场效应管及放大电路

场效应管是利用电场效应来限制电流大小，与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好、噪声低。场效应管及基本放大电路结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管MOS场效应管有两种:N沟道P沟道增加型耗尽型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：结型场效应管结构工作原理

输出特性转移特性

主要参数JFET的结构和工作原理JFET的特性曲线及参数

1.结构（以N沟道JFET为例）2.工作原理①VGS对沟道的限制作用当VGS＜0时（以N沟道JFET为例）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结反偏耗尽层加厚沟道变窄。VGS接着减小，沟道接着变窄②VDS对沟道的限制作用当VGS=0时，VDSIDG、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。当VDS增加到使VGD=VP时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时VDS夹断区延长沟道电阻ID基本不变③

VGS和VDS同时作用时当VP<VGS<0时，导电沟道更简洁夹断，对于同样的VDS，

ID的值比VGS=0时的值要小。在预夹断处VGD=VGS-VDS=VP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是电压限制电流器件，iD受vGS限制预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。#

为什么JFET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。#

JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？JFET的特性曲线及参数2.转移特性VP1.输出特性uGD=UGS(off)时称为预夹断夹断电压uGD=UGS(off)时称为预夹断夹断电压①夹断电压VP(或VGS(off))：②饱和漏极电流IDSS：③低频跨导gm：或3.主要参数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的限制作用。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：绝缘栅型场效应管(InsulatedGateFieldEffectTransister) 绝缘栅型场效应管IGFET有称金属氧化物场效应管MOSFET(MetalOxideSemiconductorFET)是一种利用半导体表面的电场效应，由感应电荷的多少变更导电沟道来限制漏极电流的器件，它的栅极与半导体之间是绝缘的，其电阻大于109。增加型：VGS=0时，漏源之间没有导电沟道， 在VDS作用下无iD。耗尽型：VGS=0时，漏源之间有导电沟道， 在VDS作用下iD。1.结构和符号（以N沟道增加型为例）N沟道增加型MOSFET拓扑结构左右对称，是在一块浓度较低的P型硅上生成一层SiO2薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极作为D和S,在绝缘层上镀一层金属铝（多晶硅）并引出一个电极作为GD(Drain):漏极，相当c

G(Gate):栅极，相当b

S(Source):源极，相当eB(Substrate):衬底2.工作原理（以N沟道增加型为例）(a)VGS=0时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压，不管VDS极性如何，其中总有一个PN结反向，所以不存在导电沟道。VGS=0，ID=0VGS必需大于0管子才能工作。（1）栅源电压VGS的限制作用（1）栅源电压VGS的限制作用（b）当栅极加有电压时，若0＜VGS＜VGS(th)（VT称为开启电压)时，在Sio2介质中产生一个垂直于半导体表面的电场，排斥P区多子空穴而吸引少子电子。但由于电场强度有限，吸引到绝缘层的少子电子数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不行能以形成漏极电流ID。0＜VGS＜VT，

ID=0（1）栅源电压VGS的限制作用(c)进一步增加VGS，当VGS＞VT时，由于此时的栅极电压已经比较强，栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，将漏极和源极沟通，形成沟道。假如此时VDS>0，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方导电沟道中的电子，因与P型区的载流子空穴极性相反，故称为反型层。随着VGS的接着增加，反型层变厚，ID增加VGS>0g吸引电子反型层导电沟道VGS反型层变厚VDS

ID（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的限制作用（a）假如VGS＞VT且固定为某一值，VDS=VDG＋VGS=－VGD＋VGSVGD=VGS－VDSVDS为0或较小时，VGD=VGS－VDS＞VT，沟道分布如图，此时VDS基本匀整着陆在沟道中，沟道呈斜线分布。这时，ID随VDS增大。VDSID（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的限制作用（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的限制作用（b）当VDS增加到使VGD=VT时，沟道如图所示，靠近漏极的沟道被夹断，这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的状况，称为预夹断。（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的限制作用VDSID不变（c）当VDS增加到VGDVT时，沟道如图所示。此时预夹断区域加长，向S极延长。VDS增加的部分基本着陆在随之加长的夹断沟道上，ID基本趋于不变漏源电压VDS对沟道的影响动画

ID=f(VGS)VDS=const转移特性曲线iDvGS/VID=f(VDS)VGS=const输出特性曲线vDS/ViD3.特性曲线（以N沟道增加型为例）转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压VGS对漏极电流ID的限制作用。gm的量纲为mA/V，称为跨导。gm=ID/VGSVDS=const输出特性曲线vDS/ViD(1)截止区（夹断区）VGS<VT以下区域就是截止区VGSVTID=0(2)放大区（恒流区）产生夹断后，VDS增大，ID不变的区域，VGS-VDSVPVDSID不变处于恒流区的场效应管相当于一个压控电流源(3)饱和区（可变电阻区）未产生夹断时，VDS增大，ID随着增大的区域VGS-VDSVPVDSID处于饱和区的场效应管相当于一个压控可变电阻4.其它类型MOS管（1）N沟道耗尽型：N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图所示，制造时在栅极下方的绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。各种类型MOS管的特性曲线绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型各种类型MOS管的特性曲线绝缘栅场效应管

N沟道耗尽型P

沟道耗尽型场效应三极管的型号场效应三极管的型号,现行有两种命名方法。其一是与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。其次位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。其次种命名方法是CS××#，CS代表场效应管，××以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。绝缘栅型场效应管MOSFET反型层uDS

不变，uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚。当反型层将两个N区相接时，管子导通。1.N沟道增加型管SiO2绝缘层2.耗尽型管加正离子

uGS=0时就存在导电沟道。绝缘栅型场效应管特性曲线1)增加型MOS管2)耗尽型MOS管开启电压各种场效应管所加偏压极性小结双极型和场效应型三极管的比较双极型三极管场效应三极管结构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与可倒置使用载流子多子扩散少子漂移多子漂移控制电流控制电流源CCCS(β)电压控制电流源VCCS(gm)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1.直流偏置电路FET的直流偏置电路及静态分析（1）自给偏压电路vGSvGS=-iDR（2）混合偏压电路2.静态工作点Q点：VGS、ID、VDSvGS=VDS=已知VP，由VDD-ID(Rd+R)-iDR可解出Q点的VGS、ID、VDS①夹断电压VP(或VGS(off))：②饱和漏极电流IDSS：③低频跨导gm：或3.主要参数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的限制作用。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：3.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)GSFET放大电路组成原则及分析方法(1)静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区，FET的偏置电路相对简洁。(2)动态：能为沟通信号供应通路。组成原则：静态分析：估算法、图解法。动态分析：小信号等效电路法。分析方法：1.直流偏置电路FET的直流偏置电路及静态分析（1）自给偏压电路vGSvGS=-iDR适用于耗尽型（2）混合偏压电路可同时适用于耗尽型和增加型2.静态工作点Q点：VGS、ID、VDSvGS=VDS=已知VP，由VDD-ID(Rd+R)-iDR可解出Q点的VGS、ID、VDSFET的沟通参数和小信号模型

FET的主要沟通参数1）低频跨导gm：低频跨导反映了vGS对iD的限制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。2）漏极内阻rds：很大，可忽略。FET的小信号模型GSDuGSiDuDSSGDugsgmugsudsSGDrDSugsgmugsudsVCCS场效应管应用例1：作反相器用。|Vp1|=|Vp2|=VT 0<|VT|<VddTp:p沟道增加型，Tn:n沟道增加型Vi=+Vdd时：Tp:VGSp=0>VT，截止Tn:VGSn=Vdd>VT，导通Vo=0Vi=0时：Tp:VGSp=-Vdd<VT，导通Tn:VGSn=0<VT，截止Vo=+VddTnsViTpsVoViVo+VddTpTn场效应管应用例2：压控电阻 场效应管工作在可变电阻区时，iD随vDS的增加几乎成线性增大，而增大的比值受vGS限制。所以可看成是受vGS限制的电阻。vivo例3：共源极电路组成

比较共源和共射放大电路，它们只是在偏置电路和受控源的类型上有所不同。只要将微变等效电路画出，就是一个解电路的问题了。图中Rg1、Rg2是栅极偏置电阻，Rs是源极电阻，Rd是漏极负载电阻。与共射基本放大电路的Rb1、Rb2，Re和Rc分别一一对应。而且只要结型场效应管栅源间PN结是反偏工作，无栅流，那么JFET和MOSFET的直流通道和沟通通道是一样的。直流分析（估算法）直流通路

直流分析(估算法）：VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)

VGS=VG－VS=VG－IDR

ID=IDSS[1－(VGS/VP)]2

VDS=VDD－ID(Rd+R)解出VGS、ID和VDS。沟通分析微变等效电路共漏极放大电路

直流分析VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGS=VG－VS=VG－IDRID=IDSS[1－(VGS/VP)]2VDS=VDD－IDR由此可以解出VGS、ID和VDS。与三极管共集电极电路对应直流通路：沟通分析输出电阻已知：gm=0.3mA/VIDSS=3mAVP=-2V试分析该电路。解：静态分析：VGS=-RIDID=IDSS[1－(VGS/VP)]2