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1、,模拟电子技术 第3章 场效应管及其放大电路分析,范立南 恩莉 代红艳 李雪飞 中国水利水电出版社,第3章 场效应管及其放大电路分析,3.1 场效应管的基本概念 3.2 场效应管放大电路的分析,场效应管按照结构不同，可分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管两大类； 结型场效应管（Junction Field Effect Transistor，简称JFET）按照制造工艺和材料不同，可分为N沟道结型场效应管和P沟道结型场效应管两种。 现以N沟道结型场效应管为例，介绍结型场效应管的结构、工作原理、特性曲线及主要参数。,3.1 场效应管的基本概念 3.1.1结型场效应管,1结构 N沟道结型场效应管的结构
2、示意图及符号如图所示：,N沟道结型场效应管是在一块掺杂浓度较低的N型半导体 上，制作两个高浓度的P型区（称为 型区），从而形成两 个PN结。 将两个 型区连接在一起，引出一个电极，称为 栅极（用g表示）；在N型半导体的两端各引出一个电极，分 别称为漏极（用d表示）和源极（用s表示）。 两个PN结中间的N型区是漏极和源极之间的电流沟道，称为 导电沟道。由于导电沟道是N型区，其多子是自由电子，故 称为N沟道结型场效应管； 其符号箭头方向是从栅极指向沟道，即从P区指向N区。,P沟道结型场效应管的结构示意图及符号如图所示：,2工作原理 （1） ， 情况,当N沟道JFET的栅-源和漏-源之间均未加电压时
3、，耗尽层很 窄，导电沟道很宽，沟道电阻很小。 当栅-源之间加反向电压，漏-源之间不加电压时，由于栅-源 之间加反向电压，耗尽层加宽，导电沟道变窄，沟道电阻增 大，且随着外加反向电压的增大，耗尽层进一步加宽，导电 沟道随之变窄，沟道电阻随之增大。 当外加反向电压增大至某一数值时，两侧的耗尽层相遇，整 个沟道被夹断，沟道电阻趋于无穷大。此时所对应的栅-源 电压称为夹断电压。,（2） ， 情况,当栅-源之间加反向电压，漏-源之间加正向电压时，由于栅- 源之间加反向电压，耗尽层加宽，导电沟道变窄，沟道电阻 增大； 设栅-源之间所加反向电压为范围内的某一固定值。此时由 于漏-源之间加正向电压，就有从漏极
4、到源极的漏极电流产 生。由于漏极电流在流经导电沟道时会产生电压降，使得沟 道上各点与栅极之间的电压不再相等，从而导致沟道中耗尽 层的宽度进一步变得不等宽。,由于漏极电流在流经导电沟道时产生的电压降从漏极到源极 逐渐增大，沟道上各点的电位从漏极到源极逐渐减小，即漏 极处的电位最大；源极处的电位最小为零，所以沟道上各点 与栅极之间的电压从漏极到源极逐渐减小，使得漏极处的耗 尽层最宽，从漏极到源极耗尽层宽度逐渐减小，从而沟道宽 度从漏极到源极逐渐增大，沟道电阻从漏极到源极逐渐减 小。 随着的进一步增大，沟道在漏极处发生预夹断，即漏极处两 侧的耗尽层相遇，如图示。此后继续增大，只是夹断区沿沟 道进一步
5、加长，漏极电流不再增加，达到饱和。,3特性曲线 转移特性曲线是用于描述漏-源电压一定情况下，漏极电流 与栅-源电压之间关系的曲线，即 。 N沟道JFET的转移特性曲线如图所示。,输出特性曲线是用于描述栅-源电压一定情况下，漏极电流 与漏-源电压之间关系的曲线，即 。 N沟道JFET的输出特性曲线如图所示。,4主要参数 （1）直流参数 夹断电压：是指漏-源电压为某定值时，使漏极电流为0或某一微小数值（如10）时的栅-源电压值。 饱和漏电流：是指栅-源电压 时，管子发生预夹断时所对应的漏极电流值。 直流输入电阻：是指在漏-源之间短路时，栅-源电压与栅极电流的比值。一般 。,（2）交流参数 低频跨导
6、：是指漏-源电压为某定值时，漏极电流的变化量与对应栅-源电压的变化量的比值，单位为S。 极间电容：场效应管的三个电极间存在着极间电容，即栅源电容、栅漏电容和漏源电容。 输出电阻：是指在恒流区内，当栅-源电压为某定值时，漏-源电压的变化量与漏极电流的变化量的比值。是用于反映漏-源电压对漏极电流的影响的参数，体现在输出特性曲线上，即是曲线上某点切线斜率的倒数。,（3）极限参数 最大漏电流：是指管子正常工作时所允许通过的漏极电流的最大值。 最大耗散功率：是决定管子温升的参数，超过此值时，管子会因过热而被烧坏。 漏源击穿电压：是指随着漏-源电压的增加，使得漏极电流急剧增加是的漏-源电压值。正常工作时，
7、若超过此值，管子将会被击穿。 栅源击穿电压：是指栅源间所能承受的最大电压。正常工作时，若超过此值，栅极和沟道间的PN结将会被击穿。,3.1.2 绝缘栅型场效应管,MOS管按照制造工艺和材料不同，可分为N沟道和P沟道； MOS管按照工作方式不同，又可分为增强型和耗尽型； 因此MOS管可分为N沟道增强型、P沟道增强型、 N沟道耗 尽型和P沟道耗尽型四种。 增强型MOS管与耗尽型MOS管的区别是：增强型MOS管在 栅-源之间未加电压时，无导电沟道；只有当栅-源之间加上 电压后，才能产生导电沟道。而耗尽型MOS管在栅-源之间 未加电压时，已经存在导电沟道。 以N沟道增强型MOS管为例，介绍MOS管的结
8、构、工作原 理及特性曲线。,1结构 增强型NMOS管的结构示意图如图所示。,增强型NMOS、 PMOS管的符号如图所示。,耗尽型NMOS、 PMOS管的符号如图所示。,2工作原理 （1） 情况 当栅-源之间未加电压时，漏-源之间是一对背靠背的PN结， 所以无论漏-源之间加正向电压还是反向电压，总有一个PN 结是截止的，漏-源之间没有导电沟道，也没有漏极电流产 生，如图示。,（2） ， 情况 当漏-源之间不加电压，栅-源之间加正向电压时，由于栅极 和衬底之间相当于以绝缘层为介质的平板电容器，在栅-源 正向电压的作用下，栅极表面会积累正电荷，该正电荷能够 吸引衬底中的少子自由电子，排斥衬底中的多子
9、空穴，使得 栅极附近的P型衬底中留下不能移动的负离子，形成耗尽 层。 随着外加栅-源电压的增加，耗尽层将继续加宽，当增加至 一定值时，自由电子将被吸引到绝缘层与耗尽层之间，形成 一个N型薄层，称为反型层，这个反型层即是漏-源之间的导 电沟道。开始形成反型层时的栅-源电压，称为开启电 压。形成反型层后，继续增加，反型层将加宽，沟道电阻将 减小。如图示。,（3） ，且为定值， 情况 设栅-源之间所加电压为的某一固定值，漏-源之间加正向电 压。由于 ，所以漏-源之间的导电沟道已经形成， 又由于漏-源电压 ，所以有从漏极到源极的漏极电 流产生。由于漏极电流在流经导电沟道时会产生电压降，使 得沟道上各点
10、与栅极之间的电压不再相等，从而导致沟道宽 度进一步变得不等宽。如图示。,由于漏极电流在流经导电沟道时产生的电压降从漏极到源极 逐渐增大，沟道上各点的电位从漏极到源极逐渐减小，所以 沟道上各点与栅极之间的电压从漏极到源极逐渐增大，从而 沟道宽度从漏极到源极逐渐增大，沟道电阻从漏极到源极逐 渐减小。 随着的进一步增大，增至使 时，沟道在漏极处 发生预夹断。此后 继续增大，只是夹断区沿沟道进一步 加长，漏极电流不再增加，达到饱和。,3特性曲线 增强型NMOS的转移和输出特性曲线如图所示。,耗尽型NMOS管的结构示意图如图所示。,其转移特性曲线及输出特性曲线如图所示。,4主要参数 MOS管的主要参数与
11、JFET的参数基本相同，所不同的是： 夹断电压是JFET和耗尽型MOS管的参数；对于增强型MOS 管来说，由于在未加栅源电压时，无导电沟道，只有当栅源 之间加上正向电压时，才会产生导电沟道，所以其参数应该 是开启电压。 开启电压：是指漏-源电压为某定值时，使漏极电流产生的 所需的的最小值。,例：转移特性曲线如图所示。试判断：（1）该管为何种类 型？（2）从该曲线可以求出该管的夹断电压还是开启电 压？值是多少？ 解：该管为N沟道结型场效应管，从该曲线上可以求出该管的夹断电压，其值是-4V。,【例3-2】输出特性曲线如图所示。试判断该管为何种类 型？ 解：该管为N沟道增强型MOS管。,3.2 场效
12、应管放大电路的分析,按照输入输出回路公共端的不同，场效应管放大电路也分为 共源、共漏和共栅三种组态。 分析步骤为： （1）求静态工作点 画直流通路； 求静态工作点。 （2）求交流性能 画交流通路； 画交流等效电路； 求交流性能。,3.2.1 共源放大电路的分析,1自偏压电路,直流通路：,NMOS管的低频小信号简化等效电路如图所示。,画交流通路,画交流等效电路,求交流性能。,2分压式自偏压电路 分压式自偏压共源放大电路如图示。,（1）求静态工作点 画直流通路,（2）求交流性能 画交流通路,画交流等效电路,求交流性能。,3.2.2 共漏放大电路的分析,基本共漏放大电路 如图示：,（1）求静态工作点 画直流通路,（2）求交流性能 画交流通路,画交流等效电路,求交流性能,例：电路如图所示，已知 ， ， 管子的 ， 。试求：（1）静态工作 点；（2）交流性能。,解：（1）求静态工作点 画直流通路,（2）求交流性能 画交流通路,画交流等效电路,求交流性能。,
