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1、第8章 场效应管及其放大电路 第7章介绍的半导体三极管是用基极电流去控制集电极电流的器 件，称为电流控制电流源器件，用CCCS表示，三极管中有两种载 流子参与导电，温度稳定性较差。 本章介绍的场效应管是只有一种载流子参与导电的半导体器 件，是一种用输入电压控制输出电流的半导体器件，属于电压控 制电流源器件，用VCCS表示。 场效应管（Field Effect Transistor,FET）从参与导电的载流子来划分，可以分 为以电子作为载流子的N沟道器件和以空穴作为载流子的P沟道器件。 从场效应管的结构来划分，可以分为绝缘栅型场效应管IGFET(Insulated Gate Field Effe
2、ct Transistor)和结型场效应管JFET(Junction Field Effect Transistor)， IGFET也称为金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET（MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor）。 场效应管的分类 ： 8.1 绝缘栅型场效应管 按照导电沟道的形成机理不同，N沟道MOSFET和P沟道MOSFET 又各有增强型和耗尽型两大类。 8.1.1 N沟道增强型MOSFET 1.N沟道增强型MOSFET的结构 结构示意图: 结构剖面图: 符号: 2.N沟道增强型MOSFET的工作原理 场效应管的栅源电压vGS
3、及漏源电压vDS都会对管子的工作状 态有影响。 （1）vGS对导电沟道和漏极电流的控制作用 vGS0时，没有导电沟道： 当栅源电压vGS=0时，增强型 MOS管的漏极d和源极s之间是两 个背靠背的PN结。即使加上漏 源电压vDS，不论vDS的极性如何 ，总有一个PN结处于反偏状态 ，漏源之间没有导电沟道，漏极 电流iD0， 当vDS0且vGS0时，由于 栅极和源极之间、栅极和漏 极之间均被SiO2绝缘层隔开 ，所以栅极电流为零。 同时栅极与衬底之间产生了 一个垂直于半导体表面、由栅 极指向衬底的电场。 vGS vT时，形成导电沟道： 在这个电场的作用，栅极下方P型半导体中的多数载流子（空穴 ）
4、被排斥，留下不能移动的负离子，从而形成耗尽层。 电场也将P型衬底中的少数载流子（电子）吸引到到栅极下的衬 底表面，形成一个N型薄层，称为反型层。 反型层把左右两个N区连接起来，构成了漏极与源极之间的导 电沟道。 使导电沟道刚刚形成的栅源电压vGS称为开启电压，用VT表示， 有时也用VGS(th)表示。 在vGSVT，且为定值。 若vDS0，此时尽管有导电沟道，漏极还是没有电流，iD0: 由于源极和衬底相连，如果作 用负的漏源电压（vDS0）。 (a) vDS0时，iD0; (b) vDS较小(vDS0 ）时，沟道中就有电流iD流过。 由于沟道存在一定的电阻，因此，iD沿沟道形成的源极端小、 漏
5、极端大的电位分布，导致沟道内的电场强度沿沟道从漏极端到源 极端逐渐减小，沟道厚度亦从漏极端到源极端逐渐减小; (c) vDS增大到vDS=vGS-VT时，预夹断 当vDS足够大时，使vGD=vGS-vDS略小 于开启电压VT， 则靠近漏极的电场强度不能吸引足够的电 子形成的反型层，此处沟道刚好被夹断， 称为预夹断， 预夹断对应的临界漏源电压方程为vGS-vDS =VT。 预夹断前，沟道电阻基本不变，漏极电流iD随vDS线性增加。 预夹断以后，由于预夹断区无载流子，夹断区电阻远比未夹断区 电阻大，vDS增加的部分几乎全部作用在夹断区，未夹断区则基 本保持预夹断时的电压，形成的沟道电流基本不变。
6、预夹断后漏极电流基本保持预夹断前的电流，不再随的vDS增加而变 化，具有恒流特性。 (d) vDSvGS-VT时，iD饱和 若vDS继续增加，预夹断向源极方向延伸。 预夹后的漏极电流与栅源电压有关，反映了MOS管的电压控制 电流的特性。 晶体管：（iC/iB） 场效应管用低频跨导gm来描述动态情况下栅源电压vGS对漏极电 流iD的控制作用： （gm越大，栅源电压vGS对漏极电流iD的控制作用越强。） 结论：MOS管的导电沟道中只有一种类型的载流子参与导电，这与 MOS管一样，所以称为单极型晶体管。 MOS管栅极是绝缘的，栅极输入电流近似为零。 漏极电流iD受栅源电压vGS的控制，即MOS管是电
7、压控制电流器件。 预夹断前iD与vDS，近似呈线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。 3.N沟道增强型MOSFET的特性曲线及电流方程 N沟道增强型MOSFET的特性曲线有两条，即输出特性和转移特性。 （1）输出特性 在栅源电压vGS为常量时，漏极电流iD与漏源电压vDS的关系称为输出特性，即: 输出特性可分为截止区、 可变电阻区和恒流区。 预夹断轨迹是可变电阻 区和恒流区的分界线； vGS=VT则是恒流区和截止 区的分界线。 截止区 靠近横轴、iD近似为零的区 域是截止区。 在截止区内，vGSVT，导 电沟道尚未形成，iD0，MOS 管截止。 可变电阻区 预夹断轨迹左边的区域即是可变电阻区。 当
8、vDS(vGS-vT)时，导电沟 道被预夹断。 漏极电流iD基本不随vDS的增加而变化，具有恒流特性。因 此，称该区域为恒流区。 iD受vGS的控制，等效为电压控制电流源。 放大电路中的场效应管应该工作在恒流区内。 （2）转移特性曲线 MOS管的栅极是绝缘的，栅极电流近似为零，其栅源电压控制特性漏极电流 。 定义为漏源电压vDS一定时，漏极电流iD与栅源电压vGS的函数，即 输出特性曲线上，做垂直于横轴的一条垂直线（vDS=常数），直线与多条输 出特性曲线相交于a、b、c、d点，将上述各点对应的iD和vGS的数值描绘在iDvGS 的直角坐标系中，连接各点所得到的曲线就是转移特性曲线 当管子工作
9、在恒流区时，iD基本上 不受vDS的影响，因此，在恒流区内不 同vDS下的转移特性曲线基本重合，可 以用一条曲线代替恒流区的所有转移 特性曲线。 当vGS0时： 将会在沟道中感应出更多的 电子，使导电沟道变厚，沟道电 阻变小，从而使漏极电流iD增大 。 当vGSvGS-VT， 假设成立，vO=10V。 管子工作在恒流区， 解： 例8.1 电路如图(b)所示，场效应管T的输出特性如图（a）所示， 试分析当vi分别为0V，6V，10V时，vo应为多少？ （3）当vGS=vI=10V时，假设管子工作在恒流区， 解： 则iD=2mA，vO= vDS =VDD- RiD=15-52=5V 因为vGS-V
10、T=10-4=6V，所以vDSvGS-VT，管子工作在可变电阻区， 假设不成立。 由图(a)可得，当vDS=10V时， rDS=vDS/iD5/2=2.5k 8.1.3 P沟道MOSFET P沟道MOSFET也有增强型和耗尽型两种。 P沟道增强型MOSFET结构示意图： P沟道增强型 P沟道耗尽型 符号： 当负的栅源电压足够大时（vGSVT0）时，形成P型导电沟道， 连接漏区和源区（P+）。 导通条件：vGSVT 在P沟道增强型MOSFET栅极下面的绝缘层中掺 入足够的负离子则形成P沟道耗尽型MOSFET。 导通条件 ： 8.1.4 MOSFET的主要参数 1.直流参数 1）开启电压VT VT
11、是增强型场MOS管的重要参数。 当vDS为一固定值时，使漏极电流iD大于零所需要的最小栅源 电压值即为开启电压VT。 2）夹断电压VP VP是耗尽型MOS管的重要参数。 当vDS为一固定值时，使漏极电流iD减小到某一个微小电流(例如 10uA)时所需的vGS值。 3）饱和漏极电流IDSS IDSS也是耗尽型MOS管的一个重要参数。 当栅源电压vGS等于零，而漏源电压vDS大于夹断电压VP时的 漏极电流，称为饱和漏极电流IDSS。 4）直流输入电阻RGS(DC) 在漏源之间短路的条件下，栅源之间的直流电阻值，它等于 栅源电压与栅极电流之比，MOS管的RGS(DC)约是1091015。 2.交流参
12、数 1）低频跨导gm 低频跨导是指vDS为某一定值时，漏极电流的微变量iD和引起 这个变化的栅源电压的微变量vGS之比，即 gm反映了栅源电压vGS对漏极电流iD的控制能力，单位为西门子 （S）或mS，gm一般为几mS。 由于转移特性曲线是非线性曲线，各点切线的斜率是不一样的 ，iD越大，gm也愈大。 2）输出电阻rds 输出电阻rds说明了vDS对iD的影响，它是输出特性上某一点切线 斜率的倒数，rds一般约为几十千欧到几百千欧。 3）极间电容 通常栅源电容Cgs和栅漏电容Cgd约为13pF，漏源电容约为0.1 1pF。在高频电路中，应考虑极间电容的影响。 3.极限参数 1）最大漏极电流ID
13、M IDM是管子正常工作时所允许的漏极电流的上限值。 2）最大耗散功率PDM vDS iDPDM 3）漏源击穿电压V(BR)DS 漏源间能承受的最大电压，当vDS值超过V(BR)DS时，栅漏间发生 击穿，iD开始急剧增加。 4）栅源击穿电压V(BR)GS 栅源间所能承受的最大反向电压，当vGS值超过V(BR)GS时，栅源间 发生击穿，反向电流iD由零开始急剧增加。 8.2 结型场效应管(JFET) 8.2.1 JFET的结构和工作原理 1.JFET的结构 结型场效应管也有N沟道和P沟道两种类型。 N沟道JFET的结构示意图： N沟道JFET的符号： N沟道JFET的结构图： 在一块N型半导体材
14、料的两边各扩散一 个高杂质浓度的P+区，形成两个PN结； 把两个P+区并联在一起，引出一个电极 g，称为栅极，在N型半导体的两端各引出 一个电极，分别称为源极s和漏极d。 2.JFET的工作原理 JFET的工作原理是：通过改变PN结耗尽层宽度调整导电沟道 的厚薄，从而实现对导电沟道电流的控制。当PN结正向偏置时， 其耗尽层宽度改变甚小。 当PN结反向偏置时，其耗尽层宽度改变明显。所以，JFET的 PN结必须反向偏置，才能有效地调整导电沟道的厚薄。 与MOS管一样，讨论JFET的工作原理同样是讨论vGS对iD的控制 作用和vDS对iD的影响。 N沟道JFET的工作原理： （1）vGS对导电沟道和
15、漏极电流的控制作用 a）当vGS =vDS0时，PN结耗尽层窄，导 电沟道宽，漏源间的电阻最小。 vGS=0V N沟道JFET的工作原理： （1）vGS对导电沟道和漏极电流的控制作用 b)当vDS0和vGS0时， 栅源之间的PN结反向偏置，两个PN结的耗尽层加宽，使得 中间的N型导电沟道变窄，漏源间的电阻增大。 b) VP vGS 0V a)vGS=0V 比较沟道宽度 N沟道JFET的工作原理： （1）vGS对导电沟道和漏极电流的控制作用 c)当PN结的反向电压足够大时， 两个PN结的耗尽层合拢 ，导电沟道消失，漏源间的 电阻最大。 对应于导电沟道刚刚消失 的栅源电压称为夹断电压，用 VP表示。 c) vGS VP, 导电沟道消失 如果在漏源之间作用正电压vDS，则在vGS由0至VP的变化过程中 ，导电沟道电阻逐渐增大，漏极电流iD逐渐减小。实现了栅源电压 对漏极电流的控制。 （2）vDS对导电沟道和漏极电流iD的影响 N沟道JFET的工作原理： 设VPvGS0，且vGS为定值。 a) vDS vGSVP 当作用正的漏源电压vDS时， 使PN结的反向电压增大，另一方 面在导电沟道中产生电流，即漏 极电流i
