单极型场效应管及其放大电路

(FieldEffectTransistor)4单极型场效应管及其放大电路4.1单极型场效应管概述4.3绝缘栅场效应管(MOSFET)4.4N沟道耗尽型MOS管4.5各种场效应管特性比较及注意事项

4.2结型场效应管(JEFT)4.6

场效应管放大器及其静态分析4.7

场效应管放大电路微变等效电路分析基本要求:1了解JFET和MOS管的工作原理、特性曲线及主要参数2掌握用估算法和小信号模型法分析静态及动态性能指标3了解三极管及场效应管放大电路的特点电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础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)分类增强型FET－－

vGS=0时没有导电沟道，iD=0;vGS>0形成感生沟道的FET。符号中的虚线表明了其特点。反之，为耗尽型。4.1单极型场效应管概述电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础4.2结型场效应管(JFET)

4.2.1

JFET的结构

4.2.3

JFET的特性曲线

4.2.2

JFET的工作原理

4.2.3

JFET的主要参数

电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础结构示意图N沟道P沟道按导电沟道分

4.2.1

JFET的结构电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础

源极，用S或s表示N型导电沟道漏极，用D或d表示

P型区P型区栅极，用G或g表示栅极，用G或g表示符号符号结构－－实际结构

#

符号中的箭头方向表示什么？栅结正偏时，栅极电流的方向－－从P指向N

4.2.1

JFET的结构电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础偏置电压的要求：1)栅-源极间加一负电压(vGS＜0)作用：使栅-源极间的PN结反偏，栅极电流iG≈0，场效应管呈现很高的输入电阻(高达107左右)。2)漏-源极间加一正电压(vDS＞0)作用：使N沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动，形成漏极电流iD。

在上述两个电源的作用下,iD的大小主要受栅-源电压vGS控制，同时也受漏-源电压vDS的影响。工作原理（以N沟道JFET为例）

4.2.2

JFET的工作原理电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础(1)VGS对沟道的控制作用(假设vDS=0)当VGS＜0时当沟道夹断时，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。PN结反偏，耗尽层加厚，电阻增大；vGS电阻沟道变窄，结论：vGS控制沟道电阻的大小。

4.2.2

JFET的工作原理电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础(2)VDS对沟道的控制作用当VGS=0时，ID=0G、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阻碍iD增加。

②当VDS增加到使VGD=VP时，在紧靠漏极处出现预夹断iD=IDSS饱和区。③继续VDS夹断区向下延伸沟道电阻IDIDDS①VDS=0ID近似线性VDSiDSSvGS=0反向击穿iD/mA0

vDS/VV(BR)DS|VP|②预夹断点①③④VDS>V(BR)DS反向击穿④

4.2.2

JFET的工作原理电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础(3)

VGS和VDS同时作用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。VGD=VGS-VDS=VP当VP<VGS<0时，在预夹断处iD/mA0

vDS/VvGS=0vGS=-1VvGS=VP预夹断轨迹VGD=VGS-VDS=VP预夹断点VGSVP

沟道截止iD=0截止区

4.2.2

JFET的工作原理电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础综上分析可知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。JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。#

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

此iG0，输入电阻很高。

4.2.2

JFET的工作原理电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础#JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？2.转移特性VP1.输出特性饱和区线性放大区VGS<Vp截止区

4.2.3

JFET的特性曲线

电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础①夹断电压VP(或VGS(off))：②饱和漏极电流IDSS：

③

低频跨导gm：或漏极电流约为零时的VGS值。VGS=0时对应的漏极电流。低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。④输出电阻rd：

4.2.4

JFET的主要参数

电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础

4.2.4

JFET的主要参数⑤直流输入电阻RGS：对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω。⑧最大漏极功耗PDM⑥最大漏源电压V(BR)DS⑦最大栅源电压V(BR)GS电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础4.3绝缘栅场效应管衬底引线

4.3.1N沟道增强型MOSFET的结构(MentalOxideSemiconductor—FET)P型衬底(掺杂浓度低)N+N+SDGB耗尽层用扩散的方法制作两个N区在硅片表面生一层薄SiO2绝缘层结构与符号用金属铝引出源极S和漏极D在绝缘层上喷金属铝引出栅极GSGDBSGDB箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)G与S、D均无电接触(绝缘栅极)----利用电场效应控制电流大小的半导体器件

MOSFET－－符号中的虚线表明为增强型FET。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础

当栅源之间加上正向电压，GB间产生垂直电场，排斥P区中的空穴形成离子区(耗尽层)，同时吸引P区中的少子电子到衬底表面；v（源极S与衬底相连）同样为vGS的控制作用与vDS的影响。1)vGS对导电沟道的影响(vDS=0)(1)当vGS=0

，D、S间没有导电沟道(2)当vGS>vT(开启电压)时，出现N型导电沟道

当vGS足够大，

VT

时，衬底中电子被吸引到表面，形成N型导电沟道(感生沟道)，将两个N型区连通。反型层(沟道)VGG电场耗尽层电场N型导电沟道(感生)源区、衬底和漏区形成2个背靠背的PN结，无论vDS极性如何总有一个PN结反偏，电阻大，无导电沟道，iD=0；

4.3.2

N沟道增强型MOS管的工作原理增强型FET－－

vGS=0时没有导电沟道，iD=0;vGS>0形成感生沟道的FET。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础v源极S与衬底相连工作原理此时，若加入vDS则有漏极电流iD

产生。反型层(沟道)VGG电场耗尽层电场N型导电沟道(感生)开启电压VT－－在vDS作用下开始导电时的vGS。(1)当vGS=0

，D、S间没有导电沟道(2)当vGS>vT(开启电压)时，出现N型导电沟道

vGS

越大，沟道越厚，沟道电阻越小。加入vDS后，沟道两端因电位不同，靠近S端厚，D端薄，沟道呈楔形。VGG

4.3.2

N沟道增强型MOS管的工作原理电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础vVGGVGG工作原理(3)可变电阻区和饱和区的形成机制在vGS>VT时，若外加vDS较小(vDSvGS-VT)，iD将随vDS上升迅速增大。iD/mAuDS/VuGS=2V4V6V8V当vDS增大到一定值，使vGS-vDS=vGD=VT(vDS≥vGS-VT)时，靠近D端反型层消失，产生夹断。vDS继续增大，夹断点左移。夹断区---反型层消失后的耗尽区注意：沟道夹断时，耗尽区中仍有电流流过。vDS继续增加时，增加的部分主要降落在夹断区，而降落在导电沟道上的电压基本不变，因此vDS增加，iD趋于饱和。当vDS=vGS-VT时，称为预夹断(预夹断临界条件)

。可变电阻区饱和区预夹断点归纳：利用栅源电压的大小改变半导体表面感生电荷的多少，以改变沟道电阻的大小，进而可以控制漏极电流的大小。

4.3.2

N沟道增强型MOS管的工作原理电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础(1)输出特性及电流方程a、截止区(vGS<VT时)，无导电沟道，iD=0.4.3.3

N沟道增强型MOS管的特性曲线和电流方程b、可变电阻区(VDSvGS-VT时)iD随vDS快速增大。vGS大，rDS小。c、饱和区(恒流区、放大区)(vGS≥VT,且vDS≥vGS-VT)vDS增加，iD趋于饱和。iD/mAuDS/VuGS=2V4V6V8V截止区可变电阻区饱和区预夹断发生之前：uDSiD。预夹断发生之后：uDSiD不变。Kn----电导常数，mA/V2。原点附近忽略vDS，受vGS控制电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础（2）转移特性曲线2464321vGS/ViD/mAVDS=10VVTvGS=2VT时的

iD值开启电压转移特性可以从输出特性上用作图法得到。也可以由下式画出。当vGS≥VT时4.3.3

N沟道增强型MOS管的特性曲线和电流方程电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础4.4.1基本结构SGDBSio2绝缘层中掺入正离子在uGS=0时已形成沟道；在DS间加正电压时形成iD。vGS

VP时(夹断电压/截止电压)，全夹断，iD=0。

vGS可正可负，vGS>0时，感应更多电子，沟道变宽，在vDS作用下iD更大；

vGS<0,使沟道中的感应电子减少，沟道变窄，在vDS作用下，iD减小。4.4

N沟道耗尽型MOS管电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础输出特性vGS/ViD/mAIDSSVP夹断电压饱和漏极电流当vGS

VP时，vDS/ViD/mAvGS=4V2V0V2VOO转移特性vGS

可正可负，iG04.4.2工作特性4.4

N沟道耗尽型MOS管电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础增强型耗尽型SGDBSGDB4.4

N沟道耗尽型MOS管电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础综上分析可知感生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。MOSFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。MOSFET的栅极绝缘，iG=0，输入电阻很高。绝缘栅场效应管电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础N沟道增强型SGDBiDP沟道增强型SGDBiD2–2OvGS/ViD/mAVTSGDBiDN沟道耗尽型iDSGDBP沟道耗尽型VPIDSSvGS/ViD/mA–5O54.5.1各类FET符号、特性4.5各种场效应管特性比较及注意事项电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础OuDS/ViD/mA－5V－2V0V

uGS=N沟道结型SGDiDSGDiDP沟道结型UGS(off)OuDS/ViD/mAuGS=0V

2V

5VuGS/ViD/mA5–5OIDSS4.5各种场效应管特性比较及注意事项电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础

（1）JFET的vGS不能接反，开路保存，d、s可以互换；

N沟道MOS管，将衬底接到电位最低点；

4.5各种场效应管特性比较及注意事项4.5.2使用场效应管的注意事项

（2）当MOSFET的衬底与源极已经相连时，d、s不能互换的vGS不能接反，开路保存，d、s可以互换；

（3）当MOSFET的衬底单独引出时，应正确连接衬底，以保证沟道与衬底间的PN结反偏使衬底与沟道及各电极隔离。

P沟道MOS管，将衬底接到电位最高点。

（4）MOS管的绝缘层很薄，及易击穿，栅极不能开路，应将各级短路存放；焊接时，电烙铁必须可靠接地，或者断电利用烙铁余热焊接，并注意屏蔽交流电场。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础1）各极和组态对应关系CEBJTFETCSCCCDCBCG4.5.3场效应管与三极管的性能比较2）场效应管是电压控制电流器件，三极管是电流控制电流器件3）场效应管输入电阻高，栅极电流约为04）场效应管是单极型器件，管噪小5）场效应管制造工艺简单、功耗小、易于集成电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础4.6场效应管放大器及其静态分析共源、共漏、共栅

4.6.1

场效应管放大电路的三种组态

4.6.2

场效应管的直流通路及静态估算分析

4.6.3

场效应管的静态图解分析（自学）

求解QVDSQVGSQ电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础+vi-+vo-1）固定偏压电路电路特点：VDSQ=VDD-IDQRD∵IG=0时，有VGSQ=-VGG解得:Q(IDQ,UGSQ

,VDSQ)

4.6.2

场效应管的直流通路及静态估算分析

栅源电压由VGG提供，保证VGS<0；Rg使vi能加入；双电源；适用于各种FET。静态分析：电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础2）自偏压电路vGSvGSvGSvGSvGSVGS=VG-VS=-IDQRS只能使用耗尽型场效应管。不适合增强型。

4.6.2

场效应管的直流通路及静态估算分析

电路特点：无外加电源提供VGS偏压，VGS由iDRS提供（自偏压）。必须保证接通电源时有iDQVDSQ=VDD-IDQ(Rd+Rs)电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础3）分压式自偏压电路∵IG=0，调整电阻的大小可使UGSQ>0或UGSQ=0或UGSQ<0

4.6.2

场效应管的直流通路及静态估算分析

VDSQ=VDD-IDQ(Rd+Rs)∴该电路适合于各种FET管，应用较广，类似于BJT管的射极偏置电路。场效应管放大电路的输入耦合电容可以较小。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础4.7

场效应管的微变等效电路分析法4.7.1

场效应管的微变等效电路

（1）低、中频模型通常rd、rgs很大可以忽略简化模型

电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础（2）高频模型4.7

场效应管的微变等效电路分析法电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础1.分压式自偏压共源极放大电路

（1）画微变等效电路4.7.2

场效应管放大电路微变等效电路分析如果，源极接有旁路电容CS？电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础（2）动态指标分析1）中低频电压增益2）输入电阻3）输出电阻据简化小信号模型电路则关键：用vgs表示vi，vo4.7.2

场效应管放大电路微变等效电路分析画出求RO电路如果，源极接有旁路电容C