模拟电子技术第三章场效应三极管

模拟电子技术第三章场效应三极管第1页，共41页，2023年，2月20日，星期五场效应三极管中参与导电的只有一种极性的载流子（多数载流子），故称为单极型三极管。分类：结型场效应管绝缘栅场效应管增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道N沟道P沟道P沟道下页上页首页第2页，共41页，2023年，2月20日，星期五一、结型场效应管1.结构N型沟道耗尽层gdsgdsP+P+N沟道结型场效应管的结构和符号栅极漏极源极下页上页首页第3页，共41页，2023年，2月20日，星期五2.工作原理uGS=0uGS<0uGS=UGS(off)⑴当uDS=0

时，uGS对耗尽层和导电沟道的影响。ID=0ID=0下页上页首页N型沟道gdsP+P+N型沟道gdsP+P+gdsP+P+第4页，共41页，2023年，2月20日，星期五沟道较宽，iD

较大。iS=iDiDiSiDiSuGS=0，uGD>UGS(off)uGS<0，uGD>UGS(off)⑵当uDS＞0

时，uGS对耗尽层和iD的影响。NP+P+VGGVDDgdsNP+P+VDDgds沟道变窄，

iD

较小。下页上页首页第5页，共41页，2023年，2月20日，星期五NP+P+iDiSVGGVDDP+P+iDiSVGGVDDuGS<0，uGD=UGS(off)，uGS≤

UGS(off)

，uGD

<

UGS(off)，iD≈0，导电沟道夹断。iD更小，导电沟道预夹断。下页上页首页第6页，共41页，2023年，2月20日，星期五3.特性曲线⑴转移特性iD=f（uGS）|uDS=常数gdsmAVVIDVGGVDD场效应管特性曲线测试电路Ｎ沟道结型场效应管转移特性

IDSSUGS(off)饱和漏极电流栅源间加反向电压uGS

<

0利用场效应管输入电阻高的优点。uGS/ViD/mAO下页上页首页第7页，共41页，2023年，2月20日，星期五⑵漏极特性iD=f（uDS）|uGS=常数预夹断轨迹可变电阻区恒流区击穿区|UGS(off)|8VIDSSuGS=0-4-2-6-8iD/mAuDS/VO|uDS-uGS|=|UGS(off)|可变电阻区：iD与uDS基本上呈线性关系，但不同的uGS其斜率不同。恒流区：又称饱和区，iD几乎与uDS无关，iD的值受uGS控制。N沟道结型场效应管的漏极特性击穿区：反向偏置的PN结被击穿，

iD电流突然增大。夹断电压下页上页首页第8页，共41页，2023年，2月20日，星期五二、绝缘栅场效应管1.N沟道增强型MOS场效应管⑴结构P型衬底N+N+BsgdSiO2铝P衬底杂质浓度较低，引出电极用B表示。N+两个区杂质浓度很高，分别引出源极和漏极。栅极与其他电极是绝缘的，通常衬底与源极在管子内部连接。sgdB下页上页首页第9页，共41页，2023年，2月20日，星期五P型衬底N+sgdBN+开启电压，用uGS(th)表示⑵工作原理当uGS增大到一定值时，形成一个N型导电沟道。N型沟道uGS>UGS(th)时形成导电沟道VGG导电沟道的形成假设uDS=0，同时uGS

>0

靠近二氧化硅的一侧产生耗尽层，若增大uGS

，则耗尽层变宽。又称之为反型层导电沟道随uGS增大而增宽。下页上页首页第10页，共41页，2023年，2月20日，星期五uDS对导电沟道的影响uGS为某一个大于UGS(th)的固定值，在漏极和源极之间加正电压，且uDS<

uGS

-UGS(th)即uGD=uGS-uDS

>UGS(th)则有电流iD

产生，iD使导电沟道发生变化。当uDS

增大到uDS=uGS

-UGS(th)即uGD=uGS-uDS

=UGS(th)

时，沟道被预夹断，

iD

饱和。P型衬底N+N+sgdBVGGN型沟道VDDuDS对导电沟道的影响下页上页首页第11页，共41页，2023年，2月20日，星期五⑶特性曲线IDOUGS(th)2UGS(th)预夹断轨迹可变电阻区恒流区iD/mAuDS/VOuGS/ViD/mAO当uGS

≥

UGS(th)时下页上页截止区转移特性曲线可近似用以下公式表示：首页第12页，共41页，2023年，2月20日，星期五2.N沟道耗尽型MOS场效应管预先在二氧化硅中掺入大量的正离子，使uGS=0时，产生N型导电沟道。当uGS<0时，沟道变窄，达到某一负值时被夹断，iD≈0，称为夹断电压。uGS>0时，沟道变宽，iD增大。gdsB下页上页首页P型衬底N+N+sgdBN型沟道++++++动画第13页，共41页，2023年，2月20日，星期五耗尽型：uGS

=0

时无导电沟道。增强型：uGS

=0

时有导电沟道。特性曲线IDSSUGS(off)预夹断轨迹可变电阻区恒流区IDSSiD/mAuDS/VOuGS=0-2-1+1+2uGS/VOiD/mA下页上页截止区首页第14页，共41页，2023年，2月20日，星期五三、场效应管的主要参数1.直流参数⑴饱和漏极电流IDSS是耗尽型场效应管的一个重要参数。它的定义是当栅源之间的电压uGS等于零，而漏源之间的电压uDS大于夹断电压时对应的漏极电流。⑵夹断电压UGS(off)是耗尽型场效应管的一个重要参数。其定义是当uDS一定时，使iD减小到某一个微小电流时所需的uGS值。下页上页首页第15页，共41页，2023年，2月20日，星期五⑶开启电压UGS(th)UGS(th)是增强型场效应管的一个重要参数。其定义是当uDS一定时，使漏极电流达到某一数值时所需加的uGS值。⑷直流输入电阻RGS栅源之间所加电压与产生的栅极电流之比。结型场效应管的RGS一般在107Ω以上，绝缘栅场效应管的RGS更高，一般大于109Ω。下页上页首页第16页，共41页，2023年，2月20日，星期五2.交流参数⑴低频跨导gm用以描述栅源之间的电压uGS对漏极电流iD的控制作用。⑵极间电容场效应管三个电极之间的等效电容，包括CGS

、CGD和CDS

。极间电容愈小，管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。下页上页首页第17页，共41页，2023年，2月20日，星期五3.极限参数⑴漏极最大允许耗散功率PDM漏极耗散功率等于漏极电流与漏源之间电压的乘积，即pD=iDuDS。⑵

漏源击穿电压U（BR)DS在场效应管的漏极特性曲线上，当漏极电流iD急剧上升产生雪崩击穿时的uDS

。⑶栅源击穿电压U（BR）GS下页上页首页第18页，共41页，2023年，2月20日，星期五3.2

场效应管及其放大电路场效应晶体管是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，即是电压控制元件。它的输出电流决定于输入电压的大小，基本上不需要信号源提供电流，所以它的输入电阻高，且温度稳定性好。结型场效应管按结构不同场效应管有两种:绝缘栅型场效应管本节仅介绍绝缘栅型场效应管按工作状态可分为：增强型和耗尽型两类每类又有N沟道和P沟道之分第19页，共41页，2023年，2月20日，星期五3.2.1

绝缘栅场效应管漏极D栅极和其它电极及硅片之间是绝缘的，称绝缘栅型场效应管。金属电极(1)

N沟道增强型管的结构栅极G源极S1.

增强型绝缘栅场效应管SiO2绝缘层P型硅衬底

高掺杂N区第20页，共41页，2023年，2月20日，星期五GSD符号：由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电阻很高，最高可达1014。漏极D金属电极栅极G源极SSiO2绝缘层P型硅衬底

高掺杂N区由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧化硅，故又称金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOS场效应管。第21页，共41页，2023年，2月20日，星期五(2)N沟道增强型管的工作原理EGP型硅衬底N+N+GSD+–UGSED+–

由结构图可见，N+型漏区和N+型源区之间被P型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结。

当栅源电压UGS=0时，不管漏极和源极之间所加电压的极性如何，其中总有一个PN结是反向偏置的，反向电阻很高，漏极电流近似为零。SD第22页，共41页，2023年，2月20日，星期五EGP型硅衬底N+N+GSD+–UGSED+–

当UGS>0时，P型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；N型导电沟道在漏极电源的作用下将产生漏极电流ID，管子导通。当UGS>UGS（th）时，将出现N型导电沟道，将D-S连接起来。UGS愈高，导电沟道愈宽。(2)N沟道增强型管的工作原理第23页，共41页，2023年，2月20日，星期五EGP型硅衬底N+N+GSD+–UGSED+–N型导电沟道当UGS

UGS(th）后，场效应管才形成导电沟道，开始导通，若漏–源之间加上一定的电压UDS，则有漏极电流ID产生。在一定的UDS下漏极电流ID的大小与栅源电压UGS有关。所以，场效应管是一种电压控制电流的器件。在一定的漏–源电压UDS下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压UGS(th）。(2)N沟道增强型管的工作原理第24页，共41页，2023年，2月20日，星期五(3)特性曲线有导电沟道转移特性曲线无导电沟道开启电压UGS(th）UDSUGS/ID/mAUDS/VoUGS=1VUGS=2VUGS=3VUGS=4V漏极特性曲线恒流区可变电阻区截止区第25页，共41页，2023年，2月20日，星期五N型衬底P+P+GSD符号：结构(4)P沟道增强型SiO2绝缘层加电压才形成

P型导电沟道增强型场效应管只有当UGS

UGS(th）时才形成导电沟道。第26页，共41页，2023年，2月20日，星期五2.

耗尽型绝缘栅场效应管GSD符号：如果MOS管在制造时导电沟道就已形成，称为耗尽型场效应管。(1)N沟道耗尽型管SiO2绝缘层中掺有正离子予埋了N型导电沟道第27页，共41页，2023年，2月20日，星期五2.

耗尽型绝缘栅场效应管由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在UGS=0时，若漏–源之间加上一定的电压UDS，也会有漏极电流ID产生。当UGS>0时，使导电沟道变宽，ID增大；当UGS<0时，使导电沟道变窄，ID减小；UGS负值愈高，沟道愈窄，ID就愈小。

当UGS达到一定负值时，N型导电沟道消失，ID=0，称为场效应管处于夹断状态（即截止）。这时的UGS称为夹断电压，用UGS(off）表示。

这时的漏极电流用

IDSS表示，称为饱和漏极电流。第28页，共41页，2023年，2月20日，星期五(2)耗尽型N沟道MOS管的特性曲线夹断电压耗尽型的MOS管UGS=0时就有导电沟道，加反向电压到一定值时才能夹断。

UGS(off)转移特性曲线0ID/mA

UGS/V-1-2-348121612UDS=常数UDSUGS=0UGS<0UGS>0漏极特性曲线0ID/mA16201248121648IDSS第29页，共41页，2023年，2月20日，星期五2.

耗尽型绝缘栅场效应管(3)P沟道耗尽型管符号：GSD予埋了P型导电沟道SiO2绝缘层中掺有负离子第30页，共41页，2023年，2月20日，星期五耗尽型GSDGSD增强型N沟道P沟道GSDGSDN沟道P沟道G、S之间加一定电压才形成导电沟道在制造时就具有原始导电沟道第31页，共41页，2023年，2月20日，星期五3.场效应管的主要参数(1)开启电压UGS(th)：是增强型MOS管的参数(2)夹断电压UGS(off)：(3)饱和漏电流IDSS：是结型和耗尽型MOS管的参数(4)低频跨导gm：表示栅源电压对漏极电流的控制能力极限参数：最大漏极电流、耗散功率、击穿电压。第32页，共41页，2023年，2月20日，星期五场效应管与晶体管的比较电流控制电压控制控制方式电子和空穴两种载流子同时参与导电载流子电子或空穴中一种载流子参与导电类型

NPN和PNPN沟道和P沟道放大参数

rce很高

rds很高输出电阻输入电阻较低较高双极型三极管单极型场效应管热稳定性差好制造工艺较复杂简单，成本低对应电极

B—E—C

G—S—D第33页，共41页，2023年，2月20日，星期五3.2.2

场效应管放大电路

场效应晶体管具有输入电阻高、噪声低等优点，常用于多级放大电路的输入级以及要求噪声低的放大电路。场效应管的源极、漏极、栅极相当于双极型晶体管的发射极、集电极、基极。场效应管的共源极放大电路和源极输出器与双极型晶体管的共发射极放大电路和射极输出器在结构上也相类似。场效应管放大电路的分析与双极型晶体管放大电路一样，包括静态分析和动态分析。第34页，共41页，2023年，2月20日，星期五1.自给偏压式偏置电路3.2.2

场效应管放大电路栅源电压UGS是由场效应管自身的电流提供的，故称自给偏压。UGS

=–RSIS

=–RSID+UDD

RSCSC2C1RDRG+T+_+_uiuoIS

+_UGST为N沟道耗尽型场效应管增强型MOS管因UGS=0时，ID0，故不能采用自给偏压式电路。第35页，共41页，2023年，2月20日，星期五+UDD

RSCSC2C1RDRG+T+_+_uiuoIS

+_UGS静态分析可以用估算法或图解法(

略)估算法：UGS

=–RSID将已知的UGS(off)、IDSS代入上两式，解出UGS、ID;由UDS=

UDD–ID(RD+RS)解出UDS列出静态时的关系式对增强型MOS管构成的放大电路需用图解法来确定静态值。第36页，共41页，2023年，2月20日，星期五+UDD

RSCSC2C1RDRG+T+_+_uiuoIS

+_UGS例：已知UDD=20V、RD=3k、RS=1k、RG=500k、UGS(off)=–4V、IDSS=8mA，确定静态工作点。解：用估算法UGS

=–1IDUDS=20

–2（3+1）=