOME输出特性曲线UDS0IDIDSSVGS,off饱和漏极电流夹断电压某一VGS下HOME予夹断曲线UGS=0V-2V-1V-3V-4V-5V可变电阻区夹断区恒流区输出特性曲线IDUDS0HOMEP沟道结型场效应管的特性曲线转移特性曲线UGS0IDIDSSVGSoffHOME输出特性曲线P沟道结型场效应管的特性曲线予夹断曲线IDUDS2VUGS=0V1V3V4V5V可变电阻区夹断区恒流区0HOME结型场效应管的缺点：1.栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。3.栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。2.在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。HOME4.2绝缘栅型场效应管的结构和符号一.增强型MOS管结构和电路符号PNNGSDP型基底两个N区SiO2绝缘层导电沟道金属铝GSDN沟道增强型HOMENPPGSDGSDP沟道增强型HOMEN沟道耗尽型PNNGSD予埋了导电沟道GSD二、耗尽型MOS管结构与电路符号HOMEP沟道耗尽型NPPGSDGSD予埋了导电沟道HOME三、MOS管的工作原理PNNGSDUDSUGSUGS=0时D-S间总有一个反接的PN结ID=0对应截止区HOMEPNNGSDUDSUGSUGS>0时UGS足够大时（UGS>VGS(Th)）感应出足够多电子，这里出现以电子导电为主的N型导电沟道(反型层）。感应出电子（反型层）VGS(Th)称为阈值电压HOMEUGS较小时，导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，UGS越大此电阻越小。PNNGSDUDSUGSHOMEPNNGSDUDSUGS当UDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的。当UDS较大时，靠近D区的导电沟道变窄。HOMEPNNGSDUDSUGS夹断后，即使UDS继续增加，ID仍呈恒流特性。IDUDS增加，UGD=VGS(Th)时，靠近D端的沟道被夹断，称为予夹断。HOMEBVGS=constVDSiDVGS-VGS(TH)

预夹断后，夹断点向源极方向移动，沟道的长度略有减小，相应的沟道电阻略有减小，结果漏极电路稍有增大—沟道长度调制效应HOME伏安特性IDUDS0UGS>0NMOS输出特性曲线非饱和区饱和区截止区1.增强型特性曲线HOME0IDUGSVTNMOS转移特性曲线HOME耗尽型MOS管

耗尽型MOS管在uGS＞0、uGS＜0、uGS＝0时均可导通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在uGS＞0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。加正离子小到一定值才夹断uGS=0时就存在导电沟道

在集成电路中，许多MOS管都制作在同一衬底上，为了保证衬底与源、漏区之间的PN结反偏，衬底必须接在电路的最低电位上。衬底效应

若某些MOS管的源极不能处在电路的最低电位上，则其源极与衬底极不能相连，其间就会作用着负值的电压VUS,在负值衬底电压VUS作用下，P型硅衬底中的空间电荷区将向衬底底部扩展，空间电荷区中的负离子数增多。可见，VUS和VGS一样，也具有对ID的控制作用，故又称衬底电极为背栅极，不过它的控制作用远比VGS小。

实际上，VUS对ID的影响集中反映在对VGS(th)的影响上。VUS向负值方向增大，VGS(th)也就相应增大。因而，在VGS一定时，ID就减小。但是由于VGS不变，即栅极上的正电荷量不变，因而反型层中的自由电子数就必然减小，从而引起沟道电阻增大，ID减小。HOME2.耗尽型特性曲线：耗尽型的MOS管UGS=0时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。转移特性曲线0IDUGSVGSoffHOME输出特性曲线IDUDS0UGS=0UGS<0UGS>0HOME双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较(续)（1）直流参数（2）交流参数（3）极限参数HOME4.3主要参数表3-2常用场效应三极管的参数

四场效应三极管的型号1.与双极型三极管相同：第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅型场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。CS代表场效应管，××以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。场效应三极管的型号现行有两种命名方法：2.第二种命名方法是CS××#：双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较(续)4.4场效应管静态工作点的设置方法根据场效应管工作在恒流区的条件，在g-s、d-s间加极性合适的电源1.基本共源放大电路2.自给偏压电路由正电源获得负偏压称为自给偏压3.分压式偏置电路为什么加Rg3?其数值应大些小些？即典型的Q点稳定电路场效应管放大电路的动态分析近似分析时可认为其为无穷大！根据iD的表达式或转移特性可求得gm。与晶体管的h参数等效模型类比：1.场效应管的交流等效模型2.基本共源放大电路的动态分析若Rd=3kΩ，Rg=5kΩ，gm=2mS，则与共射电路比较。3.基本共漏放大电路的动态分析若Rs=3kΩ，gm=2mS，则基本共漏放大电路输出电阻的分析若Rs=3kΩ，gm=2mS，则Ro=?（三）共栅组态基本放大器其等效电路如图:共栅放大器电路如图:与共基放大器类似:输入阻抗低输出阻抗高电压增益高-+-Uo+GUiRDRLRsSDED3-24.共栅放大器典型电路电压增益为:式中:RD’=RD//RL共栅放大器等效电路(电流源)共栅放大器等效电路(电压源)ri’=

Rs//ri输入电阻为:-gmrdsUirds

+-Uo+GUiRD’RsSDId

+-3-22.共栅放大器等效电路(电压源)ri’riri=

Ui/Id1/gm当rds>>RD’,gm

rds>>1时：所以：ri’Rs//（1/gm）输出电阻为:ro’RD//rdsRDro’(四)三种接法基本放大电路的比较三种基本放大电路的比较如下组态对应关系

CE/CB/CC

CS/CG/CD电压增益三种基本放大电路的比较如下组态对应关系

CE/CB/CC

CS/CG/CD输入电阻Ri

)+/1//(

CB:

CC:CE:ieehfehRCS：RGCD：RGCG：Rs//(1/gm)三种基本放大电路的比较如下组态对应关系

CE/CB/CC

CS/CG/CD输出电阻Ro

CS：rds//RDCD：Rs//(1/gm)CG：RD表3-3FET三种组态性能比较以上表格中参数是在下列条件下求得的：gm=

1.5mA;rds=

100kRD=Rs=

10k;RG=

5M1.场效应管的种类：结型(分N沟道和P沟道两种〉和绝缘栅型(又称M0SFET）；分N沟道耗尽型和增强型,