第3章 场效应晶体管和基本放大电路

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场效应管放大电路第3章场效应晶体管和基本放大电路作业思考：3-1习题：3-3、3-4、3-7本章的重点与难点重点:理解场效应管的工作原理；掌握场效应管的外特性及主要参数；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说明结型场效应管及绝缘栅型场效应管的工作原理。

分类：结型(JFET)

绝缘栅型(IGFET)

场效应管输入回路内阻很高(107~1015)，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场效应晶体管双极型三极管电流控制IEIBICVCCVBBRCRBIBIENICNcebICBOIEP

既有多数载流子导电，又有少数载流子导电，所以称双极型晶体管。

电流控制型器件。晶体管的三个工作区

截止区：IB=0以下的区域。饱和区IC

/mAUCE

/V0IB=

0µA20µA40µA60µA80µA放大区截止区

放大区特点：ＩC=

IB

曲线几乎水平,ＩC与UCE无关，仅仅由IB决定。

饱和区特点：

ＩC

IB。IC不受IB的控制，IC随UCE增加而增加,。3.1.1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。N沟道结构示意图SiO2N源极S栅极G漏极D

NNP＋P＋1.结型场效应管的结构

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。P区和N区的交界面形成耗尽层。源极和漏极之间的非耗尽层称为导电沟。2.工作原理－－电压控制作用d耗尽层

若将G、S间加上不同的反偏电压，即可改变导电沟道的宽度，便实现了利用电压所产生的电场控制导电沟道中电流强弱的目的。

在N型硅材料两端加上一定极性的电压，多子在电场力的作用下形成电流ID。sgP＋N导电沟道结构示意图P＋

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。2.工作原理－－电压控制作用正常工作时：

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，(以形成漏极电流）d耗尽层sgP+N导电沟道结构示意图P+1)当UDS=0时，UGS对导电沟道的控制

当UGS=0时，耗尽层很窄,导电沟道宽。

随|UGS|增大，耗尽层增宽，沟道变窄，电阻增大。

|UGS|增加到某一数值,耗尽层闭和,沟道消失,沟道电阻趋于无穷大。1)当UDS=0时，UGS对导电沟道的控制由于PN结反偏，栅极电流基本为0，消耗很小。

|UGS|增加到某一数值，耗尽层闭合，沟道消失，沟道电阻趋于无穷大。定义此时UGS的值为夹断电压UGS（off）

UDSdsgID

当UDS

=0时，虽有导电沟道，但ID为零。当UDS0时，产生ID，随着UDS增加，ID增加。2）g、s间短路，d、s间加正向电压UDSdsgAID

随着UDS增加，当UGD=UGS－

UDS=

UGS（off）时,靠近漏极出现夹断点。称UGD=UGS（off）为预夹断。此时的ID称为“饱和漏极电流IDSS”。2）g、s间短路，d、s间加正向电压UDS再增加，夹断区下移，仍然存在电流ID，并且大小基本保持不变。2）g、s间短路，d、s间加正向电压dsgUDSUGSID为什么还有电流ID？

尽管UDS增加，由于沟道两端电压基本不变，而且面积基本不变，因此电流ID基本保持不变。

出现预夹断点A点的电压UGA=

UGS（off），D极和A点之间存在电位差UGD－

UGA（>0），载流子通过电场效应被D极吸收，形成电流ID

。2）g、s间短路，d、s间加正向电压dsgUDSUGSIDA

进入预夹断后，当UGS一定时，ID表现出恒流特性。此时可以把ID近似看成UGS控制的电流源。dsgUDSUGSID

称场效应管为电压控制元件。2）g、s间短路，d、s间加正向电压1）UGD>UGS（off）时（未出现夹断前），对于不同的UGS，漏源之间等效成不同阻值的电阻，ID随UDS的增加线性增加。（对应可变电组区）2）UGD=UGS（off）时，漏源之间预夹断。3）UGD<UGS（off）时，

ID几乎只决定于UGS，而与UDS

无关，可以把ID近似看成UGS控制的电流源。（对应恒流区，即放大区）通过以上分析有：结型场效应管的符号N沟道符号dsgdsgP沟道符号结型场效应管有N沟道和P沟道两种类型。

3.结型场效应管的特性（输出特性和转移特性）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。）场效应管工作区域：IDUDS可变电阻区（非饱和区）恒流区（电流饱和区、放大区）夹断区（截止区）击穿区（电流突然增大）

（预夹断轨迹：通过连接各曲线上UGD=UGS（off）的点而成。）

条件：UGD>UGS（off）。

特点：可通过改变UGS来改变漏源间电阻值。1）可变电阻区

IDUDS条件：UGD<UGS（off）特点：ID只受UGS控制。2）恒流区ID为UGS控制的电流源。IDUDS

导电沟道全部夹断。条件：｜UGS｜

UGS（off）

特点：ID04）击穿区

UDS增加到一定程度，电流急剧增大。3）夹断区（截止区）IDUDS(2)转移特性曲线ID=f(uGS)UDS=常数30–1–2–3

UGS/VUGS(off)ID/mA–4IDSS12IDSSUGS=0时产生预夹断时的漏极电流N沟结型场效应管，栅源之间加反向电压。

P沟结型场效应管，栅源之间加正向电压。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–443.1.2绝缘栅型场效应管（MOS管)栅-源电压为零时无导电沟道的管子称为增强型。栅-源电压为零时已建立导电沟道的管子称为耗尽型。MOS管分类：

N沟道（NMOS）增强型耗尽型

P沟道（PMOS）增强型耗尽型

绝缘栅型场效应管采用sio2绝缘层隔离（输入电阻更大），栅极为金属铝，又称为MOS管。1.N沟道增强型MOS管

通常衬底和源极连接在一起使用。（1）结构

栅极和衬底各相当于一个极板，中间是绝缘层，形成电容。

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BSiO2N+N+DBSGN沟道符号DBSGP沟道符号增强型MOS管符号（2）工作原理1）UGS

=0时：P衬底BN+SGDD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，ID=0。N+（2）工作原理P耗尽层衬底BN+N+SGD2）UGS

>0UDS

=0：

由于绝缘层SiO2的存在，栅极电流为零。栅极金属层将聚集大量正电荷，排斥P型衬底靠近SiO2的空穴，形成耗尽层。3）UGS继续增加，UDS

=0：

使导电沟道刚刚形成的栅-源电压称为开启电压UGS(th)

。（2）工作原理

耗尽层增宽,将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间。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。P衬底BN+N+SGD反型层

UGS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小。

将产生一定的漏极电流ID

。

ID随着的UDS增加而线性增大。P衬底BN+N+SGD4）UGS>UGS(th)

，UDS>0：（2）工作原理

此时导电沟道的宽度不再处处相等。

为什么？G极和导电沟道各点的电压不再处处相等。5）UGS

>UGS(th),UGD

=UGS(th)

：（2）工作原理

随着UDS的增大，UGD减小，当UDS增大到UGD=UGS(th)时，导电沟道在漏极一端产生夹断，称为预夹断。

此时继续增加UDS，夹断区会继续左移。但仍然有ID。为什么？

P衬底BN+N+SGD

如果没有ID，沟道处处相等。但显然不满足。

5）UGS

>UGS(th),UGD

>UGS(th)

：P衬底BN+N+SGD（2）工作原理

此时沟道两端电压保持不变，因此漏电流ID几乎不变化，管子进入恒流区。

漏级D和夹断点A的电压差：

UGD

－UGS(th)

（>0）产生电场，吸引电子，因此仍然存在电流ID

。AP衬底BN+N+SGD（2）工作原理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。恒流区击穿区可变电阻区（3）特性曲线4321051015UGS

=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V0123246UGS

/VUGs(th)输出特性转移特性UDS/VID/mA夹断区ID和UGS的近似关系：IDO是UGS

=2UGS(th)时的ID。UDS=10V0123246UGS

/VUGs(th)ID/mAIDO（3）特性曲线

制造时,在sio2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ID。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(1)结构

只有当UGS小于某一值时，才会使导电沟道消失，此时的UGS称为夹断电压UGS(off)

。dN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N沟道耗尽型MOS管的特性曲线（2）特性曲线432104812UGS

=1V–2V–3V输出特性转移特性1230V–1012–1–2–3UGS/VIDUGSUGs(off)UDS/VUDS=10VID/mAID/mANMOS耗尽型PMOS耗尽型（自学）场效应管的符号及特性NMOS增强型PMOS增强型（自学）场效应管的符号及特性P沟道结型（自学）N沟道结型场效应管的符号及特性N沟道场效应管工作状态的判断类型夹断区恒流区可变电阻区结型场效应管Ugs<Ugs（off）（Ugs（off）<0）Ugs>Ugs（off）Ugd<Ugs（off）Ugs>Ugs（off）Ugd>Ugs（off）增强型MOS管Ugs<Ugs（th）（Ugs（th）>0）Ugs>Ugs（th）Ugd<Ugs（th）Ugs>Ugs（th）Ugd>Ugs（th）耗尽型MOS管Ugs<Ugs（off）（Ugs（off）<0）Ugs>Ugs（off）Ugd<Ugs（off）Ugs>Ugs（off）Ugd>Ugs（off）P沟道场效应管工作状态的判断类型夹断区恒流区可变电阻区结型场效应管Ugs>Ugs（off）（Ugs（off）>0）Ugs<Ugs（off）Ugd>Ugs（off）Ugs<Ugs（off）Ugd<Ugs（off）增强型MOS管Ugs>Ugs（th）（Ugs（th）<0）Ugs<Ugs（th）Ugd>Ugs（th）Ugs<Ugs（th）Ugd<Ugs（th）耗尽型MOS管Ugs>Ugs（off）（Ugs（off）>0）Ugs<Ugs（off）Ugd>Ugs（off）Ugs<Ugs（off）Ugd<Ugs（off）

例：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（截止区、恒流区、可变电阻区）。管号UGS(th)/VUS/VUG/VUD/V工作状态T14-513T2-43310T3-4605恒流区截止区可变电阻区

例：测得某放大电路中三个结型场效应管的三个电极的电位及它们的夹断电压如表所示。试分析各管的工作状态（夹断区、恒流区、可变电阻区）。管号UGS(off)/VUS/VUG/VUD/V工作状态T1-45-15T2-45310T3-4203夹断区恒流区可变电阻区3.1.3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,它是增强型MOS管的参数。（NMOS管为正，PMOS管为负）

（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。是结型场效应管和耗尽型MOS管的参数（NMOS管为负，PMOS管为正）。

（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。1.直流参数dN沟道符号BsgP沟道符号dBsg2.交流参数gm=iD

/

uGSUDS=常数

gm是衡量栅-源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。（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2.交流参数（2）交流输出电阻rds

rds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。3.极限参数（见第五章）(1)最大漏极电流IDM

管子正常工作时漏极电流的上限值。(2)最大漏源电压UDS(BR)

管子进入恒流区后，使漏极电流骤然增加的UDS称为漏-源击穿电压。(管子的极限参数，使用时不可超过。)(3)最大栅源电压UGS(BR)

对于结型场效应管，使栅极与沟道间反向击穿的UGS称为栅-源击穿电压。对于绝缘栅型场效应管，使绝缘栅层击穿的UGS称为栅-源击穿电压。(4)最大耗散功率PDMPDM决定于管子允许的温升。3.极限参数（见第五章）1、场效应管利用栅源电压控制漏极电流，是电压控制元件，栅极基本不取电流（很小），输入回路电阻很大；晶体管利用基极电流控制集电极电流，是电流控制元件，基极索取一定电流，输入阻抗较小。

场效应管的栅极g、源极s、漏极d对应于晶体管的基极b、发射极e、集电极c，能实现对信号的控制。3.1.4场效应管与双极型晶体管的

比较2.晶体管的放大倍数通常比场效应管大。3.场效应管只有多子导电，而晶体管多子和少子均参与导电，场效应管比晶体管热稳定性好、抗辐射能力强。4.场效应管比晶体管噪声系数小。5.场效应管源极、漏极可以互换使用，互换后特性变化不大；而晶体管的发射极和集电极互换后特性差异很大,一般不能互换使用。3.1.4场效应管与双极型晶体管的

比较6.场效应管的种类比晶体管多，特别对于耗尽型MOS管，栅-源控制电压可正可负，均能控制漏极电流。7.MOS管的栅极绝缘，外界感应电荷不易泄放。8.场效应管和晶体管均可用于放大电路和开关电路，但场效应管具有集成工艺简单，工作电源电压范围宽，耗电省、低功耗等特点，目前越来越多的应用于集成电路中。3.1.4场效应管与双极型晶体管的

比较场效应管的电压控制

当UGS控制导电沟道宽。没有导电沟道为夹断区，出现导电沟道后，判断可变电阻和恒流区。

UDS

控制电流ID的大小。当D极出现预夹断后，脱离可变电阻区进入恒流区。UDSdsgID3.2场效应管放大电路

场效应管放大电路与晶体管电路的比较1.相同之处2.不同之处能实现对信号的控制；三种组态相对应