第5章场效应管放大电路

掌握内容：FET特性的比较理解内容：FET的特性及参数了解内容：JFET的结构、工作原理；重点：NMOSFET及其共源放大电路（CS电路）难点：N沟道增强型MOSFET的工作原理本章学时：55场效应管（Fieldeffecttransistor）放大电路

引言场效应管

FET

(FieldEffectTransistor)类型：结型

JFET

(JunctionFieldEffectTransistor)定义：一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体。金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET(MetalOxideSemiconductortypeFieldEffectTransistor)。(a)

输入电阻高，可达107~1015W。(b)

起导电作用的是多数（一种,电子或空穴）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。场效应管的主要特点

JFET的直流输入电阻虽然一般可达106∽109Ω，由于这个电阻从本质上说是PN结的反向电阻，PN结反向偏置时总会有一些反向电流存在，这就限制了输入电阻的进一步提高。与JFET不同，MOSFET是利用半导体表面的电场效应进行工作的，也称为表面场效应器件。由于它的栅极处于不导电（绝缘）状态，所以输入电阻大为提高，可达1015

Ω。

N（电子型）沟道

P（空穴型）沟道N沟道P沟道MOSFET耗尽型D型增强型E型分类：按导电沟道形成机理不同

5.1

金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管

(Metal-Oxide-SemiconductortypeFET)

5.1.1N沟道增强型MOSFETgsdN+N+

SiO2绝缘层AlB（衬底引线）P结构示意图1.结构

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N区在硅片表面生一层薄SiO2绝缘层SD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S—

源极

SourceG—

栅极

Gate

D—漏极

DrainSGD衬底由于栅极与源极、漏极均无电接触，故称绝缘栅极，N沟道增强符号如右图，箭头方向表示由P指向N。垂直短线代表沟道，短画线表明在未加适当栅压之前漏极和源极之间无导电沟道。2.工作原理

电路连接图PN+sgdN+–++–（1）vGS

=0,vDS≠0

没有导电沟道此时不管vDS极性如何，始终有一个PN结反偏，iD=0PN+sgN+iD=0d–++–漏极和衬底间PN结反偏，漏源之间的电阻很大，没有形成导电沟道，iD=0。PN+sgN+iD=0d–++–(2)vGS

>0,vDS

=0,出现N型沟道在正的栅源电压作用下，产生垂直向下的电场PN+sgN+iD=0g–++–电场排斥空穴，留下不能移动的负离子吸引P型硅表面的电子形成耗尽层PN+sgN+iD=0d–++–这种在VGS=0时没有导电沟道，依靠sg电压的作用，形成感生沟道的FET称为增强型FET。当vGS

=VT时电子在栅极附近的P型硅的表面形成一个N型薄层称为反型层是栅源正电压感应产生的，也称感生沟道PN+sgN+iD=0d–++–把在漏源电压作用下开始导电时的栅源电压叫做开启电压VT。一旦出现感生沟道，两个N型区连在一起，在正的漏源电压VDS作用下，产生漏极电流iDPN+sgN+iD>0d–++–vDS(d)沟道反型层呈楔形(b)由于沿沟道有电位梯度沟道厚度源端厚，漏端薄(3)当vGS

>VT,vDS>0时(c)绝缘层内不同点的电场强度不同,左高右低(a)外加较小的vDS

时，

iD随vDS迅速增大，可变电阻区。a.vDS继续增加沟道变窄PN+sgN+iD>0d–++–vDS反型层变窄b.当vGD

=vGS–vDS=VT时PN+sgN+iD>0d–++–uDS沟道在漏极端夹断(b)管子预夹断(a)iD达到最大值，饱和区。c.当vDS进一步增大PN+SGN+iD>0D–++–uDSPN+sgN+d–++–vDS沟道夹断区延长管子进入恒流区沟道电阻增加，但iD基本不变3．特性曲线

(a)．输出特性

在栅源电压VGS一定的情况下，漏极电流iD与漏源电压VDS之间的关系。

vDS对沟道的控制作用vDS和vGS同时作用时

vGS一定，vDS变化时给定一个vGS

，就有一条不同的iD

–vDS

曲线。3.

V-I特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方程①截止区当vGS＜VT时，导电沟道尚未形成，iD＝0，为截止工作状态。②可变电阻区

vDS≤（vGS－VT）由于vDS较小，可近似为rdso是一个受vGS控制的可变电阻

②可变电阻区

n：反型层中电子迁移率Cox：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容本征电导因子其中Kn为电导常数，单位：mA/V2③饱和区（恒流区又称放大区）vGS

>VT

，且vDS≥（vGS－VT）是vGS＝2VT时的iD

V-I特性：2．转移特性在漏源电压vDS下，栅源电压vGS对漏极电流iD的控制特性。转移特性可以直接从输出特性上用作图法求得。

(1)对于不同的vDS，对应的转移特性曲线不同。曲线特点(2)当管子工作于恒流区时，转移特性曲线基本重合。5.1.2N沟道耗尽型MOSFET

1.

MOS管结构示意图sgdN+N+SiO2Alb耗尽层（导电沟道）反型层P二氧化硅绝缘层中渗入了大量正离子PN+sdN+VGS=0时，由于正离子的作用，源区和漏区的中间P型衬底上感应出较多的负电荷（电子）形成N型导电沟道g在沟道中感应出更多的负电荷，导电沟道增宽，在vDS的作用下，iD具有更大的数值。a.PN+sdN++–g在沟道中感应的负电荷减少，导电沟道变窄，漏极电流减小。当VGS达到某值时，感应的负电荷消失，耗尽区扩展到整个沟道，沟道完全被夹断。即使有漏源电压vDS，也不会有漏极电流iD，此时的栅源电压称为夹断电压（截止电压）VP(负值)。b.PN+sdN++–g耗尽型MOS管可以在vGS为正或负下工作,基本上无栅流。PN+sdN++–g2.V-I特性曲线及大信号特性方程

同样有三个区，电流方程和增强型一样，必须用VP代替VT。输出特性曲线转移特性曲线饱和区：

零栅压的漏极电流，称为饱和漏极电流。第二个S表示栅源间短路的意思。5.1.3P沟道MOSFETPMOS管外加的VDS必须是负值，开启电压VT也是负值。增强型沟道产生条件：

VGS≤VT可变电阻区与饱和区的界限：

VDS=VGS-VT5.1.4沟道长度调制效应理想情况下，当MOSFET工作于饱和区时，漏极电流iD与漏源电压VDS无关。实际MOS管在饱和区的输出特性曲线还应考虑VDS对沟道长度L的调制作用。当VGS固定，VDS增加时，iD会有所增加，输出特性的每根曲线会向上倾斜。饱和区的曲线并不是平坦的.L的单位为m当不考虑沟道调制效应时，＝0，曲线是平坦的。

修正后用沟道长度调制参数λ对输出特性的公式进行修正。5.1.5MOSFET的主要参数

一、直流参数

1、开启电压VT(增强型参数)实际测试时，通常令vDS为某一固定值（10v），使iD等于一个微小的电流（50uA）时，栅源之间所加的电压。实际测试时，通常令vDS为某一固定值，使iD等于一个微小的电流时，栅源之间所加的电压。由vGD=vGS

-vDS=VP一、直流参数

2、夹断电压VP(耗尽型参数)

3.饱和漏电流IDSS(耗尽型参数）通常令vDS=10V,vGS=0V时测出的iD就是IDSS，在转移特性上，就是Vgs=0时的漏极电流。在vGS=0的情况下，当|vDS|

>|VP|时的漏极电流，

4.直流输入电阻RGS在漏源之间短路的条件下，栅源之间加一定电压时的栅源直流电阻。二、交流参数

1、输出电阻rds

说明了vDS对于iD的影响，是输出特性某一点上切线斜率的倒数。在饱和区，iD随vDS改变很小，因此rds的数值很大，一般在几十千欧到几百千欧之间。

2.低频互导（跨导）gm

在vDS等于常数时，漏极电流的微小变量和引起这个变化的栅源电压的微变量之比称为互导（跨导）。反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，相当于转移特性上工作点的斜率。当管子工作在放大区时得管子的跨导它是JFET小信号建模的重要参数之一。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。三、极限参数

2.最大耗散功率PDM

耗散在管子中的功率将变为热能，使管子的温度升高。因此受最高工作温度的限制。

3.最大漏源电压V（BR）DS指栅源间反向电流开始急剧增加时的vGS值。V（BR）DS指发生雪崩击穿、iD开始急剧上升时的vDS值。(4)最大栅源电压V（BR）GS其余参数见表5.1.1。5.2MOSFET放大电路5.2.1MOSFET放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算2.图解分析3.小信号模型分析1.直流偏置及静态工作点的计算（1）简单的共源极放大电路（N沟道）共源极放大电路直流通路1.直流偏置及静态工作点的计算假设工作在饱和区，即验证是否满足如果不满足，则说明假设错误须满足VGS>VT

，否则工作在截止区再假设工作在可变电阻区即假设工作在饱和区满足假设成立，结果即为所求。解：例：设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ。VDD=5V，VT=1V，（2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路饱和区需要验证是否满足2.图解分析ＶＧＧ＞ＶＴ，为使场效应管工作于饱和区，VDD足够大.Rd的作用将漏极电流iD的变化转换成电压vDS的变化，从而实现电压放大．令vi=0,vGS=VGG,在场效应管的输出特性曲线上找出由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同实现放大3.小信号模型分析如果输入信号很小,场效应管工作在饱和区时,和BJT一样,将场效应管也看成一个双口网络,栅极与源极看成入口,漏极与源极看成出口.以N沟道增强型MOS管为例,,栅极电流为零,栅源之间只有电压VGS存在.设在饱和区内,可近似看成iD不随vDS变化。3.小信号模型分析工作在饱和区的漏极电流：静态值（直流）动态值（漏极信号电流）非线性失真项当，vgs<<2(VGSQ-VT)时，小信号条件。忽略第三项。（1）低频小信号模型考虑到ＮＭＯＳ管的iG=0,栅极－源极间的电阻很大，可看成开路，因此共源极ＮＭＯＳ管的低频小信号模型如右图所示．共源极ＮＭＯＳ管=0，rds＝∞时的低频小信号模型（1）低频小信号模型0，rds为有限值的低频小信号模型直流分析已求得：

（2）放大电路分析（例5.2.5）小信号模型ss源电压增益：（2）放大电路分析（例5.2.6）共漏共漏5.3结型场效应管（JFET）结构与符号在一块N型半导体材料两边扩散高浓度的P型区（用P+表示），形成两个PN结。两边的P型区引出两个欧姆接触电极并连在一起称为栅极。N型本体材料两端各引出一个欧姆接触电极，分别称为源极和漏极。两个PN结中间的N型区域称为导电沟道。箭头的方向表示栅结正向偏置时栅极电流方向由P指向N，所以从符号上就可识别d、s之间是N沟道。N沟道JFET

P沟道JFET结构与符号P沟道JFET工作原理N沟道场效应管工作条件：

在栅极与源极之间加负电压(VGS<0)，栅极与沟道之间的PN结为反偏，栅极电流iG≈0。在漏极、源极之间加一定正电压(VDS>0)，使N沟道中的多数载流子(电子)由源极向漏极漂移，形成电流iD。iD的大小受vGS控制。vGS对iD的控制作用vDS对iD的影响（1）vGS对iD的控制作用

a．当vGS=0时NP+P+N型导电沟道sd=0沟道无变化g为讨论方便，先假设vDS=0

b．vGS由0向负向增大时NP+P+N型导电沟道sd=0P+–+(a)在反偏电压vGS作用下，PN结的耗尽层加宽(b)导电沟道变窄(c)导电沟道电阻增大gNP+P+N型导电沟道sd=0P+P+(a)PN结合拢(b)导电沟道夹断c.vGS增大到某一定值|VP|时VP——栅源截止电压或夹断电压–+g(c)漏源电阻无穷大以上分析表明，改变vGS<0的大小，可以有效地控制沟道电阻的大小。若在漏极、源极之间加上固定的正向电压VDS，则由漏极流向源极的电流iD将受vGS

的控制，|vGS|增大时，沟道电阻增大，iD

减小。（2）vDS对iD的影响

NP+P+N型导电沟道sd=0–+ga．vDS=0时iD=0先从vGS

=0时开始讨论NP+P+N型导电沟道sd=0–+b．0<vDS<|VP|(b)沿沟道有电位梯度，离源极越远，栅极与沟道之间的电位差越大,PN结反偏电压越大,耗尽层最宽(a)随着vDS增大，电场强度加大,iD增大vDS(c)耗尽层向N型半导体中心扩展，沟道PN结呈楔形gNP+P+N型导电沟道sd=0–+P+c．vDS=|VP|（b）iD达到最大值,称为饱和漏极电流IDSS。第二个S表示栅源极间短路。

•g耗尽层相遇

称为预夹断vGD=-vDS=VPvGD=vGS-vDS=VPd．vDS>|VP|NP+N型导电沟道sd=0P+–+(a)沟道夹断区延长g(C)

从源极到夹断处的沟道上，沟道内电场基本上不随VDS改变而变化。iD几乎不随vDS的增大而变化，达到饱和。(b)

夹断处场强也增大，仍能将电子拉过夹断区形成漏极电流，3．当vDS

≥0时，vGS(〈0）对沟道的控制作用

a.vDS和vGS将一起改变沟道的宽度c.当vGD=|VP|时沟道出现预夹断b.PN结在漏极端的反偏电压vGD=

vGS–vDSNP+N型导电沟道sdP+–++–g(1)JFET是利用vGS

所产生的电场变化来改变沟道电阻的大小。(2)场效应管为一个电压控制电流器件，iD受VGS控制。(5)在N沟道JFET中，vGS和VP均为负值。小结在P沟道JFET中，vGS和VP均为正值。(3)场效应管栅极、沟道之间的PN结是反向偏置的，因此iD≈0,

输入电阻高。(4)预夹断前iD与vGS呈近似线性关系，预夹断后，iD趋于饱和。

4.1.2JFET的特性曲线及参数1.输出特性在栅源电压vGS一定的情况下，漏极电流iD与漏源电压vDS之间的关系。(1)

可变电阻区a.

vDS较小c.

栅源电压愈负，输出特性愈倾斜，漏源间的等效电阻愈大，管子相当于受vGS

控制的可变电阻b.

沟道尚未夹断N沟道JFET输出特性(2)恒流区放大区也称为饱和区、线性放大区。b.vDS≥

|VP|+vGSa.

沟道预夹断c.iD几乎与vDS无关d.

iD只受vGS的控制(3)击穿区当漏源电压增大到（最大漏源电压）时，漏端PN结发生雪崩击穿，iD

迅速上升。进入雪崩击穿后管子不能正常工作，甚至很快被烧毁。所以管子不允许工作在这个区域。a.

vGS＜VP

(4)

截止区(夹断区)b.沟道完全夹断c.

iD≈02．转移特性在一定漏源电压vDS下，栅源电压vGS对漏极电流iD的控制特性。转移特性可以直接从输出特性上用作图法求得。管子工作于恒流区时函数表达式（b）转移特性曲线

式中，O转移特性曲线4．参数JFET的参数与耗尽型MOSET与基本相同（见表5.1.1）。4.4场效应管放大电路4.4.1FET的直流偏置电路及静态分析常用的偏置方式自偏压电路分压器式自偏压电路直流偏置电路由FET组成的放大电路和BJT一样，要建立合适的Q点。不同的是：FET是电压控制器件，需要有合适的栅极电压。1．自偏压电路和BJT的射极偏置电路相似，在源极接入电阻R，就组成了自偏压电路。对耗尽型FET即使在vGS=0时，也有漏源电流流过，电容C对R起旁路作用，称为源极旁路电容。自偏压电路静态工作点的确定公式法：当管子工作于放大区时输入回路方程两式联立可求得。2．分压器式自偏压电路在自偏压电路的基础上加接分压电阻后组成的。漏极电源VDD经分压电阻Rg1和Rg2分压后，通过Rg3供给栅极电压VG=Rg2VDD/(Rg1+Rg2)，同时漏极电流在源极电阻上也产生压降VS=IDR。2．分压器式自偏压电路静态工作点的确定VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VS=IDRVGS=VG－VS=VG－IDRID=IDSS[1－(VGS/VP)]2VDS=VDD－ID(R+Rd

)

由此可以解出VGS、ID和VDS。[例]在图示电路中，Rg1

=2kΩ，Rg2

=2kΩ

，VDD=18V，Rd=30kΩ，R=2kΩ，FET的IDSS=0.5mA、VP=－1V。试确定Q点。[解]当管子工作于放大区时将有关数据代入上式，得vGSQ

=－0.22ViDQ=0.31mA4.3.3各种FET的特性比较及使用注意事项

见表4.3.1耗尽型增强型当时当时MOSFET符号增强型耗尽型gsdsgdP沟道gsdN沟道gsd场效应管的特点（与双极型晶体管比较）(1)场效应管是一种电压控制器件，即通过vGS来控制iD；双极型晶体管是一种电流控制器件，即通过iB来控制iC。(2)场效应管的输入端电流几乎为零，输入电阻非常高;双极型晶体管的发射结始终处于正向偏置，有一定的输入电流，基极与发射极间的输入电阻较小。(3)场效应管是利用多数（一种极性）载流子导电的;在双极型晶体管中二种极性的载流子（电子和空穴）同时参与了导电。(4)场效应管具有噪声小、受辐射的影响小、热稳定性较好，且存在零温度系数工作点。(5)

场效应管的结构对称，有时（除了