第3章-场效应管及其基本课件

第3章场效应管及其基本电路

3–1结型场效应管3–2绝缘栅场效应管(IGFET)3–3场效应管的参数和小信号模型

3–4场效应管放大器

第3章场效应管及其基本电路

3–113–1结型场效应管3–1–1结型场效应管的结构及工作原理结型场效应管(JunctionFieldEffectTransistor)简称JFET，有N沟道JFET和P沟道JFET之分。图3–1给出了JFET的结构示意图及其表示符号。3–1结型场效应管3–1–1结型场效应管的结构及工2图3–1结型场效应管的结构示意图及其表示符号(a)N沟道JFET；(b)P沟道JFET图3–1结型场效应管的结构示意图及其表示符号3N沟道JFET，是在一根N型半导体棒两侧通过高浓度扩散制造两个重掺杂P++型区，形成两个PN结，将两个P++区接在一起引出一个电极，称为栅极(Gate)，在两个PN结之间的N型半导体构成导电沟道。在N型半导体的两端各制造一个欧姆接触电极，这两个电极间加上一定电压，便在沟道中形成电场，在此电场作用下，形成由多数载流子——自由电子产生的漂移电流。我们将电子发源端称为源极(Source)，接收端称为漏极(Drain)。在JFET中，源极和漏极是可以互换的。N沟道JFET，是在一根N型半导体棒4如图3–2所示，如果在栅极和源极之间加上负的电压UGS，而在漏极和源极之间加上正的电压UDS，那么，在UDS作用下，电子将源源不断地由源极向漏极运动，形成漏极电流ID。因为栅源电压UGS为负，PN结反偏，在栅源间仅存在微弱的反向饱和电流，所以栅极电流IG≈0，源极电流IS=ID。这就是结型场效应管输入阻抗很大的原因。如图3–2所示，如果在栅极和源极5当栅源负压UGS加大时，PN结变厚，并向N区扩张，使导电沟道变窄，沟道电导率变小，电阻变大，在同样的UGS下，ID变小；反之，|UGS|变小，沟道变宽，沟道电阻变小，ID变大。当|UGS|加大到某一负压值时，两侧PN结扩张使沟道全部消失，此时，ID将变为零。我们称此时的栅源电压UGS为“夹断电压”，记为UGSoff。可见，栅源电压UGS的变化，将有效地控制漏极电流的变化，这就是JFET最重要的工作原理。当栅源负压UGS加大时，PN结变厚，6图3–2栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图(a)UGS=0，沟道最宽，ID最大；(b)UGS负压增大，沟道变窄，ID减小；(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断，ID=0图3–2栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图7图3–2栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图(a)UGS=0，沟道最宽，ID最大；(b)UGS负压增大，沟道变窄，ID减小；(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断，ID=0图3–2栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图8图3–2栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图(a)UGS=0，沟道最宽，ID最大；(b)UGS负压增大，沟道变窄，ID减小；(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断，ID=0图3–2栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图9栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用沟道最宽沟道变窄沟道消失称为夹断UGS（off）栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用沟道最宽沟道变窄沟道消失称10

3–1–2结型场效应管的特性曲线一、转移特性曲线转移特性曲线表达在UDS一定时，栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用，即(3–1)理论分析和实测结果表明，iD与uGS符合平方律关系，即(3–2)3–1–2结型场效应管的特性曲线(3–1)理论分析和实测11式中：IDSS——饱和电流，表示uGS=0时的iD值；UGSoff——夹断电压，表示uGS=UGSoff时iD为零。转移特性曲线如图3–3(a)所示。为了使输入阻抗大(不允许出现栅流iG)，也为了使栅源电压对沟道宽度及漏极电流有效地进行控制，PN结一定要反偏，所以在N沟道JFET中，uGS必须为负值。式中：IDSS——饱和电流，表示uG12图3–3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(a)转移特性曲线；(b)输出特性曲线图3–3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(a)转移特13图3–3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(a)转移特性曲线；(b)输出特性曲线图3–3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(a)转移特14

二、输出特性曲线输出特性曲线表达以UGS为参变量时iD与uDS的关系。如图3–3(b)所示，根据特性曲线的各部分特征，我们将其分为四个区域：

1.恒流区恒流区相当于双极型晶体管的放大区。其主要特征为：

(1)当UGSoff<UGS<0时，uGS变化，曲线平移，iD与uGS符合平方律关系，uGS对iD的控制能力很强。二、输出特性曲线15(2)UGS固定，uDS增大，iD增大极小。说明在恒流区，uDS对iD的控制能力很弱。这是因为，当uDS较大时，UDG增大，靠近漏区的PN结局部变厚，当|uDS-uGS|>|UGSoff|(3–3)

时，沟道在漏极附近被局部夹断(称为预夹断)，如图3–4(b)所示。此后，uDS再增大，电压主要降到局部夹断区，而对整个沟道的导电能力影响不大。所以uDS的变化对iD影响很小。(2)UGS固定，uDS增大，iD16

2.可变电阻区当uDS很小，|uDS-uGS|<|UGSoff|时，即预夹断前(如图3–4(a)所示)，uDS的变化直接影响整个沟道的电场强度，从而影响iD的大小。所以在此区域，随着uDS的增大，iD增大很快。与双极型晶体管不同，在JFET中，栅源电压uGS对iD上升的斜率影响较大，随着|UGS|增大，曲线斜率变小，说明JFET的输出电阻变大。如图3--3(b)所示2.可变电阻区17图3–4uDS对导电沟道的影响图3–4uDS对导电沟道的影响18

3.截止区当|UGS|>|UGSoff|时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区。若利用JFET作为开关，则工作在截止区，即相当于开关打开。

4.击穿区随着uDS增大，靠近漏区的PN结反偏电压uDG(=uDS-uGS)也随之增大。3.截止区193–2绝缘栅场效应管(IGFET)

3–2–1绝缘栅场效应管的结构如图3–5所示，其中图(a)为立体结构示意图，图(b)为平面结构示意图。3–2绝缘栅场效应管(IGFET)3–2–120图3–5绝缘栅(金属-氧化物-半导体)场效应管结构示意图(a)立体图；(b)剖面图图3–5绝缘栅(金属-氧化物-半导体)场效应管结构示意图21图3–5绝缘栅(金属-氧化物-半导体)场效应管结构示意图(a)立体图；(b)剖面图图3–5绝缘栅(金属-氧化物-半导体)场效应管结构示意图22

3–2–2N沟道增强型MOSFET(EnhancementNMOSFET)一、导电沟道的形成及工作原理如图3–6所示，若将源极与衬底相连并接地，在栅极和源极之间加正压UGS，在漏极与源极之间施加正压UDS，我们来观察uGS变化时管子的工作情况。3–2–2N沟道增强型MOSFET(Enhance23图3–6N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号图3–6N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号24图3–6N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号图3–6N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号25

二、转移特性N沟道增强型MOSFET的转移特性如图3–7所示。其主要特点为：(1)当uGS<UGSth时，iD=0。(2)当uGS>UGSth时，iD>0，uGS越大，

iD也随之增大，二者符合平方律关系，如式(3–4)所示。(3–4)二、转移特性(3–4)26图3-7N沟道增强型MOSFET的转移特性图3-7N沟道增强型MOSFET的转移特性27式中：UGSth——开启电压(或阈值电压)；

μn——沟道电子运动的迁移率；

Cox——单位面积栅极电容；

W——沟道宽度；

L——沟道长度(见图3–5(a))；W/L——MOS管的宽长比。在MOS集成电路设计中，宽长比是一个极为重要的参数。式中：UGSth——开启电压(或阈值电压)；28

三、输出特性N沟道增强型MOSFET的输出特性如图3–8所示。与结型场效应管的输出特性相似，它也分为恒流区、可变电阻区、截止区和击穿区。其特点为：(1)截止区：UGS≤UGSth，导电沟道未形成，iD=0。三、输出特性29图3–8输出特性(a)输出特性；(b)厄尔利电压图3–8输出30图3–8输出特性(a)输出特性；(b)厄尔利电压图3–8输出31(2)恒流区：·曲线间隔均匀，uGS对iD控制能力强。·uDS对iD的控制能力弱，曲线平坦。·进入恒流区的条件，即预夹断条件为(3–5)(2)恒流区：(3–5)32因为UGD=UGS-UDS，当UDS增大，使UGD<UGSth时，靠近漏极的沟道被首先夹断(如图3–9所示)。此后，UDS再增大，电压的大部分将降落在夹断区(此处电阻大)，而对沟道的横向电场影响不大，沟道也从此基本恒定下来。所以随UDS的增大，iD增大很小，曲线从此进入恒流区。

因为UGD=UGS-UDS，当33图3–9uDS增大，沟道被局部夹断(预夹断)情况图3–9uDS增大，沟道被局部34沟道调制系数λ。不同UGS对应的恒流区输出特性延长会交于一点(见图3--8(b))，该点电压称为厄尔利电压UA。定义沟道调制系数来表达uDS对沟道及电流iD的影响。显然，曲线越平坦，|UA|越大，λ越小。(3–6)沟道调制系数λ。不同UGS对应的恒流35考虑uDS对iD微弱影响后的恒流区电流方程为但由于λ<<1，沟道调制效应可忽略，则(3)可变电阻区：可变电阻区的电流方程为(3–8)(3–7b)(3–7a)考虑uDS对iD微弱影响后的恒流区电流方程为但由于λ<<1，36可见，当uDS(uGS-UGSth)时(即预夹断前)那么，可变电阻区的输出电阻rDS为式(3–10)表明，uGS越大，rDS越小，体现了可变电阻(3–10)(3–9)可见，当uDS(uGS-UGSth)时(即预夹断前)那373–2–3N沟道耗尽型MOSFET(DepletionNMOSFET)

增强型N沟道MOSFET在uGS=0时，管内没有导电沟道。而耗尽型则不同，它在uGS=0时就存在导电沟道。因为这种器件在制造过程中，在栅极下面的SiO2绝缘层中掺入了大量碱金属正离子(如Na++或K++)，形成许多正电中心。这些正电中心的作用如同加正栅压一样，在P型衬底表面产生垂直于衬底的自建电场，排斥空穴，吸引电子，从而形成表面导电沟道，称为原始导电沟道。3–2–3N沟道耗尽型MOSFET(Depleti38由于uGS=0时就存在原始沟道，所以只要此时uDS>0，就有漏极电流。如果uGS>0,指向衬底的电场加强，沟道变宽，漏极电流iD将会增大。反之，若uGS<0，则栅压产生的电场与正离子产生的自建电场方向相反，总电场减弱，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。当uGS继续变负，等于某一阈值电压时，沟道将全部消失，iD=0，管子进入截止状态。综上所述，N沟道耗尽型MOSFET的转移特性和输出特性以及表示符号如图3–10(a),(b),(c)所示。由于uGS=0时就存在原始沟道，所39图3–10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号图3–10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号40图3–10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号图3–10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号41图3–10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号图3–10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号42N沟道耗尽型MOSFET管的电流方程与增强型管是一样的，不过其中的开启电压应换成夹断电压UGSoff。经简单变换，耗尽型NMOSFET的电流方程为式中：

(3–11)(3–12)ID0表示uGS=0时所对应的漏极电流。

N沟道耗尽型MOSFET管的电流方43

3–2–4各种类型MOS管的符号及特性对比图3–11给出各种N沟道和P沟道场效应管的符号。图3–12给出各种场效应管的转移特性和输出特性。各种管子的输出特性形状是一样的，只是控制电压UGS不同。3–2–4各种类型MOS管的符号及44图3–11各种场效应管的符号对比图3–11各种场效应管的符号对比45图3–11各种场效应管的符号对比图3–11各种场效应管的符号对比46图3–12各种场效应管的转移特性和输出特性对比(a)转移特性；(b)输出特性图3–12各种场效应管的转移特性和输出特性对比47图3–12各种场效应管的转移特性和输出特性对比(a)转移特性；(b)输出特性图3–12各种场效应管的转移特性和输出特性对比483–3场效应管的参数和小信号模型

3–3–1场效应管的主要参数一、直流参数1.结型场效应管和耗尽型MOSFET的主要参数(1)饱和漏极电流IDSS(ID0)：IDSS指的是对应uGS=0时的漏极电流。(2)夹断电压UGSoff：当栅源电压uGS=UGSoff时，iD=0。3–3场效应管的参数和小信号模型

3–3–1场效应49

2.增强型MOSFET的主要参数对增强型MOSFET来说，主要参数有开启电压UGSth，即当uGS>uGSth时，导电沟道才形成，iD≠0。

3.输入电阻RGS对结型场效应管，RGS在108~1012Ω之间。对MOS管，RGS在1010~1015Ω之间。通常认为RGS→∞。2.增强型MOSFET的主要参数50

二、极限参数场效应管也有一定的运用极限，若超过这些极限值，管子就可能损坏。场效应管的极限参数如下：(1)栅源击穿电压U(BR)GSO。(2)漏源击穿电压U(BR)DSO。(3)最大功耗PDM：PDM=ID·UDS二、极限参数51三、交流参数1跨导gm跨导gm的定义为(3–13)

gm的大小可以反映栅源电压uGS对漏极电流iD的控制能力的强弱。

gm可以从转移特性或输出特性中求得，也可以用公式计算出来。对JFET和耗尽型MOS管，电流方程为三、交流参数(3–13)gm的大小可以反映栅52(3–14)那么，对应工作点Q的gm为式中，IDQ为直流工作点电流。可见，工作点电流增大，跨导也将增大。而对增强型MOSFET，其电流方程为(3–14)那么，对应工作点Q的gm为式中，IDQ为直流工53那么，对应工作点Q的gm为(3–15)式(3–15)表明，增大场效应管的宽长比和工作电流，可以提高gm。2.输出电阻r

ds输出电阻rds定义为(3–16)(3–17)恒流区的rds可以用下式计算：那么，对应工作点Q的gm为(3–15)式(3–15)表明，增543–3–2场效应管的低频小信号模型

因为所以

(3–18)(3–19)以正弦复数值表示，上式可改写为通常rds较大，对Id的影响可以忽略，则3–3–2场效应管的低频小信号模55画出式(3–20)和式(3–21)所对应的等效电路分别如图3–13(a),(b)所示。由于栅流iG=0,RGS=∞，所以输入回路等效电路可以不画出。可见，场效应管低频小信号等效电路比晶体管的还简单。画出式(3–20)和式(3–21)56图3–13场效应管低频小信号简化模型图3–13场效应管低频小信号简化模型573–4场效应管放大器

3–4–1场效应管偏置电路与晶体管放大器相似，静态工作点的设置对放大器的性能至关重要。在场效应管放大器中，由于结型场效应管与耗尽型MOS场效应管uGS=0时，iD≠0，故可采用自偏压方式，如图3–14(a)所示。而对于增强型MOSFET，则一定要采用分压式偏置或混合偏置方式，如图3–14(b)所示。我们可以用两种办法确定直流工作点，一种是图解法，另一种是解析法。3–4场效应管放大器

3–4–1场效应管偏置电路58图3–14场效应管偏置方式(a)自偏压方式；(b)混合偏置方式图3–14场效应管偏置方式59

一、图解法画出N沟道场效应管的转移特性如图3–15所示。对于自偏压方式，栅源回路直流负载线方程为(3–22)

在转移特性坐标上画出该负载线方程如图3–15(a)所示。分别求出JFET的工作点为Q1点，耗尽型MOSFET的工作点为Q2点，而与增强型MOSFET转移特性则无交点。

一、图解法(3–22)60图3–15图解法求直流工作点(a)自偏压方式；(b)混合偏置方式图3–15图解法求直流工作点61对于混合偏置方式，栅源回路直流负载线方程为(3–23)

画出该负载线如图3–15(b)所示，对于三种不同类型的场效应管的工作点分别为Q′1、Q′2及Q3。这里要特别注意的是，对JFET，RG2过大，或RS太小，都会导致工作点不合适，如图3–15(b)虚线所示。对于混合偏置方式，栅源回路直流负载线方程为(3–23)62

二、解析法已知电流方式及栅源直流负载线方程，联立求解即可求得工作点。例如：(3–24a)(3–24b)将式(3–24b)代入式(3–24a)，解一个iD的二次方程，有两个根，舍去不合理的一个根，留下合理的一个根便是IDQ。二、解析法(3–24a)(3–2463

3–4–2场效应管放大器分析与晶体管放大器相似，场效应管放大器也有共源、共漏、共栅等三种基本组态电路。

一、共源放大器共源放大器电路如图3–16(a)所示，其低频小信号等效电路如图3–16(b)所示。由图(b)可知，放大器输出交流电压为(3–25)3–4–2场效应管放大器分析(3–25)64图3–16共源放大器电路及其低频小信号等效电路(a)电路；(b)低频小信号等效电路图3–16共源放大器电路及其低频小信号等效电路65图3–16共源放大器电路及其低频小信号等效电路(a)电路；(b)低频小信号等效电路图3–16共源放大器电路及其低频小信号等效电路66

式中，，且一般满足RD‖RL<<rds。所以，共源放大器的放大倍数Au为(3–26)若gm=5mA/V，元件值如图3–16(a)所示，则Au=50。输出电阻：输入电阻：

(3–27)(3–28)式中，67图3–17给出了基于Workbench平台的场效应管电路的计算机仿真结果，从仿真中可以测出直流工作点及输入输出波形的相位关系、放大倍数等。图3–17给出了基于Workbenc68图3–17基于Workbench平台的FET放大电路的计算机仿真图3–17基于Workbench平台的FET放大电路的69由图可见，场效应管型号为inf510，栅流IG=0，漏极电流IDQ=0.858mA。输出波形与输入波形相位相反。用示波器光标分别测出输出信号峰峰值为3V，输入信号峰峰值为0.024V，故该电路的放大倍数为由图可见，场效应管型号为inf51070

例场效应管放大器电路如图3–18(a)所示，已知工作点的gm=5mA/V，试画出低频小信号等效电路，并计算增益Au。例场效应管放大器电路如图3–18(71图3–18带电流负反馈的放大电路(a)电路；(b)等效电路；(c)简化等效电路图3–18带电流负反馈的放大电路72图3–18带电流负反馈的放大电路(a)电路；(b)等效电路；(c)简化等效电路图3–18带电流负反馈的放大电路73解(1)该电路的小信号等效电路如图3–18(b)所示。(2)输出电压：式中：

故(3–29)(3–30)(3–31)将式(3–31)代入式(3–29)，得放大倍数Au为(3–32)解式中：故(3–29)(3–30)(3–31)将74

二、共漏放大器共漏放大器的电路如图3–19(a)所示，相应的等效电路如图3–19(b)所示。该电路的主要参数如下。

1.放大倍数Au

式中：

故

二、共漏放大器式中：故75图3–19共漏电路及其等效电路(a)电路；(b)等效电路图3–19共漏电路及其等效电路76图3–19共漏电路及其等效电路(a)电路；(b)等效电路图3–19共漏电路及其等效电路77所以(3–33)所以(3–33)78

2.输出电阻Ro计算输出电阻Ro的等效电路如图3–20所示。首先将RL开路，短路，在输出端加信