模拟电子技术 场效应管及其放大电路

场效应半导体三极管是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。

从场效应三极管的结构来划分，它有两大类。

1.结型场效应三极管JFET(JunctiontypeFieldEffectTransister)

2.绝缘栅型场效应三极管IGFET(InsulatedGateFieldEffectTransister)IGFET也称金属氧化物半导体三极管MOSFET

（MetalOxideSemiconductorFET）5场效应管放大电路14场效应管放大电路2.分类FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）1.场效应管的特点(1)它是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。(2)它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，(3)还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。(4)在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。25.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管5.1.1N沟道增强型MOSFET5.1.5MOSFET的主要参数5.1.2N沟道耗尽型MOSFET5.1.3P沟道MOSFET5.1.4沟道长度调制效应35.1金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET绝缘栅型增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道绝缘栅型场效应管MetalOxideSemiconductor——MOSFET耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道41.结构(动画)5.1.1N沟道增强型MOSFET

一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。

N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层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，5N沟道增强型MOS场效应管结构漏极D→集电极C源极S→发射极E栅极G→基极B衬底B电极—金属绝缘层—氧化物基体—半导体因此称之为MOS管增强型62.N沟道增强型场效应管的工作原理（1）栅源电压VGS的控制作用当VGS=0V时因为漏源之间被两个背靠背的PN结隔离，因此，即使在D、S之间加上电压,在D、S间也不可能形成电流。当0＜VGS＜VT(开启电压)时通过栅极和衬底间的电场作用，将栅极下方P型衬底表层的空穴向下排斥，同时，使两个N区和衬底中的自由电子吸向衬底表层，并与空穴复合而消失，结果在衬底表面形成一薄层负离子的耗尽层。漏源间仍无载流子的通道。管子仍不能导通，处于截止状态。UDSID++--++--UGS7的N型沟道。把开始形成反型层的VGS值称为该管的开启电压VT。这时，若在漏源间加电压VDS，就能产生漏极电流

ID，即管子开启。

VGS值越大，沟道内自由电子越多，沟道电阻越小，在同样VDS

电压作用下，ID越大。这样，就实现了输入电压VGS对输出电流ID的控制。当VGS＞VT时，衬底中的电子进一步被吸至栅极下方的P型衬底表层，使衬底表层中的自由电子数量大于空穴数量，该薄层转换为N型半导体，称此为反型层。形成N源区到N漏区（1）栅源电压VGS的控制作用UDSID++--++--++++----UGS反型层8栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用(动画)9（1）vGS对沟道的控制作用当vGS≤0时无导电沟道，

d、s间加电压时，也无电流产生。当0<vGS

<VT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vGS

>VT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。

vGS越大，导电沟道越厚VT称为开启电压2.工作原理102.工作原理(2)漏源电压VDS

对沟道导电能力的影响UDS=UDG＋UGS

=－UGD＋UGS

UGD=UGS－UDS当UDS为0或较小时，相当UGD＞UT此时UDS

基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在UDS作用下形成IDSect11Sect基础知识当UDS增加到使UGD=UT时，当UDS增加到UGDUT时，增强型MOS管这相当于UDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。此时的漏极电流ID

基本饱和此时预夹断区域加长，伸向S极。UDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID基本趋于不变。2.工作原理(2)VDS

对沟道导电能力的影响(动画)12当VGS＞VT，且固定为某一值时，

VDS对ID的影响，即ID=f(VDS)VGS=const。这一关系曲线称为漏极输出特性曲线。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可变电阻区放大区截止区2406102013输出特性曲线2.可变电阻区：

iD与vDS的关系近线性

iD≈2Kn(vGS-VT)vDSUGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)当vGS变化时，rdso将随之变化因此称之为可变电阻区当vGS一定时，rdso近似为一常数因此又称之为恒阻区Sect1.截止区当vGS＜VT时，导电沟道尚未形成，iD＝0，为截止工作状态。Kn—导电因子（mA/V2)n—沟道内电子的表面迁移率COX—单位面积栅氧化层电容W—沟道宽度L—沟道长度Sn—沟道长宽比K'—本征导电因子14输出特性曲线3.恒流区：

该区内，vGS一定，iD基本不随vDS变化而变4.击穿区：

vDS

增加到某一值时，iD开始剧增而出现击穿。

当vDS

增加到某一临界值时，iD开始剧增时vDS称为漏源击穿电压。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)是vGS＝2VT时的iD

15

vDS一定时，vGS对漏极电流iD的控制关系曲线

iD=f(vGS)vDS=C

转移特性曲线vDS>vGS-vTvGS(V)iD(mA)VT在恒流区，iD与vGS的关系为iD≈Kn(vGS-VT)23.

V-I特性曲线及大信号特性方程16

N沟道耗尽型MOS管，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子，在管子制造过程中，这些正离子已经在漏源之间的衬底表面感应出反型层，形成了导电沟道。因此，使用时无须加开启电压（VGS=0），只要加漏源电压，就会有漏极电流。当VGS＞0时，将使ID进一步增加。VGS＜0时，随着VGS的减小ID逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的VGS值为夹断电压VP

。N沟道耗尽型MOSFET的结构和转移特性曲线5.1.2N沟道耗尽型MOSFET1.结构和工作原理（N沟道）175.1.2N沟道耗尽型MOSFET1.结构和工作原理（N沟道）二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流185.1.2N沟道耗尽型MOSFET2.V-I特性曲线及大信号特性方程

（N沟道增强型）当UGS=0时，UDS加正向电压，产生漏极电流ID,此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示195.1.3P沟道MOSFET

P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。205.1.4沟道长度调制效应实际上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215.1.5MOSFET的主要参数一、直流参数NMOS增强型1.开启电压VT

（增强型参数）2.夹断电压VP

（耗尽型参数）3.饱和漏电流IDSS

（耗尽型参数）4.直流输入电阻RGS

（109Ω～1015Ω

）二、交流参数1.输出电阻rds

当不考虑沟道调制效应时，＝0，rds→∞

225.1.5MOSFET的主要参数2.低频互导gm

二、交流参数考虑到则其中235.1.5MOSFET的主要参数end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

245.2JFET的结构和工作原理1.结构N型导电沟道漏极D(d)源极S(s)沟道电阻

——长度、宽度、掺杂P+P+反偏的PN结

——反偏电压控制耗尽层结构特点:空间电荷区（耗尽层）栅极G(g)(动画)255.2.1JFET的结构和工作原理2.工作原理①VGS对沟道的控制作用②VDS对沟道的影响VGS=0VGS＜0(反偏)VGS=VP耗尽层加厚|VGS|

增加沟道变窄沟道电阻增大全夹断（夹断电压）265.2.1JFET的结构和工作原理2.工作原理②VDS对沟道的影响VDS

IDGD间PN结的反向电压增加,使靠近漏极处的耗尽层加宽,呈楔形分布。VGD=VP时，在紧靠漏极处出现预夹断。

VDS夹断区延长,但ID基本不变272.工作原理③

VGS和VDS同时作用时(动画)285.2.2JFET的特性曲线及参数2.转移特性1.输出特性29与MOSFET类似3.主要参数5.2.2JFET的特性曲线及参数30各类场效应三极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31绝缘栅场效应管

N沟道耗尽型P

沟道耗尽型32结型场效应管

N沟道耗尽型P沟道耗尽型33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型结型耗尽型N沟道P沟道 PNP型绝缘栅增强型N沟道P沟道绝缘栅耗尽型N沟道P沟道载流子多子扩散少子漂移多子漂移输入量电流输入电压输入控制电流控制电压控制电流源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5.3场效应管放大电路

直流偏置电路静态工作点

FET小信号模型

动态指标分析

三种基本放大电路的性能比较

5.3.1直流偏置及静态分析

5.3.2放大电路的小信号模型分析法355.3.1直流偏置电路及静态分析对直流偏置电路的要求VP#

JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？365.3.1直流偏置电路及静态分析1.直流偏置电路分压式自偏压电路自偏压电路vGSvGS

=0－iDR场效应管常用的偏置方式自给偏压分压式偏置37静态分析a.方法一：图解法(a)列写输出回路方程(c)作图(b)列写输入回路方程+_+_38abcdeabcdeIDQMNQoUDSQQiUGSQ作输出回路直流负载线作控制特性作输入回路直流负载线OO39b.方法二：估算法输入回路方程当管子工作于放大区时两式联立可求得IDQ由此可得+_+_40共源组态接法基本放大电路直流通道VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)

VGSQ=VG－VS=VG－IDQR

IDQ=IDSS[1－(VGSQ/VP)]2

VDSQ=VDD－IDQ(Rd+R)

于是可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ。分压偏置放大电路的静态工作点分压式偏置:增强型、耗尽型两种偏置电路适用的FET自给偏压：耗尽型415.3.2放大电路的小信号模型分析法

对于采用场效应三极管的共源基本放大电路，可以与共射组态接法的基本放大电路相对应，只不过场效应三极管是电压控制电流源，即VCCS。共源组态的基本放大电路如图所示。(a)