第5章 场效应管及其放大电路

回顾晶体管是?器件电流控制电流器件(CCCS)！数学描述？第五章场效应管放大电路场效应管———利用电场效应工作的晶体管。1、按导电沟道类型分场效应管是单一载流子参与导电的器件。(1)电子作为载流子的器件叫N沟道场效应管;(2)空穴作为载流子的P沟道场效应管。

一、场效应管分类：输入电压产生电场,电场控制输出电流器件(VCCS)。(1)结型场效应管JFET

(JunctiontypeFieldEffectTransister)

利用PN结的宽度控制管子导电能力。2、按结构类型分(2)绝缘栅型场效应管IGFET(InsulatedGateFieldEffectTransister)也称金属氧化物半导体三极管MOSFET

（MetalOxideSemiconductorFET）3按导电方式分

增强型

N沟道、P沟道

耗尽型

N沟道、P沟道D(Drain)为漏极，相当c；

G(Gate)为栅极，相当b；

S(Source)为源极，相当e。5.1绝缘栅场效应三极管的工作原理MOSFET结构符号示意图

1、N沟道增强型MOSFET结构（动画5-1）（2）0＜VGS＜VGS(th)时，栅极和衬底间的电容作用，出现了一薄层负离子的耗尽层。但少子数量有限，不足以将漏极和源极沟通，漏极电流ID＝0。2、工作原理（1）当VGS=0V时，D、S之间加上电压也不会形成电流。（3）当VGS＞VGS(th)（开启电压)时，栅极电压足够强，使栅极下方聚集较多的电子，形成沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。

(动画5-2）在VGS=0V时ID=0，只有当VGS＞VGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。

VGS对ID的控制能力，体现在参数：gm（跨导）上，定义如下

gm=

ID/

VGS

VDS=const(单位mS)

VGS对漏极电流ID的控制关系可用

ID=f(VGS)

VDS=const3、输入转移特性曲线描述了栅极电压VGS对漏极电流ID的控制作用，称为输入转移特性曲线。4、漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用

当VGS＞VGS(th)，且固定为某一值，观察漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。VDS=VDG＋VGS

=－VGD＋VGS

VGD=VGS－VDS漏源电压VDS对沟道的影响(动画5-3）（1）当VDS较小时，VGD

＞VGS(th)

沟道分布如图,此时VDS基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。

（2）当VDS增加到VGD=VGS(th)时，相当于VDS增加使漏极处沟道退缩到临界的情况如图b

，称为预夹断。（3）当VDS再增加，使VGD

VGS(th)时，预夹断区域加长图C；VDS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。

5、漏极输出特性曲线ID=f(VDS)

VGS=const

当VGS＞VGS(th)，且固定为某一值时，VDS对ID的影响的一族曲线称为漏极输出特性曲线。经验公式（放大区）：6、N沟道耗尽型MOSFET

当VGS＞0，ID进一步增加；VGS＜0时，随着VGS的减小漏极电流也减小，直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VP表示。在栅极下方的SiO2层中掺入了正离子。即便VGS=0，正离子也感应出反型层，在漏源之间形成导电沟道。耗尽型MOSFET经验公式：

7、伏安特性曲线

绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型各类场效应三极管的特性曲线绝缘栅场效应管

N沟道耗尽型P沟道耗尽型5.2结型场效应三极管

1、结型场效应管结构

N型沟道JFET是在N型半导体两侧各造一个PN结。P区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。

(动画5-4）2、结型场效应管的工作原理

结型场效应管，只能工作在反偏的条件下，对于N沟道结型场效应管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。出现栅流意味着失控。

3、栅源、漏源电压对沟道的控制作用

1）栅源电压VGS的单独作用VDS=0，栅、源之间加负电压，PN结反偏，形成耗尽层，随着栅源电压的负向增大，耗尽层加宽，漏、源间的沟道变窄，VGS继续减小，沟道继续变窄，沟道全部合拢时的VGS称为夹断电压VP。VGS对沟道的控制作用（动画5-5）

2）漏源电压VDS单独作用VGS=0，在漏、源之间加正电压，产生漏极电流ID，形成漏、源间的电压梯度。因PN结反偏，形成耗尽层，靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从下至上呈楔形分布。VDS增加ID增加，当VGD=VGS-VDS=VP时，沟道漏极端合拢，称为预夹断。预夹断后，VDS进一步增加，ID也难以增加，管子进入恒流区。当VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VP时，在紧靠漏极处出现预夹断，当VDS继续增加，夹断继续向源极方向生长。3）栅源电压和漏源电压的共同作用栅极加负压，且VGS电位高于VP，若VDS从零开始增加，则VGD=VGS-VDS将随之更负。使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。

4、结型场效应三极管的特性曲线(a)漏极输出特性曲线(b)转移特性曲线N沟道结型场效应三极管的特性曲线动画（5-6）动画（5-7）VP经验公式：结型场效应管

N沟道耗尽型P沟道耗尽型5.3场效应三极管的参数

1、开启电压VGS(th)(或VT)它是增强型MOS管的参数，当VGS<VGS(th)时,场效应管不能导通。2、夹断电压VP(或VGS(off))它是耗尽型FET的参数，当VGS=VP

时,漏极电流为零。3、饱和漏极电流IDSS它是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结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω;

绝缘栅型场效应三极管,RGS约是109～1015Ω。

5、低频跨导gm

它反映了栅压对漏极电流的控制作用，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PDMPDM=VDSID决定，与双极型三极管的PCM相当。5.4场效应型三极管的低频小信号模型5．5场效应管放大电路1共源组态基本放大电路2共漏组态基本放大电路3共栅组态基本放大电路4三种组态基本放大电路的比较1、共源组态基本放大电路(1)、自生栅偏压式共源组态放大电路共源基本放大电路，可以与共射组态放大电路相对应，自生栅偏压意思是:VGS由自身的Id产生。工作点求法：VG=0V

VGSQ=VG－VS=

－IDQRs

IDQ=IDSS[1－(VGSQ/VP)]2

VDSQ=VDD－IDQ(Rd+R)可以解出VGSQ、IDQ和VDSQVG=0V

VGSQ=VG－VS=

－IDQRs

IDQ=IDSS[1－(VGSQ/VP)]2

VDSQ=VDD－IDQ(Rd+R)可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ例：设IDSS＝5.2mA，Vp＝-4.2V，VDD＝18V，求静态工作点Q和直流负载线（特性曲线已知）。解：2）求负载线分别对上两式求两个特殊点，在转移特性和输出特性上作出直流负载线；由：QQ再将转移特性的ID投到输出特性上得到Q点。(a)采用结型场效应管(b)采用绝缘栅场效应管共源组态接法基本放大电路(2)分压式共源组态放大电路分压式组态既能适合耗尽型又能适合增强型场效应管，并且能稳定静态工作点。1)直流分析直流通路为：共源直流通道

图中Rg1、Rg2是栅极偏置电阻，Rs是源极电阻，Rd是漏极负载电阻。根据图可写出下列方程VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)

VGSQ=VG－VS=VG－IDQRs

IDQ=IDSS[1－(VGSQ/VP)]2

VDSQ=VDD－IDQ(Rd+Rs)于是可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ。2)交流分析微变等效电路如图所示①电压放大倍数

②输入电阻

③输出电阻计算Ro的电路模型负载RL开路，设在输出端加一个电源Vo’;再设输入信号源短路，保留内阻RS，则2共漏组态基本放大电路(1)直流分析

由直流通道得

VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)

VGSQ=VG－VS=VG－IDQRs

又：IDQ=IDSS[1－(VGSQ/VP)]2VDSQ=VDD－IDQRs可以解出：VGSQ、IDQ和VDSQ。(2)交流分析微变等效电路如图所示①电压放大倍数②输入电阻

③输出电阻3共栅组态基本放大电路

共栅组态放大电路与微变等效电路如图所示。(1)直流分析

与共源组态放大电路相同。(2)交流分析①电压放大倍数②输入电阻③输出电阻

Ro≈Rd4三种接法基本放大电路的比较三种基本放大电路的比较如下组态对应关系

CE/CB/CC

CS/CG/CDbeLLbeLbeL

+=CB

)1(

)(1

=CC

=CErRβARβrRβArRβAvvv¢¢++¢+¢-&&&：：：电压放大倍数三种基本放大电路的比