第03章 场效应管及放大电路

第三章

场效应管及放大电路1第三章

场效应管及放大电路基本内容结型场效应管金属—氧化物—半导体场效应管场效应管的特点场效应管放大电路基本要求1.了解各场效应管的工作特点。2.场效应管放大电路分析方法。第三章

场效应管及放大电路2场效应管

根据结构的不同，场效应管可分为两大类：

结型场效应管（JFET）

金属—氧化物—半导体场效应管（MOSFET）场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），对应于晶体管的e、b、c；有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。第三章

场效应管及放大电路/3.1

结型场效应管33.1

结型场效应管如在P型半导体材料两侧各制作一个高浓度的N区，便可形成一个P沟道JFET。P沟道JFETN沟道JFET第三章

场效应管及放大电路/3.1

结型场效应管43.1.2

工作原理（以N沟道为例）当N沟道结型场效应管处在放大状态时，在栅、源极之间加反向电压UGS，栅极电流IG≈0，场效应管呈现高达107Ω以上的输入电阻。而在漏、源极之间加正向电压UDS，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运动，形成电流ID。ID的大小受UGS控制。因此，讨论结型场效应管的工作原理就是讨论UGS对ID的控制作用和UDS对ID的影响。

第三章

场效应管及放大电路/3.1

结型场效应管51.UGS对导电沟道ID的控制作用问：uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加负电压？第三章

场效应管及放大电路/3.1

结型场效应管61.UGS对导电沟道ID的控制作用

改变电压UGS，就可改变沟道电阻值的大小。若加正向电压UDS，则改变电压UGS就可改变电流ID。当|UGS|↑，沟道电阻↑，ID↓；反之，ID↑。利用电压UGS产生的电场来控制导电沟道电流ID

，这就是结型场效应管的工作原理。

第三章

场效应管及放大电路/3.1

结型场效应管72.UDS对导电沟道ID的影响

UDD的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，iD几乎仅仅决定于uGS。问：场效应管工作在恒流区的条件是什么？预夹断第三章

场效应管及放大电路/3.1

结型场效应管82.UDS对导电沟道ID的影响

当uGS负向电压的数值小于Up某值时，iD随uDS变化。设uDS为零时，iD显然为零。当uDS正向电压逐渐增加时，沟道电场强度加大，漏极电流iD随uDS升高几乎成正比地增大。但是，由于漏极电流iD沿沟道产生的电压使得沟道上各点与栅极间的电压不再是相等的，漏极处的电压最大，随着电位的降低在源极处的电压最小。所以增加uDS，又产生了阻碍漏极电流iD提高的因素。当uDS增大到使|uGD|等于|Up|时，在漏极附近两侧的耗尽层开始合拢于一点A，这种情况称为预夹断。若uGS=0，uGD=-uDS=Up，iD达到了饱和漏极电流IDSS，IDSS下标中的第二个S表示栅源极间短路的意思，此时有uGD=uGS-uDS。当uDS再继续增加时，增大电流iD的作用与阻碍电流iD的作用相平衡，iD基本上不随uDS增加而上升。uDS增加到U（BR）DS时，夹断区的耗尽层击穿,iD将突然增大。第三章

场效应管及放大电路/3.1

结型场效应管92.UDS对导电沟道ID的影响

当uGS=0时，iD随uDS变化的曲线如图(a)所示。改变电压uGS可得一族曲线，

iD=f(uDS)|uGS=常数

称为输出特性特性曲线，如图(b)所示。由于每个管子的Up为一定值，因此，预夹断点随uGS改变而变化，它在输出特性上的轨迹如图（b）中左边虚线所示。

第三章

场效应管及放大电路/3.1

结型场效应管10结型场效应管的结论：

（1）栅、源之间的PN结是反向偏置的，因此，其iG≈0，输入电阻很高。（2）iD受uGS控制，是电压控制电流器件。（3）预夹断前，iD与uDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。P沟道结型场效应管的工作原理与N沟道相对应。用于放大时，使用电源电压极性与N沟道结型场效应管的正好相反。第三章

场效应管及放大电路11g-s电压控制d-s的等效电阻输出特性预夹断轨迹，uGD＝UP可变电阻区恒流区iD几乎仅决定于uGS击穿区夹断区（截止区）夹断电压IDSSΔiD

不同型号的管子UP、IDSS将不同。低频互导：第三章

场效应管及放大电路/3.1

结型场效应管12输出特性曲线的四个区⑴

可变电阻区Ⅰ（非饱和区）：该区的特点是当uDS增加时，iD随uDS线性增加，

uGS不同时，iD增加的斜率不同。⑵

恒流区Ⅱ（饱和区）：该区的特点是iD的大小受uGS的控制，而与uDS的大小基本无关。场效应管在作放大器使用时一般工作在此区域，所以该区也称为线性放大区。。⑶击穿区Ⅲ：该区的特点是反向偏置的PN结发生雪崩击穿，iD将突然聚增，管子不能正常工作，甚至很快烧毁。所以，场效应不允许工作在这个区域。(4)夹断区Ⅳ（截止区）：当|uGS|＞|Up|时，沟道被夹断，iD≈0，此区域称为夹断区或截止区，它对应于靠近横轴的部分。此区的特点是场效应管的漏、源极之间可看作开关断开。第三章

场效应管及放大电路13夹断电压漏极饱和电流转移特性场效应管工作在恒流区，因而uGS＞UP且uDS＜UP。

为什么必须用转移特性描述uGS对iD的控制作用？第三章

场效应管及放大电路/3.1

结型场效应管142.转移特性曲线

转移特性曲线为iD=f(uGS)｜uDS=常数，它反映栅极电压对漏极电流的控制作用。转移特性曲线可直接从输出特性上用作图法求出。

第三章

场效应管及放大电路/3.1

结型场效应管153.1.4

主要参数⒈夹断电压Up⒉饱和漏极电流IDSS⒊最大漏、源电压U(BR)DS⒋最大栅、源电压U(BR)GS⒌最大耗散功率PDM⒍直流输入电阻RGS⒎低频互导gm当uDS为某一确定值时，漏极电流的微小变化量与引起它变化的栅、源电压的微小变化量之比称为gm

。gm是表征场效应管放大能力的一个重要参数，单位为mS。当UP≤uGS≤0）时，gm的近似估算公式为

第三章

场效应管及放大电路163.2

金属—氧化物—半导体场效应管结型场效应管的输入电阻从本质上来说是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，在有些要求更高的场合仍不能满足要求。金属—氧化物—半导体场效应管（简称MOS场效应管）是利用半导体表面的电场效应进行工作的。由于它的栅极处于不导电(绝缘)状态，因而具有更高的输入电阻，也由此得名为绝缘栅场效应管。MOS场效应管也可分为N沟道和P沟道两类，但工作原理相似，每一类又分为增强型和耗尽型两种。第三章

场效应管及放大电路/3.2

金属—氧化物—半导体场效应管173.2.1

N沟道增强型MOS场效应管⒈基本结构衬底为P型硅片，掺杂浓度较低；利用扩散法扩散两个相距很近的高掺杂N型区，并安置2个电极：源极s和漏极d；在硅片表面生成一层很薄的二氧化硅绝缘层，并在两个N型区之间的二氧化硅的表面安置电极：栅极g。栅极与源极、漏极之间是绝缘的，所以称为绝缘栅场效应管；漏极和源极之间形成两个背靠背的PN结；第三章

场效应管及放大电路/3.2

金属—氧化物—半导体场效应管182.工作原理

场效应管工作时，通常将其衬底与s连在一起，在d与s之间接入适当大小的正向电压uDS，利用电压uGS的大小，来控制漏极电流iD的大小。

1）当UGS=0时，不论所加电压UDS

的极性如何，其中总有一个PN结是反向偏置的，反向电阻很高，则漏极电流ID≈0。两个N型区与P型衬底之间形成耗尽层。

第三章

场效应管及放大电路/3.2

金属—氧化物—半导体场效应管192.工作原理

2）当栅源极之间加正向电压UGS(见图b)，在UGS

的作用下，产生了垂直于衬底表面的电场，P型硅中少数载流子（自由电子）被吸到表面层填补空穴形成负离子的耗尽层。第三章

场效应管及放大电路/3.2

金属—氧化物—半导体场效应管202.工作原理

3）当栅极与源极之间加正向电压UGS到一定值UT时，被吸到表面层中的自由电子较多，填补空穴后还有剩余，在表面层中形成一个N型层，由于它的性质与P型区相反，故称为反型层，它就是沟通源区和漏区的N型导电沟道，UT称为开启电压。

第三章

场效应管及放大电路/3.2

金属—氧化物—半导体场效应管212.工作原理

4）形成导电沟道后，MOS管即导通，在漏极电源UDD

的作用下，将产生漏极电流ID

，UGS正值愈高，导电沟道愈宽，ID愈大。因此，改变UGS的大小（即改变UGS产生电场的强弱）就能有效地控制漏极电流ID的大小。外加的UDS较小时，ID将随UDS上升迅速增大，由于沟道存在电位梯度，因此沟道厚度是不均匀的，靠近源端厚，靠近漏端薄。当UDS增加到使UGD=UT时，沟道在漏极处附近出现予夹断。随后UDS继续增加，夹断区增长，但ID电流趋于饱和，基本不变。

第三章

场效应管及放大电路/3.2

金属—氧化物—半导体场效应管22增强型MOS管uDS对iD的影响问：用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么？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uDS的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻第三章

场效应管及放大电路/3.2

金属—氧化物—半导体场效应管233.特性曲线与电流方程

输出特性曲线恒流区转移特性曲线输出特性曲线也可分为可变电阻区Ⅰ、恒流区Ⅱ、击穿区Ⅲ和截止区Ⅳ。在恒流区内电流方程为式中ID0为uGS=2UT时的iD值。

第三章

场效应管及放大电路/3.2

金属—氧化物—半导体场效应管243.2.2

N沟道耗尽型MOS场效应管1.结构特点SiO2绝缘层里掺入大量的正离子，即使不外加栅、源电压，在这些正离子的作用下，P型衬底表面已经出现反型层，形成导电沟道，故称为耗尽型MOS场效应管。

第三章

场效应管及放大电路/3.2

金属—氧化物—半导体场效应管252.工作原理

uGS＞0，导电沟道增宽，iD增大；反之，uGS＜0，导电沟道变窄、iD减小。当uGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，iD趋向于零，管子截止，此时的栅、源电压uGS称为夹断电压仍用即UP。这种在一定范围内uGS的正、负值均可控制iD的大小的特性是耗尽型MOS场效应管的一个重要特点。

第三章

场效应管及放大电路/3.2

金属—氧化物—半导体场效应管263.特性曲线输出特性曲线恒流区转移特性曲线第三章

场效应管及放大电路/3.2

金属—氧化物—半导体场效应管273.2.3

P沟道MOS场效应管P沟道MOS场效应管与N沟道MOS场效应管的结构正好对偶，N型衬底、P型沟道，所以上面对的N沟道MO场效应管工作原理及特性的分析也基本上适用于P沟道MOS场效应管。使用时注意各电源电压极性与N沟道MOS场效应管正好相反。增强型P沟道MOS场效应管的开启电压UT为负值，耗尽型管制作时在绝缘层中掺入负离子，其夹断电压UP也为负值。第三章

场效应管及放大电路/3.2

金属—氧化物—半导体场效应管283.2.4

MOS场效应管的主要参数耗尽型MOS场效应管的主要参数与结型场效应管完全相同。增强型MOS场效应管的主要参数也与结型场效应管基本相同，只是没有夹断电压这一参数，取代它的是开启电压UT。开启电压UT是指当uDS为某一固定值时能产生iD所需的最小|uGS|值。由于MOS场效应管输入电阻极大，使得栅极的感应电荷不易泄放，极易产生高压，使管子击穿。因此，当MOS场效应管不使用时，应使其三个电极短路。MOS场效应管的衬底和源极通常是接在一起的，即使分开，也应保证衬底和源极之间的PN结反向偏置，以使管子正常工作。

第三章

场效应管及放大电路293.3

场效应管的特点

场效应管具有放大作用，可以组成各种放大电路，它与双极性晶体管相比，具有如下几个特点:(1)场效应管是一种电压控制器件，它通过uGS来控制iD。(2)场效应管输入端几乎没有电流，所以其直流输入电阻和交流输入电阻都非常高。(3)由于场效应管是利用多数载流子导电的，因此，与双极性晶体管相比，具有噪声小、受幅射的影响小、热稳定性较好等特性。(4)由于场效应管的结构对称，有时漏极和源极可以互换使用，而各项指标基本上不受影响。对于有的绝缘栅场效应管，制造时源极已和衬底连在一起，则漏极和源极不能互换第三章

场效应管及放大电路303.3

场效应管的特点(5)场效应管的制造工艺简单，有利于大规模集成。特别是MOS电路，硅片上每个MOS场效应管所占面积是晶体管5%，因此集成度更高，目前，大规模和超大规模集成电路主要由MOS电路构成。(6)由于MOS场效应管的输入电阻高，因此，由外界静电感应所产生的电荷不易泄漏。为此，在存放时，应将各电极引线短接。焊接时，要注意将电烙铁外壳接上可靠地线，或者在焊接时，将电烙铁与电源暂时脱离。(7)场效应管的互导较小，当组成放大电路时，在相同的负载电阻时，电压放大倍数比双极型晶体管低。第三章

场效应管及放大电路313.4

场效应管放大电路场效应管与双极性三极管都具有放大作用，都存在着的三个极，其对应关系为：栅极g对应基极b；源极s对应发射极e；漏极d对应集电极c。所以根据双极性三极管放大电路的三种不同组态，可组成相应的场效应管放大电路。但由于两种放大器件各自的特点，故不能将双极性三极管放大电路的三极管，简单地用场效应管取代。第三章

场效应管及放大电路/3.4

场效应管放大电路323.4.1

场效应管的直流偏置电路

场效应管是电压控制器件，要建立合适的静态工作点Q，需要有合适的栅极电压，避免输出波形产生严重的非线性失真。通常偏置的形式有两种。1.自偏压电路

自偏压电路适用于结型场效应管或耗尽型场效应管，与晶体管的射极偏置电路相似。

第三章

场效应管及放大电路/3.4

场效应管放大电路333.4.1

场效应管的直流偏置电路因Rg上没有压降，IG≈0，所以s极直流电位与地相等。依靠电流ID在R上的电压降，使电路自行提供栅极偏压UGS=-IDR。UGS=-IDR称为自偏压电路的偏置线方程。为减少R对放大倍数的影响，在R两端同样也并联一个足够大的旁路电容C，称为源极旁路电容。第三章

场效应管及放大电路/3.4

场效应管放大电路343.4.1

场效应管的直流偏置电路

2.分压式偏置电路栅极电压UG＝Rg2UDD／(Rgl+Rg2)电阻R上的压降US=IDR静态时栅源电压为

UGS=UG-US=-(IDR-Rg2UDD/(Rg1+Rg2))上式称为分压式偏置电路的偏置线方程。这种偏压电路适用于增强型管子的电路。第三章

场效应管及放大电路/3.4

场效应管放大电路353.4.2

静态分析

对场效应管放大电路的静态分析一般可采用图解法和公式计算法。图解法的原理和晶体管相似。下面讨论用公式进行计算以确定Q点。利用转移特性近似计算公式，在UP≤UGS≤0

条件下得到ID和UGS的关系：ID=IDSS(1-UGS/UP)2。与偏置线方程联立求解，即可得到电路的静态值ID和UGS。

第三章

场效应管及放大电路/3.4

场效应管放大电路36

例1电路参数如图所示，场效应管的UP＝-1V，IDSS＝0.5mA，试确定Q点。

解：由近似计算公式得ID=IDSS(1-UGS/UP)2mA

ID=0.5(1+UGS)2(1)由偏置线方程得UGS=-(IDR-Rg2UDD/(Rg1+Rg2))VUGS=0.4-2ID

(2)联立(1)(2)式求解ID＝(0.95±0.64)mAUGS=-(1.5±1.28)V因UP≤UGS≤0，取UGSQ=-0.22VIDQ=0.31mA第三章

场效应管及放大电路/3.4

场效应管放大电路373.4.3

场效应管的微变等效电路

如果输入信号很小，场效应管工作在线性放大区(即输出特性中的恒流区)时，和晶体管一样，可用微变等效电路来进行动态分析。共源极接法中、低频微变等效电路高频微变等效电路

gm虽然是动态参数，其大小与静态工作点有关。

第三章

场效应管及放大电路/3.4

场效应管放大电路383.4.4

动态分析

1.共源极放大电路

本节主要讨论中频动态分析共源极电路微变等效电路第三章

场效应管及放大电路/3.4

场效应管放大电路39(1)

电压放大倍数第三章

场效应管及放大电路/3.4

场效应管放大电路40(2)

输入和输出电阻

由输入端看ri=Ui/Ii=Rg3+Rg1//Rg2由输出端看ro=Uo/Io｜

Ui=0

=Rd第三章

场效应管及放大电路/3.4

场效应管放大电路412.共漏极放大器(源极输出器)(1)

电压放大倍数