场效应晶体管

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1、1.4 场效应晶体管场效应晶体管场效应管：场效应管：结型结型N沟道沟道P沟道沟道 MOS型型N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型1.4. 1 结型场效应管结型场效应管(Junction Field Effect Transistor) 1. 结型场效应管结型场效应管 箭头方箭头方向表示向表示栅结栅结正偏正偏或或正偏时正偏时栅极栅极电流方电流方向。向。N沟道结型场效应管的结构动画D(Drain):漏极，相当漏极，相当c G(Gate):栅极，相当栅极，相当b S(Source):源极，相当源极，相当e2. 工作原理ID（1）VGS对导电沟道的影响：对导电沟道的影响

2、：VP(VGS(OFF) )：夹断电压：夹断电压(a) VGS=0，VDS=0，ID=0 结型场效应管通常工作在结型场效应管通常工作在反偏反偏的条件下。的条件下。N沟道结型场效应管只沟道结型场效应管只能工作在能工作在负栅压区负栅压区，P沟道的只能沟道的只能工作在工作在正栅压区正栅压区。N沟道结型场效应管工作原理：沟道结型场效应管工作原理：工作原理(c) |VGS | = VP ，导电沟道被全，导电沟道被全夹断夹断(b) 0 VGS 0 ,但但|VGS-VDS| |VP |时的漏极电流时的漏极电流 当当|vGS - vDS | | vP |后，管子工作在恒流区，后，管子工作在恒流区，vDS对对i

3、D的影响的影响很小。实验证明，当很小。实验证明，当|vGS - vDS | | VP | 时，时，iD可近似表示为：可近似表示为：特性特性21.4. 2绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管( Insulated Gate Field Effect Transistor)绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管IGFET又称金属氧化物场效应管又称金属氧化物场效应管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)是是一种利用半导体表面的一种利用半导体表面的电场效应，由电场效应，由感应电荷感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极电流的的多少改变导电沟道来控制漏极电流的器件器件，它的栅极与

4、半导体之间是绝缘的，其电阻可达，它的栅极与半导体之间是绝缘的，其电阻可达1015 。增强型：增强型：VGS=0时，漏源之间没有导电沟道，时，漏源之间没有导电沟道， 在在VDS作用下无作用下无iD。耗尽型：耗尽型：VGS=0时，漏源之间有导电沟道，时，漏源之间有导电沟道， 在在VDS作用下有作用下有iD。1. N沟道增强型沟道增强型MOSFET浓度较低的浓度较低的P型硅型硅SiO2 薄膜绝缘层薄膜绝缘层两个高掺杂的两个高掺杂的N型区型区从从N型区引出电极型区引出电极作为作为D和和S在在绝缘层上镀一层金属铝并绝缘层上镀一层金属铝并引出一个电极作为引出一个电极作为GD(Drain):漏极，相当漏极，

5、相当c G(Gate):栅极，相当栅极，相当b S(Source):源极，相当源极，相当eB(Substrate):衬底衬底结构动画结构动画(1) 结构和符号结构和符号(2) 工作原理（以N沟道增强型为例）(a) VGS=0时，时，漏源之间相当漏源之间相当两个背靠背的两个背靠背的 二极管，在二极管，在D、S之间加上电压，之间加上电压，不管不管VDS极极性如何，其中总有一个性如何，其中总有一个PN结结反向，所以不存在导电沟道。反向，所以不存在导电沟道。 VGS =0， ID =0VGS必须大于必须大于0管子才能工作。管子才能工作。栅源电压栅源电压VGS的控制作用的控制作用栅源电压栅源电压VGS的

6、的控制作用动画控制作用动画栅源电压VGS的控制作用 （b）当栅极加有电压时，若）当栅极加有电压时，若0VGSVT （ VT 称为开启电称为开启电压压) 0VGSVT ， ID=0栅源电压栅源电压VGS的的控制作用动画控制作用动画栅源电压VGS的控制作用(c)进一步增加进一步增加VGS，当当VGSVT时，时， VGS 0g吸引电子吸引电子反型层反型层导电沟道导电沟道VGS 反型层变厚反型层变厚 VDS ID 栅源电压栅源电压VGS的的控制作用动画控制作用动画漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用（a）如果）如果VGSVT且固定为某一值，且固定为某一值，沟道变化；沟道变化；VDS ID 漏源电压漏

7、源电压VDS对漏极电流对漏极电流ID的影响的影响漏源电压漏源电压VDS对对沟道的影响动画沟道的影响动画漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用（b）当）当VDS增加到使增加到使VGD=VT时，沟道如图所示，时，沟道如图所示，靠近漏靠近漏极的沟道被夹断，极的沟道被夹断，称为称为预夹预夹断断。漏源电压漏源电压VDS对对沟道的影响动画沟道的影响动画漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用VDS ID 不变不变（c）当）当VDS增加到增加到VGD VT时，沟时，沟道如图所示。此时预夹断区域加道如图所示。此时预夹断区域加长，向长，向S极延伸。极延伸。 VDS增加的部分增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道基

8、本降落在随之加长的夹断沟道上，上， ID基本趋于不变基本趋于不变漏源电压漏源电压VDS对对沟道的影响动画沟道的影响动画 ID=f(VGS) VDS=const转移特性曲线转移特性曲线 iD vGS /VID=f(VDS) VGS=const输出特性曲线输出特性曲线 vDS /V iD(3) 特性曲线（以N沟道增强型为例）转移特性曲线的斜率转移特性曲线的斜率gm的大小反的大小反映了栅源电压映了栅源电压VGS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用。的控制作用。 gm 的量纲为的量纲为mA/V，称为，称为跨导跨导。 gm= ID/ VGS VDS=const 输出特性曲线 vDS /V iD(1) (1

9、) 截止区（夹断区）截止区（夹断区）V VGSGS V |VP |时的漏时的漏 极电流。（耗尽）极电流。（耗尽）(4) 直流输入电阻直流输入电阻Rgs ：在在VDS = 0时，栅源间直流电压与栅极时，栅源间直流电压与栅极直流电流的比值直流电流的比值2.交流参数(1) 低频跨导低频跨导 gm ：表示表示vGS对对iD的控制作用。的控制作用。在转移特性曲线上，在转移特性曲线上， gm 是曲线在某点上的斜率，也可由是曲线在某点上的斜率，也可由iD的表达式求导得出，单位为的表达式求导得出，单位为 S 或或 mS。(2)输出电阻输出电阻rds ：表示表示VDS对对iD的影响的影响它是输出特性曲线上工作点

10、处斜率的倒数。它是输出特性曲线上工作点处斜率的倒数。(3)极间电容极间电容 ：漏源电容漏源电容CDS约为约为 0.11pF，栅源电容，栅源电容CGS和栅和栅 漏极电容漏极电容CGD约为约为13pF。3.极限参数(1) 最大漏极电流最大漏极电流 IDM (3) 漏源击穿电压漏源击穿电压 V(BR)DS 栅源击穿电压栅源击穿电压 V(BR)GS (2) 最大漏极耗散功率最大漏极耗散功率 PDM 1.4.4场效应管与双极型三极管的比较及使用注意事项双极型三极管双极型三极管场效应三极管场效应三极管结构结构NPN型型PNP型型结型耗尽型结型耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道绝缘栅增强型绝缘栅增强型 N沟道沟

11、道 P沟道沟道绝缘栅耗尽型绝缘栅耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道C与与E一般不可倒置使用一般不可倒置使用D与与S可倒置使用可倒置使用载流子载流子多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移多子漂移多子漂移控制控制电流控制电流源电流控制电流源CCCS()电压控制电流源电压控制电流源VCCS(gm)噪声噪声较大较大较小较小温度特性温度特性受温度影响较大受温度影响较大较小，可有零温度系数点较小，可有零温度系数点输入电阻输入电阻几十到几千欧姆几十到几千欧姆几兆欧姆以上几兆欧姆以上静电影响静电影响不受静电影响不受静电影响易受静电影响易受静电影响集成工艺集成工艺不易大规模集成不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成适宜大

12、规模和超大规模集成2.5 场效应管放大电路场效应管的小信号模型场效应管的小信号模型共源极放大电路共源极放大电路共漏极放大电路共漏极放大电路共栅组态基本放大电路共栅组态基本放大电路2.5.1场效应管的小信号模型一般rds很大，可忽略，得简化小信号模型:2.5.2 共源极放大电路以NMOS增强型场效应管为例三极管与场效应管三种组态对照表：1 电路组成 比较共源和共射放大电路，它们只是在偏置电路和比较共源和共射放大电路，它们只是在偏置电路和受控源的类型上有所不同。只要将微变等效电路画出，受控源的类型上有所不同。只要将微变等效电路画出，就是一个解电路的问题了就是一个解电路的问题了。 图中图中Rg1、R

13、g2是栅极偏置电阻，是栅极偏置电阻，Rs是源极电阻，是源极电阻，Rd是漏极是漏极负载电阻。与共射基本放大电路的负载电阻。与共射基本放大电路的Rb1、Rb2，Re和和Rc分别一一分别一一对应。对应。2 静态工作点的确定（估算法）直流通路 静态工作点静态工作点(估算法）：估算法）： VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) VGS= VGVS= VGIDR ID= IDSS1(VGS /VP)2 VDS= VDDID(Rd+R) 解出解出VGS、ID和和VDS。3 动态参数分析微微变变等等效效电电路路2.5.3 共漏极放大电路 直流分析直流分析VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGS= VGVS

14、= VGIDRID= IDSS1(VGS /VP)2VDS= VDDIDR由此可以解出由此可以解出VGS、ID和和VDS。与三极管共集电与三极管共集电极电路对应极电路对应直流通路：Rg的作用？交流分析输出电阻2.5.4 共栅极放大电路RoRd例题例题1 共源共源已知：已知：gm=0.3mA/VIDSS=3mAVP=-2V解：静态分析：解：静态分析：VGS=-RIDID= IDSS1(VGS /VP)2代入参数得：代入参数得：3ID2-7ID+3=0ID=0.57mA ID=1.77mAVGS=-1.14V VDS=VDD-ID(Rd+R)=8.31V+vi -C10.01uQRg10MR2KRd15KRL18KC20.1uC310uVDD18V+vo -（不合理，舍去）（不合理，舍去）例题例题1解解动态分析：Ri=Rg=10MRo=Rd=15K