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1、第4章 场效应管及其基本放大电路,4.1 场效应管结构及其特性 4.2 场效应管放大电路工作原理 4.3 场效应管放大电路静态分析方法 4.4 场效应管放大电路动态分析方法 4.5 场效应管电路应用,4.1 场效应管结构及其特性,根据结构场效应管的分类,结型场效应管JFET,MOS型场效应管,场效应管（Field Effect Transistor，FET）：是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是以输入电压控制输出电流的的半导体器件。也称为单极型晶体管。,结型场效应管：Junction Field Effect Transistor, JFET,MOS型场效应管：Metal Oxide Se
2、miconductor FET,MOSFET,根据载流子场效应管的分类,N沟道FET：电子作为载流子 P沟道FET：空穴作为载流子,场效应管与晶体管的区别,1. 晶体管是电流控制元件；场效应管是电压控制元件。 2. 晶体管参与导电的是电子空穴，因此称其为双极型器件； 场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子， 因此称其为单极型器件。 3. 晶体管的输入电阻较低，一般102104； 场效应管的输入电阻高，可达1091014。 4.其他：FET体积小、重量轻、寿命长、热稳定、更便于集成、易受静电影响。,MOS场效应管,N沟道增强型的MOS管,P沟道增强型的MOS管,N沟道耗尽型的MOS管,
3、P沟道耗尽型的MOS管,MOS场效应管分类, N沟道增强型MOS场效应管结构,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,1.增强型MOS场效应管,栅极G基极B 源极S发射极E 漏极D集电极C,(1)当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论UDS之间加上电压不会在D、S间形成电流ID,即ID0.,(2)当0UGSUGS,th时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。 (3)当UGS=UGS,th时, 在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在UDS的作用下形成ID。,(4)当UGSUGS,th
4、时, 导电沟道逐渐加厚， 沟道电阻减少，在相同UDS的作用下，ID将进一步增加。, N沟道增强型MOS场效应管工作原理,-,-,-,-,说明：开始无导电沟道，当在UGSUGS,th时才形成沟道, 这种类型的管子称为增强型MOS管。,栅极G基极B 源极S发射极E 漏极D集电极C, N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,增强型MOS管,定义：UDS一定时，UGS对漏极电流ID的控制关系曲线 ID=f(UGS)UDS=C,转移特性曲线,UGS,th,在恒流区，ID与UGS的关系为,IDK(UGS-UGS,th)2,K为导电因子。,UGS,th称为开启电压或阈值电压。,IDK(UGS-UGS,th)2（
5、1+UDS),其中： 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,IDK(UGS-UGS, th)2,不考虑UDS对沟道长度的调节作用时,沟道较短时，应考虑UDS对沟道长度的调节作用：,定义：UGS一定时， ID与UDS的变化曲线，是一族曲线 ID=f(UDS)UGS=C,输出特性曲线,输出特性曲线有三个区： （1）可变电阻区（ 或 恒阻区） （2）恒流区（或放大区） （3）击穿区,输出特性曲线,1.可变电阻区 条件：UDSUGS-UGS, th 特点： ID与UDS的关系近似为线性：
6、 ID 2K(UGS-UGS，th)UDS,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。,输出电阻（DS间的电阻）为,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。 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。,IDK(UGS-UGS,th)2,可变 电阻 区,漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用,分析条件: UGS为某一固定值,UGSUGS,th。,（1）UDS0，UDS较小(UGDUGS.th),分析过程：,增强型MOS管,当UD
7、S为0或较小时, UGDUGS.th即UDS UGS UGS,th， UDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在UDS作用下形成ID。,UDS=UDGUGS = UGS UGD UGD=UGSUDS 显然UDS减小，UGD增大。,(2) UDS0, 使UGDUGS.th UDS增加，UGD减小，UGD=UGS.th时,即UDS= UGS UGS,th ， 这相当于UDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。此时的漏极电流ID 基本饱和。,当UDS继续增加，UGDUGS.th时，即UDS UGS UGS,th，此时预夹断区域加长，伸向S极。 UDS增加的部分基本降落在随之加长的
8、夹断沟道上， ID基本趋于不变。,UGD=UGSUDS,问题： UDS电压反接是否能正常工作？,增强型MOS管, MOS管衬底的处理,保证两个PN结反偏。,NMOS管UBS加一负压,PMOS管UBS加一正压,处理方法：, N沟道耗尽型MOS场效应管结构,2.耗尽型MOS场效应管,+ + + + + + +, ,耗尽型MOS管存在 原始导电沟道,耗尽型MOS管,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UGS0时，将使ID进一步增加。 当UGS0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Ut
9、h,off表示。, N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理, ,转移特性曲线,耗尽型MOS管, N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线,沟道较短时，或考虑漏源之间的电压时，有,IDK(UGS-UGS,off)2（1+UDS),转移特性曲线,当UGSUGS,off，且未击穿时，,输出特性曲线,比较：N沟道耗尽型MOS管可工作在UGS0或UGS0。 N沟道增强型MOS管只能工作在UGS0。,耗尽型MOS管,各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线小结,绝缘栅场效应管,N 沟 道 增 强 型,P 沟 道 增 强 型,绝缘栅场效应管,N 沟 道 耗 尽 型,P 沟 道 耗 尽 型,各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线小结
10、（续）, 结型场效应管（JFET)结构, 结型场效应管（JFET)分类,可分为N沟道和P沟道两种，输入电阻约为107。,G,S,D,N沟道结型场效应管,导电沟道,3.结型场效应管,结型场效应管, 结型场效应管（JFET)的工作原理,根据结型场效应三极管的结构，因它没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下，对于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，否则将会出现栅流。现以N沟道为例说明其工作原理。,S,N沟道结型场效应管,(1) 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。 (2)当UGS0时，PN结反偏，PN结加宽，漏源间的沟道将变
11、窄，ID将减小。 当UGS继续向负方向增加，沟道继续变窄，耗尽层在漏极附近相遇，称为预夹断。,预夹断,UGS=UGS,off 夹断状态 ID=0,栅源电压对沟道的控制作用:,（3）当UGS继续向负方向增加，耗尽层在源极附近相遇称为全夹断，此时ID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UGS,off。,UGS,结型场效应管, 结型场效应管（JFET)的特性曲线,与MOS管的特性曲线基本相同，只不过MOS的栅源电压可正可负，而结型场效应三极管的栅源电压只能是为负。,UGS,off,转移特性曲线,输出特性曲线,可变 电阻 区,结型场效应管,N 沟 道 耗 尽 型,P 沟 道 耗 尽
12、 型,4.效应管的主要参数及特点,直流参数,2. 饱和漏极电流IDSS 耗尽型MOSFET、JFET，当UGS=0时所对应的漏极电流。,1.阈值电压（or称为开启电压、夹断电压) 漏源电压UDS恒定时，使ID=0时的电压。 增强型MOSFET阈值电压用UGS,th表示，也成为开启电压； 耗尽型MOSFET和JFET阈值电压用UGS,off表示，也称为夹断电压。,3. 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。结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107， 绝缘栅场效应三极管RGS约是1091015。,1. 低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用,gm的
13、求法: 图解法：gm实际就是转移特性曲线 i D=f(uGS) 的斜率 解析法：如增强型MOS管存在 iD=K(uGS-UGS,th)2,交流参数,gm与 iD成正比关系。,练习：计算低频跨导gm 。,显然：gm大小与工作点有关, ID越大,gm越大。,2. 衬底跨导gmb 反映了衬底偏置电压对漏极电流ID的控制作用,跨导比,交流参数,3. 动态漏极电阻rds,反映了uDS对iD的影响，实际上是输出特性曲线上工作点切线上的斜率。一般是几十几百千欧姆。,交流参数,4. 极间电容,Cgs栅极与源极间电容，约13PF Cgd 栅极与漏极间电容，约13PF Csd 源极与漏极间电容，约0.11PF C
14、gb 栅极与衬底间电容 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：,交流参数,2. 漏源击穿电压UDS,B (或用符号BUDS 表示） 使ID开始剧增时的UDS。,1.栅源击穿电压UGS ,B (或用符号BUGS表示） JFET：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。,极限参数,3. 最大漏极电流IDM 管子正常工作时漏极电流的上限值。,4.最大漏极耗散功率PDM PD=iDuDS,应用：根据IDM 、PDM、 UDS,B可以确定管子的安全工作区。,附录,1.与双极型三极管相同 第三位字母 J 代表结型场效应管，O 代表绝缘栅型场效应管
15、。 第二位字母代表材料，D是P型硅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。,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。,场效应三极管的型号现行有两种命名方法：,2.第二种命名方法是CS#：,小 结,结型有N沟道和P沟道两种， 栅源必须加反偏压才能工作，如N沟道在UGS0下工作。,绝缘栅场效应管有N沟道增强型、 N沟道耗尽型、 P沟道增强型、P沟道耗尽型四种类型。增强型不存在原始导电沟道，UGS只在单一极性或正或负工作；而耗尽型存在原始沟道，UGS可正可负。,2. 场效应管是单极型电压控制器件，具有输入电阻高，一 般可达109。,填空： 1.场效应管是_控制器件，而双极型三极管是_控制器件。绝缘栅型场效应管输入电阻很大，是因为_的原因。,答：电压，电流，栅极绝缘。,选择填空： 1.下图所示的特性属于那种管型？（ ）。,A.MOS增强型N沟道;MOS耗尽型P沟道；JFET N沟道 B. JFET N沟道; MOS增强型P沟道; MOS耗尽型N沟道； C. MOS耗尽型P沟道; MOS增强型N沟道; JFET N沟道. D. MOS耗尽
