场效应晶体管及其放大电路

3.场效应管的分类、工作原理和特性曲线。第三章场效应晶体管及其放大电路3.1结型场效应管3.2绝缘栅型场效应管3.3场效应管放大电路本章重点和考点：1.场效应管的分类、工作原理和特性曲线。2.FET三种组态的特点。1.场效应管是通过什么方式来控制漏极电流的？为什么它们都可以用于放大？2.如何根据放大电路的组成原则利用场效应管构成放大电路？它有三种接法吗？3.场效应管放大电路与晶体管放大电路有哪些不同处？在不同的场合下，应如何选用放大电路？本章讨论的问题：场效应三极管场效应管：一种载流子参与导电，利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管，又称单极型三极管。场效应管分类结型场效应管绝缘栅场效应管特点单极型器件(一种载流子导电)；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。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）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)场效应管分类：DSGN符号3.1结型场效应管JunctionFieldEffectTransistor结型场效应管的结构和类型图3.1N沟道结型场效应管结构图N型沟道N型硅棒栅极源极漏极P+P+P型区耗尽层(PN结)在漏极和源极之间加上一个正向电压，N型半导体中多数载流子电子可以导电。导电沟道是N型的，称N沟道结型场效应管。P沟道场效应管P沟道结型场效应管结构图N+N+P型沟道GSDP沟道场效应管是在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区(N+)，导电沟道为P型，多数载流子为空穴。符号GDS3.1.2结型场效应管工作原理N沟道结型场效应管用改变UGS大小来控制漏极电流ID的。(VCCS)GDSNN型沟道栅极源极漏极P+P+耗尽层*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流ID减小，反之，漏极ID电流将增加。*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。1.当UDS=0时，uGS对导电沟道的控制作用ID=0GDSN型沟道P+P+

(a)

UGS=0UGS=0时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽UGS由零逐渐减小，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。当UGS=UGS（Off)，耗尽层合拢，导电沟被夹断.ID=0GDSP+P+N型沟道(b)

UGS(off)<UGS<0VGGID=0GDSP+P+

(c)

UGS＜UGS(off)VGGUGS(off)为夹断电压,为负值。UGS(off)也可用UP表示2.当uGS为UGS（Off)~0中一固定值时,uDS对漏极电流iD的影响。uGS=0，uGD>UGS（Off)，iD较大。GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG

uGS<0，uGD>UGS（Off)，iD更小。GDSNiSiDP+P+VDD注意：当uDS>0时，耗尽层呈现楔形。(a)(b)uGD＝uGS－uDS

GDSP+NiSiDP+P+VDDVGGuGS<0,uGD=UGS(off),,沟道变窄预夹断uGS<0,uGD<uGS(off),夹断，iD几乎不变GDSiSiDP+VDDVGGP+P+(1)改变uGS，改变了PN结中电场，控制了iD，故称场效应管；(2)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使PN反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。(c)(d)3.当uGD<uGS(off),时，,uGS对漏极电流iD的控制作用场效应管用低频跨导gm的大小描述栅源电压对漏极电流的控制作用。场效应管为电压控制元件(VCCS)。在uGD＝uGS－uDS<uGS(off),当uDS为一常量时，对应于确定的uGS，就有确定的iD。gm=iD/uGS(单位mS)小结(1)在uGD＝uGS－uDS>uGS(off)情况下,即当uDS<uGS-uGS(off)

对应于不同的uGS，d-s间等效成不同阻值的电阻。(2)当uDS使uGD＝uGS(off)时，d-s之间预夹断(3)当uDS使uGD<uGS(off)时，iD几乎仅仅决定于uGS，而与uDS无关。此时，可以把iD近似看成uGS控制的电流源。3.1.3结型场效应管的特性曲线1.转移特性(N沟道结型场效应管为例)O

uGSiDIDSSUGS(off)图3.1.3转移特性uGS=0，iD最大；uGS愈负，iD愈小；uGS=UGS(off)

，iD0。两个重要参数饱和漏极电流IDSS(UGS=0时的ID)夹断电压UGS(off)

(ID=0时的UGS)UDSiDVDDVGGDSGV+V+uGS特性曲线测试电路+mA转移特性OuGS/VID/mAIDSSUP图3.1.4转移特性2.输出特性曲线当栅源之间的电压UGS不变时，漏极电流iD与漏源之间电压uDS的关系，即结型场效应管转移特性曲线的近似公式：≤≤IDSS/ViD/mAuDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7预夹断轨迹恒流区可变电阻区漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。(b)漏极特性输出特性（漏极特性）曲线夹断区UDSiDVDDVGGDSGV+V+uGS图3.1.5(a)特性曲线测试电路+mA击穿区＊结型P沟道的特性曲线SGD转移特性曲线iDUGS（Off）IDSSOuGS输出特性曲线iDUGS=0V+uDS++o栅源加正偏电压，(PN结反偏)漏源加反偏电压。3.1.4结型场效应管的主要参数一、直流参数2.零偏漏极电流IDSS1.夹断电压UGS(off)3.直流输入电阻RGS为UDS为固定值时，使ID降至极小值的UGS漏极饱和电流，为UDS为固定值时，UGS＝0时的ID输入电阻很高。结型场效应管一般在107以上二、交流参数1.低频跨导gm2.极间电容用以描述栅源之间的电压uGS对漏极电流iD的控制作用。单位：iD毫安(mA)；uGS伏(V)；gm毫西门子(mS)这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括Cgs、Cgd、Cds。

极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。三、极限参数2.最大漏极电流IDSM3.漏源击穿电压U(BR)DS4.栅源击穿电压U(BR)GS由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。场效应管工作时，栅源间PN结处于反偏状态，若UGS>U(BR)GS，PN将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。1.漏极最大允许耗散功率PDSM3.2绝缘栅型场效应管MOSFE（Metal-OxideSemiconductorFieldEffectTransistor）由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS场效应管。特点：输入电阻可达1010(有资料介绍可达1014）以上。类型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型UGS=0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；UGS=0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。3.2.1、N沟道增强型MOS场效应管结构P型衬底N+N+BGSDSiO2源极S漏极D衬底引线B栅极G图3.2.1N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图SGDB1.工作原理绝缘栅场效应管利用UGS来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流ID。2.工作原理分析(1)UGS=0漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。SBD(2)

UDS=0，0<UGS<UGS(th)D栅极金属层将聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近SiO2一侧的空穴，形成由负离子组成的耗尽层。增大UGS耗尽层变宽。(3)

UDS=0，UGS≥UGS(th)由于吸引了足够多P型衬底的电子，会在耗尽层和SiO2之间形成可移动的表面电荷层——P型衬底N+N+BGSVGG------------N型沟道反型层、N型导电沟道。UGS升高，N沟道变宽。因为UDS=0，所以ID=0。UGS(th)为开始形成反型层所需的UGS，称开启电压。(4)

UDS对导电沟道的影响(UGS>UGS(th)

)导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流ID。b.UDS=UGS–UGS(th)

UGD=UGS(th)

靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。c.UDS>UGS–UGS(th)，

UGD<UGS(th)

由于夹断区的沟道电阻很大，UDS逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，iD因而基本不变。a.UDS<UGS–UGS(th)

，即UGD=UGS–UDS>UGS(th)

P型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区DP型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区图3.2.2UDS对导电沟道的影响(a)

UGD>UGS(th)

(b)

UGD=UGS(th)

(c)

UGD<UGS(th)

在UDS>UGS–UGS(th)时，对应于不同的uGS就有一个确定的iD。此时，可以把iD近似看成是uGS控制的电流源。3.特性曲线与电流方程(a)转移特性(b)输出特性UGS<UGS(th)，iD=0；UGS

≥

UGS(th)，形成导电沟道，随着UGS的增加，ID

逐渐增大。(当UGS>UGS(th)时)三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、夹断区。UT2UTIDOuGS/ViD/mAO图3.2.3(a)图3.2.3(b)iD/mAuDS/VO预夹断轨迹恒流区可变电阻区夹断区。UGS增加3.2.2N沟道耗尽型MOS场效应管P型衬底N+N+BGSD++++++制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在P型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使UGS=0也会形成N型导电沟道。++++++++++++UGS=0，UDS>0，产生较大的漏极电流；UGS<0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，iD减小；UGS=

UGS(off),感应电荷被“耗尽”，iD

0。UP或UGS(off)称为夹断电压N沟道耗尽型MOS管特性工作条件：UDS>0；UGS正、负、零均可。iD/mAuGS/VOUP(a)转移特性IDSS耗尽型MOS管的符号SGDB(b)输出特性iD/mAuDS/VO+1VUGS=0-3V-1V-2V43215101520N沟道耗尽型MOSFET三、P沟道MOS管1.P沟道增强型MOS管的开启电压UGS(th)<0当UGS<UGS(th)，漏-源之间应加负电源电压管子才导通,空穴导电。2.P沟道耗尽型MOS管的夹断电压UGS(off)＞0UGS可在正、负值的一定范围内实现对iD的控制，漏-源之间应加负电源电压。SGDBP沟道SGDBP沟道四、VMOS管VMOS管漏区散热面积大，可制成大功率管。种类符号转移特性曲线输出特性曲线结型N沟道耗尽型

结型P沟道耗尽型

绝缘栅型N沟道增强型SGDSGDiDUGS=0V+uDS++oSGDBuGSiDOUT各类场效应管的符号和特性曲线+UGS=UTuDSiD+++OiDUGS=0V---uDSOuGSiDUPIDSSOuGSiD/mAUPIDSSO种类符号转移特性曲线输出特性曲线绝缘栅型N沟道耗尽型绝缘栅型P沟道增强型耗尽型IDSGDBUDSID_UGS=0+__OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_IDUGS=UTUDS_o_UGS=0V+_IDUDSo+3.2.3.场效应管的主要参数一、直流参数饱和漏极电流IDSS2.夹断电压UP或UGS(off)3.开启电压UT或UGS(th)4.直流输入电阻RGS为耗尽型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。输入电阻很高。结型场效应管一般在107以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于109。二、交流参数1.低频跨导gm2.极间电容用以描述栅源之间的电压uGS对漏极电流iD的控制作用。单位：iD毫安(mA)；uGS伏(V)；gm毫西门子(mS)这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括Cgs、Cgd、Cds。

极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。三、极限参数3.漏极最大允许耗散功率PDM2.漏源击穿电压U(BR)DS4.栅源击穿电压U(BR)GS由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。场效应管工作时，栅源间PN结处于反偏状态，若UGS>U(BR)GS，PN将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。1.最大漏极电流IDM例1已知某管子的输出特性曲线如图所示。试分析该管是什么类型的场效应管（结型、绝缘栅型、N沟道、P沟道、增强型、耗尽型）。分析：N沟道增强型MOS管，开启电压UGS(th)＝4V例2电路如左图所示，其中管子T的输出特性曲线如右图所示。试分析ui为0V、8V和10V三种情况下uo分别为多少伏？分析：N沟道增强型MOS管，开启电压UGS(th)＝4V解：(1)ui为0V，即uGS＝ui＝0，管子处于夹断状态所以u0＝VDD＝15V(2)uGS＝ui＝8V时，从输出特性曲线可知，管子工作在恒流区，iD＝1mA，u0＝uDS＝VDD-iD

RD＝10V(3)uGS＝ui＝10V时，若工作在恒流区，iD＝2.2mA。因而u0＝15-2.2*5＝4V但是，uGS＝10V时的预夹断电压为uDS=uGS–UT=(10-4)V=6V可见，此时管子工作在可变电阻区从输出特性曲线可得uGS＝10V时d-s之间的等效电阻(D在可变电阻区，任选一点，如图)所以输出电压为晶体管场效应管结构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S有的型号可倒置使用载流子多子扩散少子漂移多子运动输入量电流输入电压输入控制电流控制电流源CCCS(β)电压控制电流源VCCS(gm)场效应管与晶体管的比较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晶体管场效应管场效应管1.分类按导电沟道分N沟道P沟道按结构分绝缘栅型(MOS)结型按特性分增强型耗尽型uGS=0时，iD

=0uGS=0时，iD

0增强型耗尽型(耗尽型)2.特点栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流输入电阻高，工艺简单，易集成由于FET无栅极电流，故采用转移特性和输出特性描述3.特性不同类型FET的特性比较参见图1.4.13第43-44页。第一章半导体器件不同类型FET转移特性比较结型N沟道uGS/ViD/mAO增强型耗尽型MOS管(耗尽型)IDSS开启电压UGS(th)夹断电压UGS(off)IDO是uGS=2UGS(th)时的iD值3.3场效应管放大电路场效应管是电压控制电流元件，具有高输入阻抗。场效应管放大电路的三种接法（以N沟道结型场效应管为例）图3.3.1场效应管放大电路的三种接法（a）共源电路（b）共漏电路（c）共栅电路3.3.1场效应管放大电路的静态工作点的设置方法图3.3.2基本共源放大电路VDD+uOiDT~+uIVGGRGSDGRD与双极型三极管对应关系bG,eS,cD为了使场效应管工作在恒流区实现放大作用，应满足：N沟道增强型MOS场效应管组成的放大电路。(UT：开启电压)一、基本共源放大电路静态分析－－UGSQ、IDQUDSQVDD+uOiDT~+uIVGGRGSDGRD图3.3.2基本共源放大电路两种方法近似估算法图解法(一)近似估算法MOS管栅极电流为零，当uI=0时UGSQ=VGG而iD与uGS之间近似满足(当uGS>UT)式中IDO为uGS=2UT时的值。则静态漏极电流为

(二)图解法图3.3.3图解法求基本共源放大电路的静态工作点VDDIDQUDSQQ利用式uDS=VDD

-

iDRD画出直流负载线。图中IDQ、UDSQ即为静态值。Q点：UGSQ、IDQ、UDSQUGSQ=UDSQ=已知UP或UGS（Off)VDD-IDQ(Rd+R)--IDQR可解出Q点的UGSQ、IDQ、UDSQ如知道FET的特性曲线，也可采用图解法。二、自给偏压电路图3.3.4(a)JFET自给偏压共源电路耗尽型MOS管自给偏压共源电路的分析方法相同。IDQ三、分压式偏置电路图3.3.5分压式偏置电路+T+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+++(一)Q点近似估算法根据输入回路列方程解联立方程求出UGSQ和IDQ。列输出回路方程求UDSQUDSQ=VDD–IDQ(RD+RS)将IDQ代入，求出UDSQ+T+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+++图3.3.5分压式偏置电路(二)图解法由式可做出一条直线，另外，iD与uGS之间满足转移特性曲线的规律，二者之间交点为静态工作点，确定UGSQ，IDQ。根据漏极回路方程在漏极特性曲线上做直流负载线，与uGS=UGSQ的交点确定Q，由Q确定UDSQ和IDQ值。UDSQuDS=VDD–iD(RD+RS)3uDS/ViD/mA012152V105uGS4.5V4V3.5VUGSQ3VVDDQIDQuGS/ViD/mAO24612QIDQUGSQUGQ3.3.2