场效应管及其电路

1、第4章场效应管及其电路本章要点MOS管的原理、特性和主要参数结型场效应管原理、特性及主要参数场效应管放大电路的组成与原理本章难点MOS管的原理和转移特性及主要参数场效应管的微变等效电路法场效应管（FET）是一种电压控制器件，它是利用输入电压产生电场效应来控制输出电 流的。它具有输入电阻高、噪声低、热稳定性好、耗电省等优点，目前已被广泛应用于各 种电子电路中。场效应管按其结构不同分为结型（JFET）和绝缘栅型（IGFET）两种，其中绝缘栅型场效应管由于其制造工艺简单，便于大规模集成，因此应用更为广泛。4.1 绝缘栅场效应管（MOSFET）绝缘栅型场效应管简称MOS管，由于其内部由金属一氧化物一半

2、导体三种材料制成，可分为增强型和耗尽型两大类，每一类中又有N沟道和P沟道之分。下面主要讨论N沟道增强型MOS管的工作原理，其余三种仅做简要介绍。4.1.1 N 沟道增强型场效应管（NMOSt）1 结构N沟道增强型 MOS管的结构如图4-1（a）所示。它是在一块掺杂浓度较低的P型硅片（称为衬底）上，通过扩散工艺形成两个高掺杂的N 区，通过金属铝引出两个电极分别作为源极S和漏极D，再在半导体表面覆盖一层二氧化硅绝缘层，在源漏极之间的绝缘层上 制作一铝电极，作为栅极G,另外从衬底引出衬底引线B（工作时通常与源极 S接在一起）。在两个N 区之间的半导体区，是载流子从源极S流向漏极D的通道，把它称为导电

3、沟道。由于栅极与导电沟道之间被二氧化硅所绝缘，故将此类场效应管称为绝缘栅型。图4-1（b）是N沟道增强型MOS管的符号，其中箭头方向是由P（衬底）指向N（沟道）,由此可判断沟道类型。符号中的三条断续线表示UGS 0不存在导电沟道，它是判断增强型MOS管的特殊标志。第4章场效应管及其电路85源极 栅极 漏极二氧化硅耗尽戊P型衬底占B衬底引统(b)电路符号(a)结构示意图图4-1 N沟道增强型MOS管2. 工作原理工作时，N沟道增强型MOS管的栅源电压uGs和漏源电压均为正向电压，如图 4-2 所示。耗尽泾卩甩衬底耗斥层 N沟迢P取衬底-A B(a)曲-0时的怡祝(b)栅源电压陥削h漏源电时的惜况

4、图4-2 N沟道增强型Most工作原理(1) 栅源电压UGS =0时的情况此时，漏源之间为一条由半导体N-P-N组成的两个反向串联的PN结，因此即使加入漏源电压Uds，因无导电沟道形成，漏极电流i0，如图4-2(a)所示。(2) 栅源电压Ugs 0，漏源电压Uds =0时的情况由于源极与衬底相连，所以从栅极经绝缘层到衬底间形成了垂直于半导体表面的电 场。该电场排斥P衬底的多子(空穴)，同时吸引其中的少子(电子)，当栅源间的正电压达到某一数值后，在P衬底靠近栅极的表面就会形成以自由电子为主体(即N型半导体)的导电薄层。这种由P型半导体转化成的N型薄层，被称为反型层。反型层使漏源之间形成一条由半导

5、体 N-N-N组成的导电沟道，如图4-2(b)所示。若此时加入漏源电压uDs，就会有漏极电流iD产生。我们把开始出现漏极电流iD时的栅源电压 Ugs称作开启电压，用Ut表示。栅源电压大于Ut后，s越大，垂直电场就越强，反型层越厚，导电沟道的断面就越 宽，加上漏源电压 Uds后形成的电流iD就越大，体现出“增强型”的含义。由此可以看 出，通过改变Ugs的大小，能够起到控制输出电流 iD的目的。3. 特性曲线(1) 转移特性曲线转移特性曲线是指增强型NMOS管在漏源电压Uds 定时，输出电流iD与输入电压Ugs的关系曲线，即i。= f (UGS ) UDS :常数它表示在某一固定的Uds下，输入电

6、压Ugs对输出电流：d的控制特性，图 4-3(a)所示的 为Uds = 10V的一条转移特性曲线，曲线上 iD = 0处的Ugs值就是开启电压 Ut。转移特性曲 线的表达式为iD =怙。UGS- 1(Ugs AUJ(4-1)耗尽层 N沟道卩型村底图4-4 NMOS管uDs对iD的影响情况4.1.2 P 沟道增强型场效应管(PMOS管)P沟道增强型 MOS管和N沟道增强型 MOS管的主要区别在于作为衬底的半导体材 料的类型不同，P沟道增强型 MOS管以N型硅作为衬底，另外，漏极和源极是从P 引出，反型层为 P型，对应的导电沟道也为 P型结构，其符号如图 4-5所示。图4-5 P沟道增强型MOSt

7、电路符号在工作过程中，P沟道增强型MOS管的Ugs、UDS的极性与N沟道增强型MOS管相 反，均为负值，因此其开启电压 UT值也为负。至于 P沟道增强型MOS管的工作过程与 N 沟道增强型MOS管大体相同，这里不再赘述。另外，在实际应用中，常常将P沟道增强型MOS管和N沟道增强型MOS管结合起来使用，称为 CMOS，也可称为互补 MOS。由CMOS构成的电路在功耗、抗干扰能力方 面都优于由晶体管构成的电路，同时它还具有结构简单，便于大规模集成、制造费用较低 等特点。因此由 CMOS构成的集成逻辑电路越来越得到广泛应用。4.1.3 N沟道耗尽型场效应管N沟道耗尽型 MOS管在制造时，在二氧化硅绝

8、缘层中预先掺入了大量的正离子。因 而即使uGS=0 , P衬底表面也可感应出较多的自由电子，形成反型层，建立起导电沟道， 其结构如图 4-6(a)所示。我们将Ugs=0时有导电沟道存在的场效应管通称为耗尽型场效应 管，符号中导电沟道用实线表示，如图4-6(b)。此时若接入正向的uDS，就会有漏极电流iD(即饱和漏极电流Idss)产生；当UGS 0时，垂直电场增强，沟道变宽，电流iD增大；当iD= 0 （耗尽）。源极 栅极 漏极x1* 沪 T,耗尽层 N型沟道P型衬底衬庭引线（a）结构示意图图4-6 N沟道耗尽型MOS管N沟道耗尽型MOS管其漏极电流iD和栅源电压Ugs之间的关系表达式为式中I

9、DSS为饱和漏极电流,i I DSSUGSUp(4-2)Up为夹断电压。Ugs 0，垂直电场削弱，沟道变窄,iD减小；当Ugs =Up（夹断电压）时，导电沟道消失，4.1.4 P沟道耗尽型场效应管P沟道耗尽型MOS管除了漏极、源极和衬底的半导体材料类型与N沟道耗尽型MOS管的对偶外，还有一个明显的区别就是在二氧化硅绝缘层中掺入的是负离子，其符号如 图4-7所示。图4-7 P沟道耗尽型MOS管电路符号4.2 结型场效应管（JFET）4.2.1 结型场效应管的结构结型场效应管的电极也是漏极D、源极S和栅极G,与绝缘栅型场效应管不同的是漏极D和源极S通常可以对调使用。结型场效应管也可分为N沟道和P沟

10、道两种，可以通过符号中箭头的方向来加以区分。JFET结构示意图和符号如图4-8所示。G栅极N沟 道P+P +D咖极耗尽层DOjVT(a)结构示意图图4-8 结型场效应管(b)电路符号源极4.2.2 结型场效应管的工作原理N沟道和P沟道JFET的工作原理相同，下面以 N沟道结型场效应管为例进行说明。为便于进一步说明uGS对导电沟道的影响，先假设 uDS 0。当uGS 0时，如图4-9 所示，场效应管两侧的PN结均处于零偏置，因此耗尽层很薄，中间的导电沟道最宽，沟道等效电阻最小。当比$ 0时，在ugs作用下，场效应管两侧的耗尽层加宽，相应的中间导电沟道变窄，沟道等效电阻增大，如图4-9(b)所示。

11、当ugs的反偏值增大到某一值时，场效应管两侧的耗尽层相接，导电沟道消失，这种现象称为夹断，如图4-9(c)所示，发生夹断时的栅源电压即为夹断电压Up。此时，沟道等效电阻趋于无穷大，即使加入uDs，漏极电流iD依然为零。假设在漏源间加入电压 uds，当ugs变化时，沟道中流过的电流iD将因沟道电阻的变化而变化。DDD ? 9-(H)“3=0时(b) t7pW05.()时(c)时图4-9Uds =0时，4对导电沟道的影响4.2.3 特性曲线1输出特性曲线图4-10(a)就是N沟道结型场效应管的输出特性曲线，由图可见，其工作状态分为四 个区域。恆流区_2V j击穿区 J=2K_/jo in AAJl

12、iLIx“rs/VU -3 -2 -1i/ps/V输出特性曲线山)转務特性曲线图4-10 N 沟道JFET特性曲线(1) 可变电阻区Uds较小，场效应管尚未出现预夹断的区域。该工作区的特点是：iD与Uds近似成线性关系，改变Ugs曲线斜率就发生变化。因此，工作在该区的场效应管可以看作是一个受栅 源电压Ugs控制的可变电阻，即压控电阻。(2) 恒流区Uds较大超过Up，输出特性曲线趋于水平的区域。在这一区域内，iD与Uds无关，只受Ugs控制，是一个受电压控制的电流源。场效应管作为放大器件应用时，均工作在这一 区域，所以又称为放大区。(3) 击穿区Uds值很大，超过漏源击穿电压U (br)ds，

13、漏极电流iD迅速上升，对应输出特性曲线上翘的部分。击穿后场效应管不能正常工作，甚至很快烧毁，因此，不允许场效应管工作在 此区域。(4) 截止区输出特性曲线靠近横轴，漏极电流iD : 0的区域。此时Ugs三Up,导电沟道被完全夹断，故也被称为夹断区。2.转移特性曲线N沟道JFET转移特性曲线如图4-10(b)所示，在转移特性曲线上，Ugs=0处的iD =Idss，而 iD =0 处的 Ugs =Up在恒流区，iD与Ugs之间的关系可近似表示为条件为：U p W Uds W U（br）ds , U p W Ugs W 0各种场效应管的符号、电压极性以及特性曲线归纳于表4-1，可供选用时参考。表4-

14、1各种场效应管的符号、电压极性以及特性曲线的比较符号和外接电压输岀特性转移特性N沟道增强型IGFETP沟道 增强型IGFETN沟道 耗尽型IGFETP沟道 耗尽型IGFETN沟道JFETP沟道JFET424场效应管的主要参数及使用注意事项1场效应管的主要参数(1) 夹断电压5为耗尽型管子(含结型)的参数，是指Uds为某一定值而iD减小到某一微小值时的Ugs值。在转移特性曲线上，iD =0处的Ugs值即为Up。(2) 饱和漏极电流Idss为耗尽型管子的参数，是在Ugs =0时，场效应管处于预夹断时的漏极电流。在转移特性曲线上，比$ =0处的值即为Idss。(3) 开启电压Ut为增强型MOS管的特

15、有参数，是指Uds为某一定值，使漏极电流iD为某一微小值(接 近于0)时所需的最小Ugs值。(4) 直流输入电阻Rgs指在漏源电压短路(Uds =0)时，栅源电压Ugs与栅极电流的比值。由于输入端是反偏 的PN结，因此Rgs很大，通常JFET的Rgs 10 1 , IGFET的 氐。(5) 低频跨导gm在Uds为某一常数时，iD的微变量与相应的Ugs微变量之比值，即(4-3)FET放大能力的一个重要d iDgm =_ d Ugs uds 空数gm反映了栅源电压Ugs对漏极电流iD的控制能力，是表征参数。单位为西门子(S),常用的还有mS和pSo对于不同类型的场效应管当其工作于恒流区时，gm可分

16、别由式(4-1) (4-2)求导得出。(6) 漏源击穿电压 U (BR)DS指漏极附近发生击穿时的漏源电压uds，它是漏、源间所能承受的最大电压。(7) 栅源击穿电压U (br)gs它是栅、源间所能承受的最大电压。对于JFET是指栅极与沟道间的PN结的反向击穿电压，对于IGFET是指绝缘层击穿时的电压。(8) 最大漏极电流Idm指管子在工作时允许的最大漏极电流。(9) 最大耗散功率Pdm耗散功率PDmUdsId，而PDm与晶体管的Pcm意义相同，它受管子最高工作温度和散热条件的限制。表4-2列出了部分场效应管的型号和主要参数。2.使用注意事项(1)场效应管的漏极和源极通常情况下可以互换使用，但

17、对于出厂时已将源极和衬底 连接在一起的场效应管，使用时应注意漏极和源极不能对调。表4-2部分场效应管的型号和主要参数参数 型号、Up|/V1 DSS/mAUt |/vRgs/ Qgm/ QU (BR)DS/v| U (BR)GS/v1 DM/mAP DM/mW管子类型3DJ2 1072000202015100NJFET3DO1 1091000204015100N耗尽MOS管3DO62.5 5 10920002020100NMOS3CO126 109500152015100PMOS(2) 使用时各场效应管外加电压的极性应按规定接入，特别是结型场效应管应注意栅 源间加反偏电压，以保证较高的输入电阻

18、。(3) MOS管应注意防止栅极悬空，以免绝缘层因电荷积累过多无法泄放，导致栅源 电压升高而击穿二氧化硅绝缘层，所以贮存时应将三个电极短路，焊接时应用导线将各电 极连在一起，并且电烙铁必须良好接地。(4) MOS管中若源极与衬底分开，应保证衬源间PN结反偏。通常 P衬底接低电位，N衬底接高电位。4.3 场效应管放大电路在放大电路中，场效应管和晶体管类似，也有三种组态电路，分别是共源、共漏和共 栅电路。由于场效应管具有输入电阻高和噪声低等突出优点，所以在电子电路的输入级和 振荡电路等需要高阻抗器件的场合都经常用到场效应管。下面就以常用的共源和共漏两种 组态电路为例，分别分析一下各种组态电路的静态

19、和动态工作情况。4.3.1共源放大电路1 自偏压电路图4-11为由N沟道耗尽型 MOS管所组成的共源放大电路，电路中场效应管的直流 偏压是靠源极电阻 Rs上的直流压降建立的，即Ugs =Ug Us =0 - IdR = T dRs(4-4)由上式可知，放大电路的栅偏压是依靠FET自身电流Id产生的，故称为自偏压电路。由于此电路要求接通电源后就有漏极电流Id产生，所以只适合由耗尽型FET(含JFET)构成的放大电路。2.分压式自偏压电路分压式自偏压电路如图4-12所示，电路的直流偏压是靠分压电阻、Rg2和源极电阻Rs共同建立的，其值为Ugs =Ug -Usg2 VddIdRs(4-5)R . +

20、 R 图4-12分压式自偏压电路调整Rgi和Rg2的值，就可以改变 Ugs，因此使用比较灵活。此偏置电路适合各种类型 场效应管构成的放大电路。(1)静态分析若为增强型 MOS管构成的放大电路，可联立式(4-5)和式(4-1);若为耗尽型(包括结型)U GS求得ID和Ugs后，再求场效应管构成的放大电路，可联立式(4-5)和式(4-2)，均能求出ID和UGS,艮卩/ , -2f 、 弋U GS)U GS )-1丨。=1 DSS1 -1凹丿 Rg3 =1M：Rd =1024.3.2 共漏放大电路图4-16所示是由增强型NMOS管构成的共漏放大电路，通过其交流通路可知，漏极为输入、输出回路的公共端。

21、由于信号从源极输出，故又称源极输出器。(1) 静态分析图4-16所示电路为分压式自偏压电路，其静态分析与431节大体相同，这里略。(2) 动态分析图4-17为图4-16所示共漏放大电路对应的简化H参数等效电路。其动态分析类似于第3章中共集放大电路，这里不再赘述。源极输出器与晶体管的射极输出器相似，都有电压放大倍数接近于1、输入电阻高和输出电阻低的特点，只不过源极输出器的输入电阻要比射极输出器大得多，通常可达几十 兆欧。图4-17 共漏放大电路简化 H参数等效电路4.3.3 复合互补源极跟随器场效应管源极跟随器的输入电阻可以做得很高，而输出电阻不是很低，且比晶体管射 极跟随器的输出电阻要大得多。

22、因为受低频跨导gm的限制，输出电阻一般为几百欧姆。如果采用图 4-18所示的复合互补源极跟随器电路，可获得较低的输出电阻，其阻抗变换 系数rjr。比图4-16所示的场效应管源极跟随器要大得多。Ci0.22pFDj3DJ6G*1 打 m=0-6inS2Mi-Ml47kil-：亠片丽/i=15mA-i-i2VTq3CG21O图4-18 复合互补源极跟随器对于图4-18所示电路，利用微变等效电路进行分析，可知：晶体管3CG21的输入电阻为rbe =300(1-)26mV 1.4k11 EQ电路输入电阻斤为ri 二尺3 1(12M1 R式中=48 , r =Rs/Rg1/Rg2 : 3k1.1Rd Ge电路输出电阻ro为尺(1 gmRc)r .、roc疋沁=33门1 +(1 +P皿几因为gmR ： 1，所以A -1。电路的阻抗变换系数 r/ro 6 104，而图4-16所示的场效应管源极跟随器的阻抗变换系数r/ro 4.8 103。由此可见，场效