模拟电子技术(第五版)江晓安-4-1-2-3-4

1第四章场效应管放大电路4.1结型场效应管4.2绝缘栅场效应管4.3场效应管的主要参数4.4场效应管的特点4.5场效应管放大电路2

场效应晶体管(FET)是利用电压产生的电场效应来控制电流的一种半导体器件。它与普通晶体管相比有以下重要特点：

(1)它是一种电压控制器件。工作时，管子的输入电流几乎为0，因此具有极高的输入电阻(约数百兆欧以上)。

(2)

输出电流是仅由多子运动而形成的，故称单极型器件(普通晶体管电流是由多子和少子两种载流子形成，称为双极型器件)。因此，它的抗温度和抗辐射能力强，工作较稳定。

(3)

制造工艺比较简单，便于大规模集成，且噪声较小。

(4)

类型较多，使电路设计灵活性增大。3

根据结构的不同，场效应管可分为两大类：结型场效应管(JFET)和金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)。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)4N基底：N型半导体PP两边是P区G(栅极)S源极D漏极导电沟道结型场效应管也是具有PN结的半导体器件4.1结型场效应管4.1.1结构N型半导体衬底高掺杂P+型区导电沟道两个PN结电子发射端称为源极(Source)电子接收端称为漏极(Drain)栅极(Gate)5NPPG(栅极)S源极D漏极符号DGSDGS在JFET中，源极和漏极是可以互换的。N沟道结型场效应管6PNNG(栅极)S源极D漏极P沟道结型场效应管DGSDGS符号结构7

源极，用S或s表示N型导电沟道漏极，用D或d表示

P型区P型区栅极，用G或g表示栅极，用G或g表示符号符号#

符号中的箭头方向表示什么？N沟道和P沟道结型场效应管符号上的区别，在于栅极的箭头方向不同，但都要由P区指向N区。8

以N型沟道JFET为例进行分析，研究JFET的工作原理————输入电压对输出电流的控制作用。4.1.2基本工作原理N沟道场效应管工作时，在栅极与源极之间加负电压，栅极与沟道之间的PN结为反偏。在漏极、源极之间加一定正电压，使N沟道中的多数载流子(电子)由源极向漏极漂移，形成iD。iD的大小受VGS的控制。P沟道场效应管工作时，极性相反，沟道中的多子为空穴。9JFET工作原理

（动画2-9)10①VGS对沟道的控制作用当VGS＜0时对于N沟道的JFET，VP<0。PN结反偏耗尽层加厚沟道变窄

沟道电阻变大，ID减小；

VGS更负，沟道更窄，ID更小；直至沟道被耗尽层全部覆盖，沟道被夹断，ID≈0。这时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP。11②漏源电压VDS对iD的影响

在栅源间加电压VGS＞VP，漏源间加电压VDS。则因漏端耗尽层所受的反偏电压为VGD=VGS-VDS，比源端耗尽层所受的反偏电压VGS大,(如:VGS=-2V,VDS=3V,VP=-9V,则漏端耗尽层受反偏电压为-5V，源端耗尽层受反偏电压为-2V),使靠近漏端的耗尽层比源端厚，沟道比源端窄，故VDS对沟道的影响是不均匀的，使沟道呈楔形。当VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VP

时，在紧靠漏极处出现预夹断点，

随VDS增大，这种不均匀性越明显。当VDS继续增加时，预夹断点向源极方向伸长为预夹断区。由于预夹断区电阻很大，使主要VDS降落在该区，由此产生的强电场力能把未夹断区漂移到其边界上的载流子都扫至漏极，形成漏极饱和电流。12③

VGS和VDS同时作用时

导电沟道更容易夹断，

对于同样的VDS，

ID的值比VGS=0时的值要小。在预夹断处VGD=VGS-VDS=VP当VP<VGS<0时，13IDSSiD/

mAVGS=0预夹断0|Vp|1.输出特性曲线4.1.3特性曲线

输出特性曲线（也叫漏极特性）是指在栅源电压UGS一定时，漏极电流ID与漏源电压UDS之间关系。函数表示为:从图中可以看出，管子的工作状态可分为可变电阻区、恒流区和击穿区这三个区域。

14可变电阻区

（3）管压降vDS

很小。用途：做压控线性电阻条件：源端与漏端沟道都不夹断

15恒流区：(又称饱和区或放大区）特点:(1)受控性：

输入电压vGS控制输出电流(2)恒流性：输出电流iD

基本上不受输出电压vDS的影响。用途:可做放大器和恒流源。条件:(1)源端沟道未夹断

(2)源端沟道予夹断

16夹断区

用途：做无触点的、接通状态的电子开关。条件：整个沟道都夹断

击穿区

当漏源电压增大到

时，漏端PN结发生雪崩击穿，使iD

剧增的区域。其值一般为（20—50）V之间。由于VGD=VGS-VDS,故vGS越负，对应的VP就越小。管子不能在击穿区工作。特点：172.转移特性曲线输入电压VGS对输出漏极电流ID的控制18结型场效应管的特性小结结型场效应管

N沟道耗尽型P沟道耗尽型19

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。204.2绝缘栅场效应管:绝缘栅型场效应管MetalOxideSemiconductor——MOSFET

MOSFET是利用半导体表面的电场效应进行工作的，也称为表面场效应器件。分为增强型

N沟道、P沟道耗尽型N沟道、P沟道增强型：没有导电沟道，耗尽型：存在导电沟道，21MOSFET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，一个是漏极D，一个是源极S。1.N沟道增强型MOS场效应管结构4.2.1增强型MOS场效应管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。22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232.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，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。通过栅极和衬底间的电容作用，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，24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漏区的N型沟道。ID25

当VGS＞VT且固定为某值的情况下，若给漏源间加正电压VDS，则源区的自由电子将沿着沟道漂移到漏区，形成漏极电流ID。当ID从D

S流过沟道时，沿途会产生压降，进而导致沿着沟道长度上栅极与沟道间的电压分布不均匀。A(2).漏源电压VDS对沟道导电能力的影响

源极端电压最大，为VGS

，由此感生的沟道最深；离开源极端，越向漏极端靠近，则栅—沟间的电压线性下降，由它们感生的沟道越来越浅；直到漏极端，栅漏间电压最小，其值为：

VGD=VGS-VDS

,由此感生的沟道也最浅。可见，在VDS作用下导电沟道的深度是不均匀的，沟道呈锥形分布。若VDS进一步增大，直至VGD=VT，即VGS-VDS=VT或VDS=VGS-VT时，则漏端沟道消失，出现预夹断点。26

当VDS为0或较小时，VGD＞VT，此时VDS

基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。

当VDS增加到使VGD=VT时，漏极处沟道将缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。源区的自由电子在VDS电场力的作用下，仍能沿着沟道向漏端漂移，一旦到达预夹断区的边界处，就能被预夹断区内的电场力扫至漏区，形成漏极电流。

当VDS增加到使VGD

VT时，预夹断点向源极端延伸成小的夹断区。由于预夹断区呈现高阻，而未夹断沟道部分为低阻，因此，VDS增加的部分基本上降落在该夹断区内，而沟道中的电场力基本不变，漂移电流基本不变，所以，从漏端沟道出现预夹断点开始，ID基本不随VDS增加而变化。273.N沟道增强型MOS场效应管特性曲线UGS一定时，ID与UDS的变化曲线，是一族曲线

ID=f(UDS)

UGS=C(1).输出特性曲线1).可变电阻区：

ID与UDS的关系近线性

ID≈2K(UGS-UT)UDSUGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUDS(V)ID(mA)当UGS变化时，RON将随之变化因此称之为可变电阻区当UGS一定时，RON近似为一常数因此又称之为恒阻区282).恒流区：该区内，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。当UDS

增加到某一临界值时，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)29

ID=f(VGS)

VDS=常数UDS一定时，UGS对漏极电流ID的控制关系曲线(2).转移特性曲线在恒流区，ID与UGS的关系为ID≈K(UGS-UT)230

转移特性曲线的斜率

gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。其量纲为mA/V，称gm为跨导。

gm=

ID/

VGS

Q

（mS)(2).转移特性曲线31增强型MOS管特性小结绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型32

MOS管衬底的处理

保证两个PN结反偏，源极—沟道—漏极之间处于绝缘态NMOS管—UBS加一负压PMOS管—UBS加一正压处理原则：处理方法：331.N沟道耗尽型MOS场效应管结构4.2.2耗尽型MOS场效应管+++++++

耗尽型MOS管存在原始导电沟道

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。342.N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理当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，用IDSS表示当UGS＞0时，将使ID进一步增加。当UGS＜0时，随着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，用符号UP表示。UGS(V)ID(mA)UP

耗尽型MOS管存在原始导电沟道。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。即：353.N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线(1)输出特性曲线UGS=6VUGS=4VUGS=1VUGS=0VUGS=--1VUGS(V)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>036UGS(V)ID(mA)(2)转移特性曲线常用关系式：UGS(off)夹断电压当

uGS

UGS（off）0时,37绝缘栅增强型N沟P沟绝缘栅耗尽型

N沟道P沟道38N沟道增强型SGDBiDP沟道增强型SGDBiD2–2uGS/ViD/mAUGS(th)uDS/ViD/mA–2V–4V–6V–8VuGS=8V6V4V2VSGDBiDN沟道耗尽型iDSGDBP沟道耗尽型UGS(off)IDSSuGS/ViD/mA–55uDS/ViD/mA5V2V0V–2VuGS=2V0V–2V–5VN沟道结型SGDiDSGDiDP沟道结型uGS/ViD/mA5–5IDSSUGS(off)uDS/ViD/mA5V2V0VuGS=0V–2V–5VMOSFET符号、特性的比较39开启电压UGS(th)(增强型)

夹断电压

UGS(off)(耗尽型)

指uDS=某值，使漏极电流iD为某一小电流时的uGS

值。UGS(th)UGS(off)2.饱和漏极电流IDSS耗尽型场效应管，当uGS=0时所对应的漏极电流。IDSSuGS/ViD/mAO4.3场效应三极管的参数40UGS(th)UGS(off)3.直流输入电阻RGS指漏源间短路时，栅、源间加

反向电压呈现的直流电阻。JFET：RGS>107

MOSFET：RGS=109

1015

IDSSuGS/ViD/mAO414.低频跨导gm

反映了uGS对iD的控制能力，单位S(西门子)。一般为几毫西

(mS)uGS/ViD/mAQO增强型MOSFET耗尽型MOSFET

或结型FET42PDM=uDSiD，受温度限制。5.漏源动态电阻rds6.最大漏极功耗PDM436.漏源击穿电压BUDS使ID开始剧增时的UDS。7.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8.漏极最大允许耗散功率PDm

PDm与ID、UDS有如下关系:449.极间电容Cgs—栅极与源极间电容Cgd—栅极与漏极间电容Cgb—栅极与衬底间电容

Csd—源极与漏极间电容Csb—源极与衬底间电容Cdb—漏极与衬底间电容主要的极间电容有：454.4场效应管的特点(1)场效应管是一种电压控制器件,即通过UGS来控制ID。

(2)场效应管输入端几乎没有电流,所以其直流输入电阻和交流输入电阻都非常高。

(3)由于场效应管是利用多数载流子导电的,因此,与双极性三极管相比,具有噪声小、受幅射的影响小、热稳定性较好而且存在零温度系数工作点等特性。46(4)由于场效应管的结构对称,有时漏极和源极可以互换使用,而各项指标基本上不受影响,因此应用时比较方便、灵活。

(5)场效应管的制造工艺简单,有利于大规模集成。

(6)由于MOS场效应管的输入电阻可高达1015Ω,因此,由外界静电感应所产生的电荷不易泄漏,而栅极上的SiO2绝缘层又很薄,这将在栅极上产生很高的电场强度,以致引起绝缘层击穿而损