第5章场效应管及放大器

5.1结型场效应管

5.1.1结型场效应管的结构（以N沟为例）：5场效应管放大电路场效应管与晶体管不同，它是利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。这种器件不仅兼有体积小、重量轻、耗电省、寿命长等优点，而且还有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单的优点，场效应管中是多子（一种）导电（单极性器件）。根据结构的不同场效应管有两种:结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管MOSFETN沟道P沟道耗尽型增强型耗尽型增强型N沟道P沟道N沟道JFETP沟道JFET动画(JFET的结构）

N沟道JFET，是在一根N型半导体棒两侧通过高浓度扩散制造两个重掺杂P++型区，形成两个PN结，将两个P++区接在一起引出一个电极，称为栅极(Gate)，在两个PN结之间的N型半导体构成导电沟道。在N型半导体的两端各制造一个欧姆接触电极，这两个电极间加上一定电压，便在沟道中形成电场，在此电场作用下，形成由多数载流子——自由电子产生的漂移电流。我们将电子发源端称为源极(Source)，接收端称为漏极(Drain)。在JFET中，源极和漏极是可以互换的。5.1.2结型场效应管的工作原理

（1）栅源电压(vGS)对沟道(iD)的控制作用②当vGS＜0时，PN结反偏，│vGS│↑时

耗尽层加厚沟道变窄（沟道电阻增大）。vGS继续减小，沟道继续变窄。③当│vGS│到一定值时，沟道会完全合拢，此时称沟道夹断，对应的栅源电压vGS称为

夹断电压VP

（或VGS(off)

）。对于N沟道的JFET，VP<0。。定义：夹断电压Vp——

使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压vGS。

在栅源间加负电压vGS

，令vDS

=0

①当vGS=0时，为平衡PN结，导电沟道最宽。vGSiD=0耗尽层P+P+Nds+-gvGSiD=0耗尽层耗尽层P+P+Nds+-gvGSiD=0耗尽层耗尽层P+P+ds+-g（2）漏源电压(vDS)对沟道(iD)的控制作用

在漏源间加电压vDS

，当vGS

=0

由于vGS

=0，所以导电沟道最宽。

①当vDS=0时，

iD=0。②v

DS↑→iD

↑

→靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，沟道呈楔形分布。③当vDS继续增大

，使vGD=vGS-vDS=VP时，在靠漏极处夹断——预夹断，。预夹断前，

vDS↑→iD

↑。预夹断后，

vDS↑→iD

几乎不变。④v

DS再继续增大↑→夹断区延长（预夹断点下移）→沟道电阻↑→iD

基本不变。vGSiD=0耗尽层P+P+Nds+-VDDvDS+-gvGSiD=0Nds+-耗尽层P+P+VDDvDS+-gvGSiD=0Nds+-耗尽层P+P+AVDDvDS+-gvGSiD=0Nds+-耗尽层P+P+VDDvDS+-g

（3）栅源电压vGS和漏源电压vDS共同作用当VP

<vGS<0时，导电沟道更容易夹断，对于同样的vDS

，iD的值比vGS=0时的值要小。在预夹断处vGD=vGS-vDS=VP

动画(工作原理）综上分析可知①沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也

称为单极型三极管。③JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制④预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。#

为什么JFET的输入电阻比BJT高得多②JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此iG

0，输入电阻

很高。？②电流饱和区(Ⅱ)（恒流区）：预夹断后。

特点：1.输出特性曲线：

iD=f（v

DS）│vGS=常数

5.1.3结型场效应管的特性曲线③击穿区(Ⅲ)。④夹断区（截止区）。

v

GS<VP（即沟道全夹断），此种情况下iD≈0。

N沟道JFET输出特性曲线截止区0.8-0.6-0.4-0.2-0-iD

/mAvDS

/VvGS=0V-0.4V-0.8V4810121620预夹断轨迹Ⅰ区Ⅱ区Ⅲ区

四个区：①可变电阻区(Ⅰ)：预夹断前。即：

△iD

=gm△v

GS（放大原理）vGSiD=0Nds+-耗尽层P+P+AVDDvDS+-g动画(JFET输出特性）

(a)N沟道JFET输出特性曲线2.转移特性曲线：

IDSS(b)转移特性曲线ABC-0.8-0.6-0.40.20iD

/mAvGS

/VVP-0.8-0.40IDSSCBAvDS

=10V(当

时)

IDSS为零栅压的漏极电流（通常令vDS=10V

)

，称为漏极饱和电流。IDSS下标中的第二个S表示栅源极间短路的意思。(1)作图法求出转移特性曲线0.8-0.6-0.4-0.2-0-iD

/mAvDS

/VvGS=0V-0.4V-0.8V4810121620预夹断轨迹Ⅰ区Ⅱ区Ⅲ区截止区(2)利用方程求出转移特性曲线动画(JFET转移特性）

3.主要参数1.夹断电压VP(耗尽型)

通常令vDS

为某一固定值（如10V)，使漏极电流

iD为某一微小电流(如50μ

A)

时vGS的

值。VP2.饱和漏极电流IDSS在vGS

=0的情况下，当v

DS>|VP|（即预夹断点以后）时的漏极电流称为漏极饱和电流。通常令vDS=10V，vGS=0V时测出的iD

就是IDSS。vGS/ViD/mAO3.直流输入电阻RGS:在漏源短路的情况下，栅源之间加一定的电压时的栅源直流电阻就是直流输入电阻RGS。一、直流参数IDSS1.低频互导（跨导）gm：

反映了vGS

对iD

的控制能力，单位S(西门子)。一般为几毫西

(mS)。QO2.输出电阻rd：1.最大漏极电流IDM:管子正常工作时漏极电流允许的上限值。2.最大耗散功率PDM:管子正常工作时允许消耗功率的上限值。

二、交流参数三、极限参数3.最大漏源电压V(BR)DS:是指发生雪崩击穿,iD开始急剧上升时的vDS。4.最大栅源电压V(BR)GS：是指栅源间反向电流开始急剧上升时的vGS。vGS/ViD/mAO输出电阻rd说明了vDS

对iD

的影响，是输出特性某一点上切线斜率的倒数，在线性放大区，切线斜率很小，所以rd很大（几十KΩ～几百KΩ）。5.2绝缘栅(金属-氧化物-半导体（MOS）)场效应管绝缘栅场效应管的结构如图5.2.1所示，其中图(a)为立体结构示意图，图(b)为平面结构示意图。图5.2.1绝缘栅(金属-氧化物-半导体)场效应管结构示意图(a)立体图；(b)剖面图图5.2.1绝缘栅(金属-氧化物-半导体)场效应管结构示意图(a)立体图；(b)剖面图5.2.1N

沟道增强型

MOSFET(Mental

Oxide

Semi—FET).5.2绝缘栅(金属-氧化物-半导体（MOS）)场效应管1.结构与符号P型衬底(掺杂浓度低)N+N+用扩散的方法制作两个高掺杂的N+

区在硅片表面生长一层很薄的SiO2绝缘层S

D用金属铝引出源极S和漏极DG在绝缘层上喷金属铝引出栅极GB耗尽层SGDBS—源极SourceG—栅极GateD—漏极Drain动画(MOSFET的结构）VGGVDDbsgdP型衬底N型（感生）沟道N+N+

vGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当vGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层。即N型沟道，因导电类型与P衬底相反，故又称为反型层。

把开始形成沟道时的栅源电压称为开启电压，用VT表示。

当vGS＞0,但vGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏源极之间仍无导电沟道出现。

增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。当vGS=0时，不论vDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，这时漏极电流iD≈0。2.工作原理（1）vGS对iD及沟道的控制作用VGGVDDbsgdP型衬底N+N+VGGVDDbsgdP型衬底N+N+VGGVDDbsgdP型衬底N型（感生）沟道N+N+iD迅速增大VGGVDDbsgdP型衬底N型（感生）沟道夹断区N+N+iD饱和(2)vDS

对

iD的影响(vGS

>VT，已产生沟道)

DS间的电位差使沟道呈楔形，vDS，靠近漏极端的沟道厚度变薄。预夹断(临界条件为vGD

=vGS-vDS

=VT时)：漏极附近反型层消失,它是可变电阻区与饱和区的分界点。预夹断发生之前：

vDS↑

→

iD↑。预夹断发生之后：vDS↑

→

iD不变。VGGVDDbsgdP型衬底N型（感生）沟道N+N+iD饱和3.特性曲线vDS

=10VVT

开启电压(1).转移特性曲线O2464321vGS/ViD/mA动画(MOSFET工作原理）(2)输出特性曲线①可变电阻区：vDS

≤

vGS

VT，即vGD

≥

VT，预夹断前，vDS↑

iD

↑（近似线性），直到预夹断。②饱和区(恒流区、放大区)：vDS↑，iD

不变。vDS

加在耗尽层上，沟道电阻不变③截止区：vGS

VT

全夹断

iD=0

饱和区恒流区vGS在恒流区内，当

vGS

>VT

时：ID0是vGS

=2VT

时的

iD值48121620O4-3-2-1-iD

/mAvDS

/V5VvGS=3V4V预夹断轨迹Ⅰ区Ⅱ区Ⅲ区可变电阻区截止区放大区④击穿区(Ⅲ)

。5.2.2耗尽型

N沟道

MOSFETSGDB

由于SiO2绝缘层中掺入足够浓度的正离子，在

vGS

=0时已形成沟道；如果在D、S间加正电压vDS

就形成

iD，但当vGS

VP

时，沟道全夹断。输出特性转移特性IDSSVP夹断电压饱和漏极电流当

vGS

VP

时(即：VP点以右，沟道没有全夹断），vDS/ViD/mAvGS

=4V2V0V2VOOvGS/ViD/mAIDSS

IDSS称为漏极饱和电流，它是零栅源电压（即

vGS

=0）管子工作在放大区的漏极电流。IDSS下标中的第二个S表示栅源极间短路的意思。

vGS=0时，漏源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道)，加上正向电压vDS，就有电流iD。加上正的vGS，沟道加宽，沟道电阻变小，iD增大。vGS为负时，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。当vGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，iD趋于零，管子截止，故称为耗尽型。沟道刚好消失时所加的栅源电压称为夹断电压，仍用VP表示。N沟道结型场效应管只能在vGS<0的情况下工作。N沟道耗尽型MOS管在①vGS=0，②vGS>0，③VP<vGS<0的情况下均可工作。P沟道

MOSFET增强型耗尽型SGDBSGDBN沟道增强型SGDBiDOvGS/ViD/mAVTN沟道耗尽型iDSGDBVPvGS/ViD/mA

OFET符号、特性的比较5.2.3各种FET的特性比较及使用注意事项O

vDS/ViD/mAvGS

=5V4V3V2VO

vDS/ViD/mAvGS

=0.2V0V-0.2V-0.4VN沟道结型SGDiDO

vDS/ViD/mAvGS

=0V-1V-2V-3VVPvGS/ViD/mA

OIDSSP沟道增强型SGDBiDO-vDS/ViD/mAvGS

=-6V-5V-4V-3V

OvGS/ViD/mAVTSGDBiDP沟道耗尽型iD/mAvGS

=0V+1V-1VO-vDS/V+2VVPvGS/ViD/mA

OSGDiDP沟道结型O-vDS/ViD/mAvGS

=0V+1V+2V+3VVPIDSSvGS/ViD/mA

O四、场效应管使用注意事项1.MOS管栅、源极之间的电阻很高，使得栅极的感应电荷不易泄放，因极间电容很小，会造成电压过高使绝缘层击穿。因此，保存MOS管应使三个电极短接，避免栅极悬空。焊接时，电烙铁的外壳应良好地接地，或烧热电烙铁后切断电源再焊。2.有些场效应晶体管将衬底引出，故有4个管脚，这种管子漏极与源极可互换使用。但有些场效应晶体管在内部已将衬底与源极接在一起，只引出3个电极，这种管子的漏极与源极不能互换。3.使用场效应管时各极必须加正确的工作电压。4.在使用场效应管时，要注意漏、源电压、漏源电流及耗散功率等，不要超过规定的最大允许值。五、双极型和场效应型三极管的比较各类型场效应管的特性比较见P：2371.直流偏置电路：保证管子工作在饱和区，输出信号不失真

5.3

场效应管放大电路（1）自偏压电路VGS=-IDR

注意：由于该电路只能产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。计算Q点：VGS、ID、VDSvGS

=再由VDS=VDD-ID(Rd+R)解出VDS已知VP、IDSS，由-iDR从而可解出Q点的VGS、ID、VDS

5.3.1FET的直流偏置电路及静态分析源极旁路电容可解出VGS、IDRd30KΩR2KΩRg10MΩsgdCb10.01μFCb24.7μFC47μF++++__VDD18Vv0viTRL图5.4.1（ａ）（2）分压式自偏压电路VDS=VDD-ID(Rd+R)可解出Q点的VGS、ID、VDS计算Q点：已知VP、IDSS

，由该电路产生的栅源电压可正可负，所以适用于所有的场效应管电路。Rd30KΩR2KΩRg247KΩRg12MΩRg310MΩsgdCb10.01μFCb24.7μFC47μF++++__VDD18Vv0viT图5.3.1（ｂ）例5.3.1电路参数图4.4.1（ｂ）所示，Ｒｇ１＝２ＭΩ，Ｒｇ２＝４７ＫΩ，Ｒｇ３＝１０ＭΩ，Ｒｄ＝３０ＫΩ，Ｒ＝２ＫΩ，ＶＤＤ＝１８Ｖ，ＦＥＴ的ＶＰ＝－１Ｖ，ＩＤＳＳ＝０．５ｍＡ，试确定Ｑ点。解：将已知数代入方程后可得2静态工作点的确定Rd30KΩR2KΩRg247KΩRg12MΩRg310MΩsgdCb10.01μFCb24.7μFC47μF++++__VDD18Vv0viT图5.4.1（ｂ）5.3.2FET放大电路的小信号模型分析法

与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件，而在交流小信号情况下，也可以由它的线性等效电路（交流小信号模型）来代替。

其中：①rgs是输入电阻，理论值为无穷大。

②gmvgs是压控电流源，它体现了输入电压对输出电流的控制作用。gm称为低频跨导。

③rd为输出电阻，类似于双极型晶体管的rce。1.FET的小信号模型sgdiD++__vGSvDSrgs++__gsdrdgmVgs·Vgs·Vds·Id·共源放大电路2.应用小信号模型法分析FET放大电路（1）画出共源放大电路的交流小信号等效电路。

（2）求中频电压放大倍数忽略rd（即为∞）由输入输出回路得则（3）求输入电阻（4）求输出电阻则由于rgs=∞

Vgs·+_rgssrdgmVgs·Vi·Vo·RdRRg2Rg1Rg3gd++__Rd30KΩR2KΩRg247KΩRg12MΩ