第三章 场效应管及其放大电路

模拟电子技术基础欢迎学习3.1绝缘栅型场效应管3.2结型场效应管3.3场效应管的主要参数

第三章场效应管及其放大电路3.3场效应管放大电路场效应管FET与三极管BJT的区别1.BJT:是电流控制元件；FET:是电压控制元件。2.BJT参与导电的是电子—空穴，因此称其为双极型器件；

FET是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子，称为单级型器件。3.BJT输入电阻较低，一般102~104

；FET输入电阻高，可达109~1014

场效应管的分类结型场效应管JFETMOS型场效应管MOSFET

双极型三极管场效应三极管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

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N基底：N型半导体PP两边是P区G(栅极)S源极D漏极一、结构导电沟道NPPG(栅极)S源极D漏极N沟道结型场效应管DGSDGSPNNG(栅极)S源极D漏极P沟道结型场效应管DGSDGS二、工作原理（以P沟道为例）UDS=0V时PGSDUDSUGSNNNNIDPN结反偏，UGS越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。PGSDUDSUGSNNIDUDS=0V时NNUGS越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。但当UGS较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。PGSDUDSUGSNNUDS=0时UGS达到一定值时（夹断电压VP）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使UDS

0V，漏极电流ID=0A。IDPGSDUDSUGSUGS<Vp且UDS>0、UGD<VP时耗尽区的形状NN越靠近漏端，PN结反压越大IDPGSDUDSUGSUGS<Vp且UDS较大时UGD<VP时耗尽区的形状NN沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。IDGSDUDSUGSUGS<VpUGD=VP时NN漏端的沟道被夹断，称为予夹断。UDS增大则被夹断区向下延伸。IDGSDUDSUGSUGS<VpUGD=VP时NN此时，电流ID由未被夹断区域中的载流子形成，基本不随UDS的增加而增加，呈恒流特性。ID三、特性曲线UGS0IDIDSSVP饱和漏极电流夹断电压转移特性曲线一定UDS下的ID-UGS曲线予夹断曲线IDUDS2VUGS=0V1V3V4V5V可变电阻区夹断区恒流区输出特性曲线0N沟道结型场效应管的特性曲线转移特性曲线UGS0IDIDSSVP输出特性曲线IDUDS0UGS=0V-1V-3V-4V-5VN沟道结型场效应管的特性曲线场效应管

场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），对应于晶体管的e、b、c；

有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。

§3-1绝缘型场效应管单极型管∶噪声小、抗辐射能力强、低电压工作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。(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。SDEGP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

N沟道增强型MOSFET的工作原理(1)．栅源电压UGS的控制作用

先令漏源电压UDS=0，加入栅源电压UGS以后并不断增加。

UGS带给栅极正电荷，会将正对SiO2层的表面下的衬底中的空穴推走，从而形成一层负离子层，即耗尽层，用绿色的区域表示。

同时会在栅极下的表层感生一定的电子电荷，若电子数量较多，从而在漏源之间可形成导电沟道。

沟道中的电子和P型衬底的多子导电性质相反，称为反型层。此时若加上UDS

，就会有漏极电流ID产生。反型层

显然改变UGS就会改变沟道，从而影响ID

，这说明UGS对ID的控制作用。

当UGS较小时，不能形成有效的沟道，尽管加有UDS

，也不能形成ID

。当增加UGS，使ID刚刚出现时，对应的UGS称为开启电压，用UGS(th)或UT表示。

(2).漏源电压UDS的控制作用

设UGS＞UGS(th)，增加UDS，此时沟道的变化如下。

显然漏源电压会对沟道产生影响，因为源极和衬底相连接，所以加入UDS后，UDS将沿漏到源逐渐降落在沟道内，漏极和衬底之间反偏最大，PN结的宽度最大。所以加入UDS后，在漏源之间会形成一个倾斜的PN结区，从而影响沟道的导电性。

当UDS进一步增加时，ID会不断增加,同时，漏端的耗尽层上移，会在漏端出现夹断，这种状态称为预夹断。预夹断

当UDS进一步增加时，漏端的耗尽层向源极伸展，此时ID基本不再增加，增加的UDS基本上降落在夹断区。2.N沟道增强型MOS特性曲线UDS一定时，UGS对漏极电流ID的控制关系曲线

ID=f(UGS)

UDS=C1).转移特性曲线UDS>UGS-UTUGS(V)ID(mA)UT在恒流区，ID与UGS的关系为ID≈K(UGS-UT)2沟道较短时，应考虑UDS对沟道长度的调节作用：ID≈K(UGS-UT)2（1+UDS)K—导电因子（mA/V2)—沟道调制长度系数

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Sect(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2).输出特性曲线2.恒流区：UGS一定，ID基本不随UDS变化而变3.击穿区：

UDS

增加到某一值时，ID开始剧增而出现击穿。ID开始剧增时UDS称为漏源击穿电压。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)SectUGS一定时，ID与UDS的变化曲线，是一族曲线

ID=f(UDS)

UGS=C1.可变电阻区：

近线性

ID≈2K(UGS-UT)UDS可变电阻区:当UGS变化时，RON将随之变化恒阻区:当UGS一定时，RON近似为一常数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。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。(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/mA16201248121648IDSS2.

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N沟道耗尽型MOS场效应管+++++++

耗尽型MOS管存在原始导电沟道1.工作原理当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IDSS当UGS＞0时，将使ID进一步增加。当UGS＜0时，UGS的减小漏极电流逐渐减小。直至ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压UP2.

特性曲线转移特性曲线UGS(V)ID(mA)UP在恒流区ID≈K(UGS-UP)2沟道较短时ID≈K(UGS-UT)2（1+UDS)ID≈IDSS(1-UGS/UP)2常用关系式：Sect输出特性曲线ID(mA)N沟道耗尽型MOS管可工作在

UGS0或UGS>0N沟道增强型MOS管只能工作在

UGS>0各类绝缘栅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Sect绝缘栅场效应管

N沟道耗尽型P沟道耗尽型Sect各类场效应三极管的特性曲线1.

结型场效应管导电沟道源极栅极漏极符号结构示意图

§3-1绝缘型场效应管2.结型场效应管结型场效应管Sect漏极D集电极C栅极G基极B源极S发射极E导通条件：

UGS

0UBE0UDS0UBC01)在一定UDS作用下,栅源极电压为负,栅源极勾道通,UGS决定电流iD

的大小2)沟道中只有一种截流子——单极型晶体管1、结构2.JFET工作原理

N沟道结型场效应三极管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，当UGS=0时，沟道较宽，在UDS的作用下N沟道内的电子定向运动形成漏极电流ID。当UGS＜0时，PN结反偏，PN结加宽，漏源间的沟道将变窄，ID将减小，当UGS继续向负方向增加，沟道继续变窄，ID继续减小直至为0。当漏极电流为零时所对应的栅源电压UGS称为夹断电压UP。P+P+NGSDUDSIDDP+P+NGSUDSIDUGS预夹断UGS=UP夹断状态ID=0Sect导电沟道结型场效应管

N沟道耗尽型P沟道耗尽型

结型场效应管的缺点：1.栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。3.栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。2.在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。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可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加负电压？UGS（off）漏-源电压对漏极电流的影响uGS＞UGS（off）且不变，VDD增大，iD增大。预夹断uGD＝UGS（off）VDD的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，iD几乎仅仅决定于uGS。场效应管工作在恒流区的条件是什么？uGD>UGS（off）uGD<UGS（off）夹断电压漏极饱和电流转移特性场效应管工作在恒流区，因而uGS＞UGS（off）且uDS＜UGS（off）。

为什么必须用转移特性描述uGS对iD的控制作用？g-s电压控制d-s的等效电阻输出特性预夹断轨迹，uGD＝UGS（off）可变电阻区恒流区iD几乎仅决定于uGS击穿区夹断区（截止区）夹断电压IDSSΔiD

不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。低频跨导：MOS管的特性1)增强型MOS管2)耗尽型MOS管开启电压夹断电压3.场效应管的分类

工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管场效应管的主要参数1.开启电压UTMOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。2.夹断电压UP

夹断电压是耗尽型FET的参数，当UGS=UP时,漏极电流为零。3.饱和漏极电流IDSS

耗尽型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏极电流。4.直流输入电阻RGS栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流IGS之比结型场效应管，反偏时RGS约大于107Ω，绝缘栅场效应管RGS约是109～1015Ω5.漏源击穿电压BUDS使ID开始剧增时的UDS。6.栅源击穿电压BUGSJFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压7.低频跨导gm

低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用场效应管的主要参数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。

场效应三极管的参数和型号

(1)场效应三极管的参数①开启电压VGS(th)(或VT)

开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。

②夹断电压VGS(off)(或VP)

夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VGS(off)时,漏极电流为零。③饱和漏极电流IDSS

耗尽型场效应三极管,当VGS=0时所对应的漏极电流。④输入电阻RGS

场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω，对于绝缘栅型场效应三极管,RGS约是109～1015Ω。

⑤低频跨导gm

低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用相似。gm可以在转移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。⑥最大漏极功耗PDM

最大漏极功耗可由PDM=VDSID决定，与双极型三极管的PCM相当。

(2)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。第二位字母代表材料，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。

第二种命名方法是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。几种常用的场效应三极管的主要参数见下表

表场效应三极管的参数半导体三极管图片半导体三极管图片

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—CG—S—D

耗尽型N沟道MOS管的特性曲线IDmAVUDSUGS

实验线路(共源极接法)GSD输出特性曲线UGS=0VUDS（V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2V夹断电压UP=-2V固定一个UDS，画出ID和UGS的关系曲线，称为转移特性曲线

耗尽型N沟道MOS管的特性曲线转移特性曲线0IDUGSUP夹断电压跨导gmUGS=0VUDS（V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2V=

ID/

UGS=（3-2）/（1-0）=1/1=1mA/V

UGS

ID场效应管放大电路1电路的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(2).动态:能为交流信号提供通路组成原则静态分析：估算法、图解法。动态分析：微变等效电路法。分析方法N沟道耗尽型绝缘栅场效应管符号及特性曲线GSDIDUDSUGSGSDUGS=0VUDS（V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2VQ跨导gm=

ID/

UGS

ID=gm

UGSid=gmugsID=gm

UGS2场效应管的微变等效电路GSDSGDrDSidrDS=

UDS/

ID很大，可忽略。场效应管的微变等效电路压控电流源SGDid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。1.自给偏压式偏置电路

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，ID

0，故不能采用自给偏压式电路。+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。+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

=–1

IDUDS=20

–2（3+1）=12V列出关系式解出UGS1=

–2V、UGS2=

–8V、ID1=2mA、ID2=8mA因UGS2<UGS(off)故舍去，所求静态解为UGS=

–2VID=2mA、2.

分压式偏置电路(1)

静态分析+–+UDD

RSCSC2C1RG1RDRG2RG++–RLuiuo估算法：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流过

RG的电流为零(2)

动态分析电压放大倍数RG1RDRG2RG+–RL+–SDGT交流通路输入电阻输出电阻

RG是为了提高输入电阻ri而设置的。3.源极输出器+UDD

RSC2C1RG1RG2RG+–RLuiuo+–+RG1RSRG2RG+–RL+–SDGT+–交流通路电压放大倍数特点与晶体管的射极输出器一样当场效应管工作在可变电阻区时，漏源电阻：

场效应管可看作由栅源电压控制的可变电阻。UDS－1V－1.5VUGS=－0.5V0ID/mA16201248121648－2V－2.5V|UGS

|愈大，

RDS愈大。N沟道结型场效应管的转移特性3静态分析无输入信号时（ui=0），估算：UDS和ID。+UDD=+20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150K50K1M10K10KGDS10KIDUDSR1=150k

R2=50k

RG=1M

RD=10k

RS=10k

RL=10k

gm=3mA/VUDD=20V设：UG>>UGS则：UGUS而：IG=0+UDD+20VR1RDRGR2150K50K1M10KRS10KGDS所以：=直流通道IDUDSIG4动态分析微变等效电路+UDD=+20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150K50K1M10K10KGDS10KSGR2R1RGDRLRDUgsgmUgsUiUoIdSGDid

动态分析：UgsUiUgsgmIdriroUoSGR2R1RGRL

DRLRD=–gmUiRL

电压放大倍数负号表示输出输入反相电压放大倍数估算R1=150k

R2=50k

RG=1M

RS=10k

RD=10k

RL=10k

gm=3mA/VUDD=20V=-3

（10//10）=-15RL=RD//RLro=RD=10K

SGR2R1RGRL

DRLRD输入电阻、输出电阻=1+0.15//0.05=1.0375M

R1=150k

R2=50k

RG=1M

RD=10k

RS=10k

RL=10k

gm=3mA/VUDD=20Vrirori=RG+R1//R25源极输出器uo+UDD+20VRSuiC1R1RGR2RL150K50K1M10KDSC2G10KR1=150k

R2=50k

RG=1M

RS=10k

RL=10k

gm=3mA/VUDD=20V静态工作点:=USUGUDS=UDD-US=20-5=15Vuo+UDD+20VRSuiC1R1RGR2RL150K50K1M10KDSC2G10K微变等效电路：微变等效电路：riroro

gR2R1RGsdRLRSUi=Ugs+UoUo=Id(RS//RL)=gmUgsRL