模拟电子技术基础,清华大学出版第3章 场效应管

3场效应晶体管及其放大电路

3.2绝缘栅型场效应管3.1结型场效应管3.3场效应管放大电路场效应管，简称FET(FieldEffectTransistor)，其主要特点：(a)

输入电阻高，可达107~1015W。(b)

起导电作用的是多数载流子，又称为单极型晶体管。(c)

体积小、重量轻、耗电省、寿命长。(d)

噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单。(e)

在大规模集成电路制造中得到了广泛的应用。3.1结型场效应管

3.1.1JFET的结构和工作原理

3.1.2JFET的特性曲线

3.1.3JFET的主要电参数

3.1.1JFET的结构和工作原理1、结构

图示为N沟道结型场效应管的结构与符号，结型场效应管符号中的箭头，表示由P区指向N区。2、工作原理（1）当栅源电压uGS=0时，两个PN结的耗尽层比较窄，中间的N型导电沟道比较宽，沟道电阻小，如图所示。（2）当uGS<0时，两个PN结反向偏置，PN结的耗尽层变宽，中间的N型导电沟道相应变窄，沟道导通电阻增大，如图所示。

uGS继续减小，沟道继续变窄。当沟道夹断时，对应的栅源电压uGS称为夹断电压UGS(off)。对于N沟道的JFET，

UGS(off)<0。（3）当UGS(off)

<uGS≤0且uDS>0时，可产生漏极电流iD。iD的大小将随栅源电压uGS的变化而变化，从而实现电压对漏极电流的控制作用。

uDS的存在，使得漏极附近的电位高，而源极附近的电位低，即沿N型导电沟道从漏极到源极形成一定的电位梯度，这样靠近漏极附近的PN结所加的反向偏置电压大，耗尽层宽；靠近源极附近的PN结反偏电压小，耗尽层窄，导电沟道成为一个楔形，如图所示。

当uDS增加到使uGD=UGS(off)时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时uDS

夹断区延长沟道电阻iD基本不变综上所述，可得下述结论：（1）JFET栅极、沟道之间的PN结是反向偏置的，因此其iG

约等于零，输入电阻的阻值很高；（2）JFET是电压控制电流器件，iD受uGS控制；（3）预夹断前，iD与uDS呈近似线性关系，预夹断后，iD趋于饱和。3.1.2JFET的特性曲线1.输出特性

图示即为N沟道场效应管的输出特性曲线，它与NPN型三极管的输出特性曲线相似，可以分为四个区.可变电阻区恒流区截止区击穿区各区的特点：（1）截止区（夹断区）：当uGS<

UGS(off)

时，导电沟道被夹断，iD=0称为截止区。

（2）可变电阻区：又称非饱和区，是预夹断前的区域。此时沟道尚未出现预夹断，管子可以看作是一个由电压控制的可变电阻。图中左边的一条虚线为预夹断轨迹。当，时，则N沟道JFET工作在可变电阻区，其伏安特性可表示为其中Kn为电导常数。（3）恒流区：又称饱和区或放大区，是预夹断后的区域，管子漏极电流iD几乎不随uDS变化，主要由uGS决定。在此区域，场效应管可以看作一个恒流源。利用场效应管做放大管时，管子在此区域工作。

当，时，JFET工作在饱和区，此时（4）击穿区：当uDS增大到一定程度时，栅漏极间PN结发生雪崩击穿，iD迅速增大。如果不加限制，管子将会电击穿。管子不允许在此区域工作。

2.转移特性

转移特性反映了场效应管栅源电压对漏极电流的控制作用。当uGS=0时，导电沟道电阻最小，iD最大，称此电流为场效应管的饱和漏极电流IDSS。当uGS=UGS(off)时，导电沟道被完全夹断，沟道电阻最大，此时iD=0，称UGS(off)为夹断电压。1.直流参数

(1)夹断电压UGS(off)

(2)零偏漏极电流IDSS

(3)直流输入电阻RGS

2.交流参数

(1)跨导gm

(2)极间电容

3.1.3JFET的主要电参数

绝缘栅型场效应管是由金属（Metal）、氧化物（Oxide）和半导体（Semiconductor）材料构成的，因此又叫MOS管，可以用MOSFET表示。绝缘栅场效应管分为增强型和耗尽型两种，每一种又包括N沟道和P沟道两种类型。

增强型和耗尽型的区别是：当uGS=0时，存在导电沟道的称为耗尽型，不存在导电沟道的称为增强型。

3.2绝缘栅型场效应管3.2.1N沟道增强型MOS管1.结构与符号符号中的箭头表示从P区（衬底）指向N区（N沟道），虚线表示增强型。

2.N沟道增强型MOS管的工作原理

（1）uGS对沟道的控制作用当uGS≤0时无导电沟道，

d、s间加电压时，也无电流产生。当0<uGS

<UT时产生电场，但未形成导电沟道（感生沟道），d、s间加电压后，没有电流产生。当uGS

>UT时在电场作用下产生导电沟道，d、s间加电压后，将有电流产生。

uGS越大，导电沟道越厚UT称为开启电压（2）uDS对iD的影响

iD随uDS的增大而增大，可变电阻区

uGD＝UT,预夹断

iD几乎仅仅受控于uGS，恒流区刚出现夹断uGS的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻3.伏安特性曲线及大信号特性方程

MOSFET的输出特性是指在栅源电压uGS一定的条件下，漏极电流iD与漏源电压uDS之间的关系，即

该输出特性曲线与结型场效应管相似，MOSFET有三个工作区域：可变电阻区、饱和区、截止区。（1）截止区：当uGS＜UT时，导电沟道尚未形成，iD＝0，为截止工作状态。（2）可变电阻区：当uDS≤（uGS－UT）时，

其中Kn为电导常数。（3）饱和区（又称恒流区或放大区）：当uGS>UT且uDS≥（uGS－UT）时，MOSFET进入饱和区，此时

由于饱和区内，iD受uDS的影响很小，因此在饱和区内不同uDS下的转移特性基本重合。N沟道增强型MOSFET的转移特性如图所示。其主要特点为：（1）当uGS

<UT

时，iD=0。（2）当uGS>UT时，iD>0，uGS越大，iD也随之增大，两者符合平方律的关系。（1）结构、符号与工作原理3.2.2N沟道耗尽型MOS管耗尽型在uGS

=0时就存在导电沟道。因为制造过程中，在栅极下面的SiO2绝缘层中掺入了大量碱金属正离子(如Na++或K++)，这些正离子的作用如同加正的栅源电压并使uGS>UT时相似，能在P型衬底表面产生垂直于衬底的自建电场，排斥空穴，吸引电子，从而形成表面导电沟道。

由于uGS=0时就存在原始沟道，所以只要此时uDS>0，就有漏极电流iD。如果uGS>0，由于绝缘层的存在，并不会产生栅极电流，但指向衬底的电场加强，沟道变宽，漏极电流iD将会增大。若uGS<0，则栅压产生的电场与正离子产生的自建电场方向相反，总电场减弱，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。当uGS继续变负，等于某一阈值电压时，沟道将完全被夹断，iD=0，管子进入截止状态。此时的栅源电压称为夹断电压UP。加正离子小到一定值才夹断uGS=0时就存在导电沟道

N沟道耗尽型MOSFET的输出特性和转移特性如图所示。耗尽型NMOSFET的电流方程为：

耗尽型MOS管的工作区域同样可以分为截止区、可变电阻区和饱和区。所不同的是N沟道耗尽型MOS管的夹断电压为UP负值，而N沟道增强型MOS管的开启电压为UT为正值。

3.2.3MOSFET的主要参数一、直流参数1.开启电压UT

（增强型参数）2.夹断电压UP

（耗尽型参数）3.饱和漏电流IDSS

（耗尽型参数）4.直流输入电阻RGS

（109Ω～1015Ω

）二、交流参数1.输出电阻rds

2.低频互导gm

在uDS等于常数时，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压的微变量之比称为互导，互导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，它相当于转移特性上工作点的斜率。互导是表征FET放大能力的一个重要参数。三、极限参数1.最大漏极电流IDM

2.最大耗散功率PDM

3.最大漏源电压V（BR）DS

4.最大栅源电压V（BR）GS

3.3场效应管放大电路场效应管同三极管一样，具有放大作用。它也可以构成各种组态的放大电路，共源极、共漏极、共栅极放大电路。场效应管由于具有输入阻抗高、温度稳定性能好、低噪声、低功耗等特点，其所构成的放大电路有着独特的优点，应用越来越广泛。3.3.1场效应管放大电路的偏置及静态分析

场效应管是一个电压控制器件，在构成放大电路时，为了实现信号不失真的放大，同三极管放大电路一样也要有一个合适的静态工作点Q，但它不需要偏置电流，而是需要一个合适的栅源极偏置电压UGS。场效应管放大电路常用的偏置电路主要有两种：自偏压电路和分压式自偏压电路。1、自偏压式电路

自偏压放大电路只适用于结型场效应管或耗尽型MOS管组成的电路。由于这两种管子即使是UGS=0，也有漏极电流ID流过管子，所以在该电路中，FET的源极接入一只源极电阻RS后，IDQ流过它时将产生一个大小等于IDQRS的电压降。栅源偏置电压UGSQ=UG－US=－IDQRS。电路自行产生了一个负的偏置电压UGSQ，刚好能满足电路中场效应管工作于放大区时对UGS的要求。UGSQ=－IDQRSUDSQ=UDD－IDQ（RS+RD）

注意：当求得的Q点值满足时，FET工作于放大区，所求得的Q点值为电路的静态工作点；否则表明电路中的FET没有工作在放大区，所求得的Q点值没有意义。

【解】由JFET的伏安特性易知

UGSQ=－IDQ*1kΩ

联解上面两式，可求得IDQ=2.9mA、UGSQ=―2.9V进而可知UDSQ=UDD－IDQ（RS+RD）=18.4V例3.1由JFET构成的放大电路的直流通路如图所示。其中UDD=30V、RD=3kΩ、RS=1kΩ、RG=1MΩ，FET的IDSS=7mA、UGS（off）=―8V。试求IDQ、UGSQ和UDSQ。

2、分压式电路

分压式偏置电路如图所示，这种偏置方式既适用于增强型FET，也适用于耗尽型FET。以N沟道FET为例，这种偏置电路由于有RG1和RG2的分压，提高了栅极电位，使UGQ>0，这样既有可能使IDQRS>UGQ，满足N沟道JFET对UGSQ的要求（UGSQ<0）；