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1、南理工紫金学院 模拟电子线路 场效应管 南理工紫金学院 模拟电子线路 场效应管是一种利用电场效应来控制其电流 大小的半导体器件。 2.3 场效应管(FET) 优点:(1)体积小、重量轻、耗电少、寿命长； （2）输入阻抗高、噪声低、热稳定性好 、抗辐射能力强、制造工艺简单； 分类：（1）结型场效应管（JFET） （2）金属-氧化物-半导体场效应（MOSFET） Field Effect Transistor 南理工紫金学院 模拟电子线路 N沟道：增强型、耗尽型 P沟道：增强型、耗尽型 2.3.1、MOS场效应管 分类 Metal-Oxide-Semiconductor 南理工紫金学院 模拟电子线
2、路 P 一 N沟道增强型MOSFET 1 结构 SiO2 NN SD Al G B 南理工紫金学院 模拟电子线路 2 工作原理 a栅源电压UGS的控制作用 P SiO2 NN SD Al G B 当uGS=0V时，IDS=0 当栅极加正电压时 当uGS达到一定值时 形成导电沟道，称 此时的电压为开启 电压，uGS(th)(或UT) 反型层 uGS0V 南理工紫金学院 模拟电子线路 漏极电流受uGS的控制，故场效应管 具有用输入电压uGS控制输出电流iD的作 用，称之为电压控制型器件。 在uGS=0V时ID=0，只有当uGSUGS(th) 后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增 强型MOS管 南
3、理工紫金学院 模拟电子线路 b漏源电压uDS对漏极电流iD的控制作用 UDS=UDGUGS =UGDUGS UGD=UGSUDS P SiO2 NN SD Al G B 当UGSUGS(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电 压UDS对漏极电流ID的影响。UDS的不同变化对沟道的影 响如图所示。根据此图可以有如下关系 南理工紫金学院 模拟电子线路 P SiO2 NN SD Al G B 当uDS增较小时 ，对导电沟道影响 很小，沟道电阻近 似为常数，iD随uDS 的增加而线性增加 。 UGD=UGSUDS 南理工紫金学院 模拟电子线路 P SiO2 NN SD Al G B 当uDS增加到使
4、UGD=UGS(th)时，沟道 如图(b)所示。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。 UGD=UGSUDS 南理工紫金学院 模拟电子线路 P SiO2 NN SD Al G B 当UDS增加到 UGDUGS(th)时，沟道 如图所示。此时预夹 断区域加长， 伸向S极。 UDS增加的 部分基本降落 在随之加长的夹断沟 道上，ID基本 趋于不变。 南理工紫金学院 模拟电子线路 3 特性曲线 转移特性曲线 iD=f(uGS)UDS=const 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。 gm称为跨导。 南理工紫金学院 模拟电子线路 输出特性
5、曲线 当UGSUGS(th)， iD=f(uDS)uGS=const 可变电阻区 饱和区或恒流区 击穿区 夹断区（或截止区） 南理工紫金学院 模拟电子线路 二 N沟道耗尽型MOSFET SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0 时，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电压， 就有漏极电流存在. P + + + + + + SiO 2NN SD Al G B 南理工紫金学院 模拟电子线路 当uGS0且增大时时，将使iD进 一步增加。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，用符 号UGS(off)表示，有时也用UP表示。 南
6、理工紫金学院 模拟电子线路 N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线 UGS/V 南理工紫金学院 模拟电子线路 N沟道耗尽型MOSFET的输出特性曲线 南理工紫金学院 模拟电子线路 P沟道MOSFET P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完 全相同，只不过导电的载流子不同，供电电 压极性不同而已。 南理工紫金学院 模拟电子线路 2.3.2 结型场效应管 N PP 导电沟道 栅极 g 源极 s 漏极 d 1 结构 N沟道JFET P NN 导电沟道 栅极 g 源极 s 漏极 d P沟道JFET 南理工紫金学院 模拟电子线路 2 工作原理 N沟道JFET工作时，在g与s 之间加一负电压（
7、 ), 场效应管呈现大的输入电阻 ,栅极电流为零。在d和s之 间加一正电压（ ） ，形成电流 （漏极电 流）。该电流受 的 控制。 南理工紫金学院 模拟电子线路 （1）d、s间短路，在g、s间加反向电压时的情况 N PP s d g 夹断电压UGS(off) （或VP)：当 增加到某一电 压UGS(off)时，两侧耗尽层将在中间合龙，沟道被夹 断，d、s之间的电阻趋向无穷大。 南理工紫金学院 模拟电子线路 （2）d、S间加正向电压的情况： N PP s d g 在漏极附 近的耗尽区 开始靠拢， 这种情况称 为预夹断。 当 再增加时，耗尽区沿沟道加长它们的接触部 分，这时 略有增加但基本恒定。这
8、时的电流称 漏极饱和电流，用 表示。 南理工紫金学院 模拟电子线路 （3）g、s间加负电压，d、S间加正电压的情况： 南理工紫金学院 模拟电子线路 （1）JFET栅极和沟道间的PN结是反偏的， 因此其 ，输入电阻很高； （2）JFET是电压控制电流器件， 受 控制。 （3）预夹断前， 与 呈近似线性关系 ；预夹断后 趋于饱和。 总结 南理工紫金学院 模拟电子线路 区（可变电阻区） 区（饱和区或恒流区） 区（击穿区） 夹断区（或截止区） 1) 输出特性曲线 3 JFET的特性曲线 南理工紫金学院 模拟电子线路 由于 对 的影响很小，所以不同的 所对应 的转移特性曲线基本上重合在一起。这时 可近
9、似地表示为 2) 转移特性曲线 转移特性曲线与输出特性 曲线有严格的对应关系。 当管子工作在恒流区时， 南理工紫金学院 模拟电子线路 三、FET的主要参数 （1）夹断电压UGS(off) ： 为某一固定值（一般 为10V），使 等于一个微小的电流（一般为 5A）时，栅源之间之间所加的电压。 （2）开启电压UGS(th) ： 为某一固定值（ 一般为10V），使 大于零电流（一般为 5A）时，栅源之间之间所加的最小电压。 南理工紫金学院 模拟电子线路 （3）饱和漏电流IDSS ：对于耗尽型管子 ，在 的情况下产生预夹断时的漏极电 流。它是该管子所能输出的最大电流。通常 令DS=10V，GS=0V
10、时测出的漏极电流为饱 和漏电流。 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107 ，对于绝缘栅型场效应三极管, RGS约是109 1015。 南理工紫金学院 模拟电子线路 (5) 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) 南理工紫金学院 模拟电子线路 1、在MOS管中，有的产品将衬底引出可让使用者视电 路的需要任意连接。 2、FET通常制成漏极和源极可以互换。但有些产品出 厂时将源极和衬底连在一起，这时不能互换。 3、JFET的栅源电压不能接反，但可以在开路状态下保 存；而MOSFET
11、不使用时，由于它的输入电阻非常高， 须将各电极短路，以免外电场作用而使管子损坏。 4、焊接时，电烙铁必须有外接地线，以屏蔽交流电场 ，防止损坏管子。特别是焊接MOSFET时，最好断电后 再焊接。 四、使用FET的注意事项 南理工紫金学院 模拟电子线路 五 双极型和场效应型三极管的比较 双极型三极管场效应三极管 结构 NPN型 结型耗尽型 N沟道 P沟道 PNP型 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道 绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道 C与E一般不可倒置使用 D与S有的型号可倒置使用 载流子 多子扩散少子漂移 多子漂移 输入量 电流输入 电压输入 控制 电流控制电流源CCCS() 电压控制电流源VCCS(g
12、m) 南理工紫金学院 模拟电子线路 南理工紫金学院 模拟电子线路 直流、交信号同时存在 直流信号 交流信号分开处理 直流电路分析（静态分析） IDQ UGSQ UDSQ 估算法 交流电路分析（动态分析） Au Ri Ro 小信号 模型 2.3.4 场效应管电路分析方法 南理工紫金学院 模拟电子线路 电路如图所示， RG=1M,RS=2k,RD=12k,VDD=12V,场效应管的 IDSS=4mA,UGS(off)=-4V,计算静态工作点.画出小信 号等效电路 南理工紫金学院 模拟电子线路 例:求电路的静态工作点,画出交流通路和小信号 等效电路 南理工紫金学院 模拟电子线路 例2 电路如图所示，已知VCC=12V，管子的=50， UBEQ=0.7V。欲使静态时UCEQ=6V，求Rb； 南理工紫金学院 模拟电子线路 例:画出电路的直流通路,交流通路和小信号等效 电路 南理工紫金学院 模拟电子线路 例:画出电路的直流通路,交流通路和小信号等效 电路 南理工紫金学院 模拟电子线路 南理工紫金学院 模拟电子线路 南理工紫金学院 模拟电子线路
