第五章 场效应管放大电路

第五章场效应管放大电路5.1结型场效应管5.2结型场效应管放大电路5.3金属氧化物场效应管5.4金属氧化物场效应管放大电路场效应管(FieldEffectTransistor)

：只有一种载流子参与导电，故称单极型三极管。利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管，是电压控制电流型器件。特点输入电阻高，功耗低热稳定性好，噪声低，抗辐射能力强制造工艺简单、易于集成第五章场效应管放大电路N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)场效应管分类：DSGN符号5.1结型场效应管(JunctionFieldEffectTransistor)5.1.1JFET结构及符号N型沟道N型硅棒栅极源极漏极P+P+P型区耗尽层(PN结)

在漏极和源极之间加上一个正向电压，N型半导体中多数载流子电子可以导电。N沟道场效应管P沟道场效应管

P沟道结型场效应管结构图N+N+P型沟道GSD

P沟道场效应管是在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区(N+)，导电沟道为P型，多数载流子为空穴。符号GDS5.1.2结型场效应管(JFET)工作原理

N沟道结型场效应管用改变vGS

大小来控制漏极电流ID的。(VCCS)GDSNN型沟道栅极源极漏极P+P+耗尽层*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流ID减小，反之，漏极ID电流将增加。*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。1.vGS

对导电沟道的控制作用(vDS=0)ID=0GDSN型沟道P+P+

(a)

vGS=0vGS=0时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽vGS由零逐渐减小，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。当vGS=VP，耗尽层合拢，导电沟被夹断.VP为夹断电压ID=0GDSP+P+N型沟道(b)

Vp<vGS<0VGGID=0GDSP+P+

(c)

vGS

＜VPVGG2.vDS

漏极电流iD的影响(1)vGS

＝0当vDS=0时，iD=0ID=0GDSP+P+N型沟道(b)

Vp<vGS<0VGG2.vDS

漏极电流iD的影响GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG

vDS

iD

，同时G、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。vGD

＝vGS

－vDS

(1)–vDS>VPGDSP+NiSiDP+P+VDDVGG(1)

改变vGS

，改变了PN结中电场，控制了iD

，故称场效应管；(2)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使PN反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。(c)当vDS增加到使-vGD=VP时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时vDS

夹断区延长沟道电阻iD基本不变，表现出恒流特性。2.vDS

漏极电流iD的影响(VP<vGS<0)GDSNiSiDP+P+VDD当vDS=0时，iD=0vGD

＝vGS

－vDS

2.vDS

漏极电流iD的影响GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG

vDS

iD

，同时G、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。vGD

＝vGS

－vDS>VPGDSP+NiSiDP+P+VDDVGG(1)

改变uGS

，改变了PN结中电场，控制了iD

，故称场效应管；(2)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使PN反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。(c)当vDS增加到使vGD=VP时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时vDS

夹断区延长沟道电阻iD基本不变，表现出恒流特性。此时饱和电流iD小于vGS=0时的饱和电流Idss.GDSiSiDP+VDDVGGP+P+(1)

改变vGS

，改变了PN结中电场，控制了iD

，故称场效应管；(2)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使PN反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。2.vDS

漏极电流iD的影响(vGS≤VP)沟道夹断

iD=0小结(1)当vDS使vGD

＝vGS

－vDS

>Vp情况下,d-s间等效成不同阻值的电阻。(2)当vDS使vGD

＝Vp时，d-s之间预夹断(3)当vDS使vGD<Vp时，iD几乎仅仅决定于vGS

，而与vDS

无关。此时，可以把iD近似看成vGS控制的电流源。二、结型场效应管的特性曲线1.转移特性(N沟道结型场效应管为例)vDSiDVDDVGGDSGV+V+vGS特性曲线测试电路+mA

1.转移特性OvGS/ViD/mAIDSSVP转移特性

结型场效应管转移特性曲线的近似公式：≤≤vGS=0，iD

最大；vGS

愈负，iD

愈小；vGS=VP，iD

0。两个重要参数饱和漏极电流

IDSS(VGS=0时的ID)夹断电压VP(iD=0时的VGS)IDSS/ViD/mAvDS

/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7预夹断轨迹恒流区

可变电阻区输出特性夹断区vDSiDVDDVGGDSGV+V+vGS特性曲线测试电路+mA击穿区2.输出特性曲线

当栅源之间的电压UGS不变时，漏极电流iD

与漏源之间电压uDS

的关系，即(a)漏极输出特性曲线(b)转移特性曲线N沟道结型场效应管的特性曲线＊结型P沟道的特性曲线SGD转移特性曲线iDUGS（Off）IDSSOuGS输出特性曲线iDUGS=0V+uDS++o栅源加正偏电压，(PN结反偏)漏源加反偏电压。1.4.3场效应管的主要参数一、直流参数饱和漏极电流

IDSS2.夹断电压UP或UGS(off)3.开启电压UT

或UGS(th)4.直流输入电阻RGS为耗尽型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。输入电阻很高。结型场效应管一般在107以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于109。二、交流参数1.低频跨导gm2.极间电容

用以描述栅源之间的电压uGS

对漏极电流iD

的控制作用。单位：iD

毫安(mA)；uGS

伏(V)；gm毫西门子(mS)

这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括Cgs、Cgd、Cds。

极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。三、极限参数3.漏极最大允许耗散功率PDM2.漏源击穿电压U(BR)DS4.栅源击穿电压U(BR)GS

由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。

场效应管工作时，栅源间PN结处于反偏状态，若UGS>U(BR)GS

，PN将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。1.最大漏极电流IDM5.3绝缘栅型场效应管MOSFETMetal-OxideSemiconductorFieldEffectTransistor

由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS场效应管。特点：输入电阻可达109～1015。VGS=0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；VGS=0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。5.3.1N沟道增强型MOS场效应管

结构P型衬底N+N+BGSDSiO2源极S漏极D衬底引线B栅极GN沟道增强型MOS场效应管的结构示意图SGDB箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)(1)工作原理

绝缘栅场效应管利用vGS

来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流iD。(2)工作原理分析1)vGS=0

漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性电压，在D、S间也不可能形成电流。SBD

2)

vDS=0，0<vGS<VT

栅极金属层将聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近SiO2

一侧的空穴，形成由负离子组成的耗尽层。漏源间仍无载流子的通道，FET仍不具备导通条件，处于截止状态。

3)

vDS=0，vGS≥VT

由于吸引了足够多P型衬底的电子，会在耗尽层和SiO2之间形成可移动的表面电荷层——反型层、N型导电沟道。

vGS

升高，N沟道变宽。因为vDS=0，所以iD=0。VT为开始形成反型层所需的VGS，称开启电压。4)

vDS

对导电沟道的影响(vGS

>VT)

导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流iD

。b.UDS=UGS–VT，

UGD=VT

靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。

由于夹断区的沟道电阻很大，vDS

逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，iD因而基本不变。a.UDS<UGS–VT，即UGD=UGS–UDS>VTc.UDS>UGS–VT，

UGD<VTA

vDS

对导电沟道的影响(a)

UGD>VT(b)

UGD=VT(c)

UGD<VT在vDS

>vGS–VT时，对应于不同的vGS就有一个确定的iD

。此时，可以把iD近似看成是vGS控制的电流源。(a)转移特性(b)输出特性vGS<VT

，iD=0；UGS≥VT

，形成导电沟道，随着vGS

的增加，iD

逐渐增大。(当vGS

>VT时)

三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、夹断区。UT2UTIDOvGS/ViD/mAOiD/mAvDS

/VO预夹断轨迹恒流区

可变电阻区夹断区。VGS增加(3)特性曲线5.3.2N沟道耗尽型MOS场效应管P型衬底N+N+BGSD++++++

制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在P型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使vGS=0也会形成N型导电沟道。++++++++++++

vGS≥0，vDS>0，产生较大的漏极电流；

vGS<0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，iD

减小；

vGS=

VP,感应电荷被“耗尽”，iD

0。VP为夹断电压耗尽型MOSFETN沟道耗尽型MOS管特性工作条件：vDS>0；vGS

正、负、零均可。iD/mAvGS

/VOUP(a)转移特性IDSS符号SGDB(b)输出特性iD/mAvDS

/VO+1VvGS=0-3V-1V-2V432151015205.3.4P沟道MOSFET1.P沟道增强型MOS管的开启电压VT<0当UGS<VT

，漏-源之间应加负电源电压管子才导通,空穴导电。2.P沟道耗尽型MOS管的夹断电压VT＞0VT

可在正、负值的一定范围内实现对iD的控制，漏-源之间应加负电源电压。SGDBP沟道SGDBP沟道种类符号转移特性曲线输出特性曲线

结型N沟道耗尽型

结型P沟道耗尽型

绝缘栅型

N沟道增强型SGDSGDiDvGS=0V+vDS++oSGDBvGSiDOVT各类场效应管的符号和特性曲线+vGS

=VTvDSiD+++OiDvGS=0V---vDSOvGSiDVPIDSSOvGSiD/mAVPIDSSO种类符号转移特性曲线输出特性曲线绝缘栅型N沟道耗尽型绝缘栅型P沟道增强型耗尽型IDSGDBvDSiD_vGS=0+__OiDvGSVPIDSSOSGDBIDSGDBIDiDvGSVTOiDvGSVPIDSSO_iDvGS=VTvDS_o_vGS=0V+_iDvDSo+HomeNext

例5.3.1

已知各场效应管的输出特性曲线如图所示。试分析各管子的类型。解:(a)iD>0（或vDS>0），则该管为N沟道；vGS0，故为JFET（耗尽型）。

(b)iD<0（或vDS<0），则该管为P沟道；vGS<0，故为增强型MOS管。

(c)iD>0（或vDS>0），则该管为N沟道；vGS可正、可负，故为耗尽型MOS管。提示：场效应管工作于恒流区：（1）N沟道增强型MOS管：VDS>0,VGS>VGS(th)>0；P沟道反之。（2）

N沟道耗尽型MOS管：VDS>0,VGS可正、可负，也可为0；P沟道反之。

（3）N沟道JFET：VDS>0,VGS<0；P沟道反之。

例5.3.2

电路如图

(a)所示，场效应管的输出特性如图

(b)所示。试分析当uI=2V、8V、12V三种情况下，场效应管分别工作于什么区域。

(c)当uI=10V

时，假设管子工作于恒流区，此时iD=2mA，故uO

=uDS

=VDD-iD

Rd=18-28=2V，

uDS

-VGS(th)=2-6=-4V，显然小于uGS

=10V时的预夹断电压，故假设不成立，管子工作于可变电阻区。此时，RdsuDS/iD=3V/1mA=3k，故解:(a)当uI=2V

时，uI=uGS<VGS(th)

，场效应管工作于夹断区，iD=0，故uO=VDD-iD

Rd=VDD=18V。

(b)当uI=8V

时，假设管子工作于恒流区，此时iD=1mA，故uO

=uDS

=VDD-iD

Rd=18-18=10V，

uDS

-VGS(th)=10-4=6V，大于uDS

=10V时的预夹断电压，故假设成立。例5.3.1

已知某管子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（结型、绝缘栅型、N沟道、P沟道、增强型、耗尽型）。分析：N沟道增强型MOS管，开启电压VT

＝4V例1.4.2电路如左图所示，其中管子T的输出特性曲线如右图所示。试分析ui为0V、8V和10V三种情况下uo分别为多少伏？分析：N沟道增强型MOS管，开启电压UGS(th)

＝4V解：(1)ui为0V，即uGS＝ui＝0，管子处于夹断状态

所以u0＝VDD

＝15V(2)uGS＝ui＝8V时，从输出特性曲线可知，管子工作在恒流区，iD＝1mA，

u0＝uDS

＝VDD-iD

RD

＝10V(3)uGS＝ui＝10V时，若工作在恒流区，iD＝2.2mA。因而u0＝15-2.2*5

＝4V但是，uGS

＝10V时的预夹断电压为uDS=uGS–UT=(10-4)V=6V可见，此时管子工作在可变电阻区从输出特性曲线可得uGS

＝10V时d-s之间的等效电阻(D在可变电阻区，任选一点，如图)所以输出电压为

(4)由于场效应管的结构对称,有时漏极和源极可以互换使用,而