第4章 场效应管及其基本放大电路

第4章场效应管及其基本放大电路4.1引言4.2场效应管4.3场效应管基本放大电路1.场效应管是如何通过栅源电压控制漏极电流的？2.场效应管的输出特性曲线和转移特性曲线与双极型晶体管有何异同？3.场效应管基本放大电路的静动态性能指标与双极型晶体管基本放大电路有何异同？4.场效应管基本放大电路的频率特性与双极型晶体管基本放大电路有何异同？4.1引言4.2场效应管场效应管：一种载流子参与导电，利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管，又称单极型三极管。场效应管分类结型场效应管绝缘栅场效应管特点单极型器件(一种载流子导电)；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。

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：4.2.1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1010以上。类型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型UGS=0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；UGS=0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。一、N沟道增强型MOSFET1.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MOSFET的结构示意图SGDB2.工作原理绝缘栅场效应管利用UGS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。(1)栅源电压UGS对漏极电流iD的控制作用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，总是不导电。SBDUDS=0，0<UGS<UGS(th)P型衬底N+N+BGSD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。增大UGS耗尽层变宽。VGG---------UDS=0，UGS≥UGS(th)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——---N型沟道反型层、N型导电沟道。UGS升高，N沟道变宽。因为UDS=0，所以ID=0。UGS(th)或UT为开始形成反型层所需的UGS，称开启电压。(2)漏源电压UDS对漏极电流iD的影响(UGS>UT)导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流ID。UDS=UGS–UT，

UGD=UT靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。UDS>UGS–UT，

UGD<UT由于夹断区的沟道电阻很大，UDS逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，iD因而基本不变。UDS<UGS–UT，即UGD=UGS–UDS>UTP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区DP型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区UDS对导电沟道的影响(a)

UGD>UT(b)

UGD=UT(c)

UGD<UT在UDS>UGS–UT时，对应于不同的uGS就有一个确定的iD。此时，可以把iD近似看成是uGS控制的电流源。3.特性曲线与电流方程(2)转移特性UGS<UT，iD=0；UGS

≥

UT，形成导电沟道，随着UGS的增加，ID

逐渐增大。(当UGS>UT时)UT2UTIDOuGS/ViD/mAO(1)输出特性三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、夹断区。iD/mAuDS/VO预夹断轨迹恒流区可变电阻区夹断区UGS增加二、N沟道耗尽型MOSFETP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UGS=0也会形成N型导电沟道。++++++++++++UGS=0，UDS>0，产生较大的漏极电流；UGS<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；UGS=

UP,感应电荷被“耗尽”，iD

0。UP或UGS(off)称为夹断电压N沟道耗尽型MOS管特性工作条件：UDS>0；UGS正、负、零均可。iD/mAuGS/VOUP(a)转移特性IDSS耗尽型MOS管的符号SGDB(b)输出特性iD/mAuDS/VO+1VUGS=0-3V-1V-2V43215101520N沟道耗尽型MOSFET三、P沟道增强型和耗尽型MOSFETP沟道增强型MOS管的开启电压UGS(th)<0当UGS<UGS(th)

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

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DSGN符号4.2.2结型场效应管JunctionFieldEffectTransistor1.结构N沟道结型场效应管结构图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。导电沟道是N型的，称N沟道结型场效应管。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GSDP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GDS2.工作原理

N沟道结型场效应管用改变UGS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）栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用ID=0GDSN型沟道P+P+

(a)

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

UGS(off)<UGS<0VGGID=0GDSP+P+

(c)

UGS＜UGS(off)VGGUGS(off)为夹断电压,为负值。UGS(off)也可用UP表示uGS=0，uGD>UGS（Off)，iD较大。GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG

uGS<0，uGD>UGS（Off)，iD更小。GDSNiSiDP+P+VDD注意：当uDS>0时，耗尽层呈现楔形。(a)(b)uGD＝uGS－uDS

（2）漏源电压uDS对漏极电流iD的控制作用GDSP+NiSiDP+P+VDDVGGuGS<0,uGD=UGS(off),,沟道变窄预夹断uGS<0,uGD<uGS(off),夹断，iD几乎不变GDSiSiDP+VDDVGGP+P+(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)(d)当uGD<uGS(off),时，,uGS对漏极电流iD的控制作用场效应管用低频跨导gm的大小描述栅源电压对漏极电流的控制作用。场效应管为电压控制元件(VCCS)。在uGD＝uGS－uDS<uGS(off),当uDS为一常量时，对应于确定的uGS，就有确定的iD。gm=iD/uGS(单位mS)小结(1)在uGD＝uGS－uDS>uGS(off)情况下,即当uDS<uGS-uGS(off)

对应于不同的uGS，d-s间等效成不同阻值的电阻。(2)当uDS使uGD＝uGS(off)时，d-s之间预夹断(3)当uDS使uGD<uGS(off)时，iD几乎仅仅决定于uGS，而与uDS无关。此时，可以把iD近似看成uGS控制的电流源。3.特性曲线转移特性(N沟道结型场效应管为例)O

uGSiDIDSSUGS(off)转移特性uGS=0，iD最大；uGS愈负，iD愈小；uGS=UGS(off)

，iD0。两个重要参数饱和漏极电流IDSS(UGS=0时的ID)夹断电压UGS(off)

(ID=0时的UGS)UDSiDVDDVGGDSGV+V+uGS特性曲线测试电路+mA转移特性OuGS/VID/mAIDSSUP转移特性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，即结型场效应管转移特性曲线的近似公式：≤≤IDSS/ViD/mAuDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7预夹断轨迹恒流区可变电阻区漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。漏极特性输出特性（漏极特性）曲线夹断区UDSiDVDDVGGDSGV+V+uGS特性曲线测试电路+mA击穿区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SGDSGDiDUGS=0V+uDS++oSGDBuGSiDOUT各类场效应管的符号和特性曲线+UGS=UTuDSiD+++OiDUGS=0V---uDSOuGSiDUPIDSSOuGSiD/mAUPIDSSO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IDSGDBUDSID_UGS=0+__OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_IDUGS=UTUDS_o_UGS=0V+_IDUDSo+4.2.3场效应管的主要参数和型号1.直流参数（3）饱和漏极电流IDSS（2）夹断电压UP或UGS(off)（1）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。2.交流参数（1）低频跨导gm（2）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。3.极限参数（3）漏极最大允许耗散功率PDM（2）漏源击穿电压U(BR)DS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IDM4.型号晶体管场效应管结构NPN型、PNP型结型耗尽型N沟道P沟道绝缘栅增强型N沟道P沟道绝缘栅耗尽型N沟道P沟道C与E一般不可倒置使用D与S有的型号可倒置使用载流子多子扩散少子漂移多子运动输入量电流输入电压输入控制电流控制电流源CCCS(β)电压控制电流源VCCS(gm)4.2.4双极型晶体管和场效应管的比较噪声较大较小温度特性受温度影响较大较小，可有零温度系数点输入电阻几十到几千欧姆几兆欧姆以上静电影响不受静电影响易受静电影响集成工艺不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成晶体管场效应管场效应管1.分类按导电沟道分N沟道P沟道按结构分绝缘栅型(MOS)结型按特性分增强型耗尽型uGS=0时，iD

=0uGS=0时，iD

0增强型耗尽型(耗尽型)2.特点栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流输入电阻高，工艺简单，易集成由于FET无栅极电流，故采用转移特性和输出特性描述3.特性不同类型FET的特性比较参见图1.4.13第43-44页。不同类型FET转移特性比较结型N沟道uGS/ViD/mAO增强型耗尽型MOS管(耗尽型)IDSS开启电压UGS(th)夹断电压UGS(off)IDO

是uGS=2UGS(th)时的iD值4.3场效应管基本放大电路场效应管是电压控制电流元件，具有高输入阻抗。场效应管放大电路的三种接法（以N沟道结型场效应管为例）场效应管放大电路的三种接法（a）共源电路（b）共漏电路（c）共栅电路基本共源放大电路VDD+uOiDT~+uIVGGRGSDGRD与双极型三极管对应关系bG,eS,cD为了使场效应管工作在恒流区实现放大作用，应满足：N沟道增强型MOS场效应管组成的放大电路。(UT：开启电压)4.3.1场效应管共源基本放大电路1.分压式偏置电路分压式偏置电路+T+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+++(一)Q点近似估算法根据输入回路列方程解联立方程求出UGSQ和IDQ。列输出回路方程求UDSQUDSQ=VDD–IDSS(RD+RS)将IDQ代入，求出UDSQ一、静态分析－－UGSQ、IDQ、UDSQQ点：UGSQ、IDQ、UDSQUGSQ=UDSQ=已知UP或UGS（Off)

VDD-IDQ(Rd+R)-IDQR可解出Q点的UGSQ、IDQ、UDSQ2.自给偏压电路JFET自给偏压共源电路IDQMOS管的低频小信号等效模型由于没有栅极电流，所以栅源是悬空的。++——gdSsgd二、动态分析1.场效应管的微变等效电路微变参数gm和rDS用求导的方法计算gm在Q点附近，可用IDQ表示上式中iD，则一般gm约为0.1至20mS。rDS为几百千欧的数量级。当RD比rDS小得多时，可认为等效电路的rDS开路。2.动态分析VDD+u