电子技术基础课件 第五章 场效应管及其基本放大电路

第5章场效应三极管及其放大电路赵宏安场效应管利用电场效应来控制其电流的大小。只有电子或空穴导电，为单极型器件。输入阻抗高，温度稳定性好结型场效应管JFETJunctionTypeFieldEffectTransistor绝缘栅型场效应管MOSFETMetal-Oxide-SemiconductortypeFieldEffectTransistor，制造工艺成熟，用于高密度的VLSI电路和大容量的可编程器件或存储器场效应管MOSFET的结构和工作原理。FET放大电路的三种组态：共源极、共漏极、共栅极MOSFET体积很小，在集成电路放大器中，常用来做成电流源作为偏置电路或有源负载，带有源负载的放大电路N基底：N型半导体PP两边是P区，参杂浓度高栅极g源极s漏极d5.1.1JFET的结构和工作原理导电沟道1.结构5.1

结型场效应管(JFET)利用半导体内的电场效应进行工作的，也称为体内场效应管dgsN沟道JFET耗尽层是指该区间的载流子被电场驱赶除后，其间基本没有可参与导电的自由带电粒子PNN栅极g源极s漏极dP沟道JFETdgs2.工作原理vDS=0V时NgsdvGSiD（1）vGS对沟道及iD

的控制作用vGS绝对值越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大NNPPvGS达到一定值时（夹断电压VP），耗尽区碰到一起，ds间被夹断，这时，即使vDS

0V，漏极电流iD=0AvGS<0,PN结反偏，当|vGS|较小时，耗尽区宽度较小，存在导电沟道。ds间相当于线性电阻vGS=0NgsdiD越靠近漏端，PN结反压越大，耗尽层越宽vDS达到一定值时，出现预夹断，vDS=|VP

|，ID＝IDSS（2）vDS对iD

的影响vDSPPvDS继续增大，夹断长度增加夹断处为耗尽层，电阻率很高，vDS降落其上，沟道上的压降基本不变。iD基本不随vDS增加而增加，呈恒流特性vDS达到一定值时，出现预夹断，vDS=|VP

|，ID＝IDSSNgSDiDvDSvGS-+vGD-+vDS增加，沟道场强加大：a.有利于iD的增大b.电位梯度使导电沟道呈锲形当vDS较小时，iD随vGD升高几乎成正比地增大vDS继续增加，靠近漏端的电位差最大，耗尽层最宽，当两耗尽层相遇时，称为预夹断：vGD=vGS-vDS=VPiD达到饱和电流IDSSiD/mAvDS/VIDSSvGS=0oV(BR)DS预夹断改变栅源电压vGS，耗尽层宽度变化，漏极电流会随之改变，可以得到一族曲线vDS对iD

的影响有两方面NgSDiDvDSvGS+-vGD-+iDvDS预夹断点预夹断轨迹vGS=0-0.4可变电阻区压控电阻饱和区放大区击穿区1.输出特性5.3.2JFET的N沟道特性曲线及参数vGS<VP时，iD=0称为截止区iD=f(vDS)│vGS=常数可变电阻区内：RDS=VGS/ID随VGS而变vGS/V0iD/mAIDSSVP饱和漏极电流夹断电压vDS=10V2.转移特性iD=f(vGS)│vDS=常数vDS=8VJFET栅极与沟道之间的PN结是反向偏置的，栅极电流iG几乎为零，输入电阻较高；JFET是电压控制电流器件，漏极电流iD受栅源电压vGS的控制；预夹断前，漏极电流iD与漏源电压vDS近似成线性关系，预夹断后，漏极电流iD趋于饱和P沟道JFET工作时，电源极性与N沟道JFET的电源极性相反沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管JFET小结结型场效应管的缺点：1.栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高3.栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题2.在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降MOS管是利用半导体表面的电场效应进行工作的，栅极处于不导电的状态，输入电阻高达1015绝缘栅型场效应管MOSFETN沟道P沟道耗尽型增强型耗尽型增强型5.1金属－氧化物－半导体(MOS)场效应管gsdN沟道增强型N++NP型硅衬底源极s栅极g漏极dSiO2绝缘层两个N区N导电沟道金属铝1.结构B衬底引线5.1.1N沟道增强型MOSFETN

沟道耗尽型gsd增强型是在外电场作用下，绝缘层上出现电荷后，在沟道内干生出符号相反的载流子。耗尽型是在器件生成过程中预先参入大量不可移动的离子，不加电时，即可在沟道内感生出符号相反的载流子（即预埋导电沟道）gsdP

沟道增强型NPPgsdP

沟道耗尽型gsdNPPgsd预埋了导电沟道vDSvGS=0时iD=0对应截止区MOSFET利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小PNNgsd2.工作原理d-s间相当于两个反接的PN结PNNgsdvGSvGS>0时在漏源电源作用下开始导电时的栅源电源称为开启电压VTvGS作用下，P衬底中的空穴受到电场力的排斥，形成负离子的耗尽层；同时电子被吸引到衬底表层vGS足够大时（vGS>VT

）感应出足够多电子，这里出现以电子导电为主的N型导电沟道vDS在vDS作用下，产生漏极电流，管子导通导电沟道相当于电阻将d-s连接起来，vGS越大电阻越小正电荷积累PNNgsdvDSvGSiD夹断后，即使vDS

继续增加，压降降落在耗尽层上，即vDS的增加对iD基本无影响，iD呈恒流特性vDS增加，vGD将减小，当vGD=vGS

–vDS=VT时，靠近d端的沟道被夹断，称为预夹断随着vDS上升，由于沟道存在电位梯度，导电沟道呈楔形当vDS较小时，导电沟道在两个N区间是均匀的。漏极电流iD随vDS上升迅速增大3.V－I特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方程iD=f(vDS)|vGS=constant预夹断临界点轨迹vGD=vGS

–vDS=VTvDSVGS-VT饱和区iD/mAvDS/VovGS>VT3V4V5V截止区vGS<VTID0是vGS=2VT的iDvDSVGS-VT可变电阻区原点附近输出电阻oiD/mAvGS/VVTvDS=10V（2）转移特性iD=f(vGS)|vDS=constantFET是电压控制器件，栅极没有电流转移特性和输出特性反映FET工作的同一物理过程，转移特性可直接从输出特性上用作图法得到N

沟道耗尽型gsdgs+NdbN++++++++++++P型硅衬底5.1.2N沟道耗尽型MOSFET+预埋了导电沟道当vGS=0时，已有导电沟道，加入vDS，有较大iD当vGS＞0时，沟道增宽，iD进一步增加当vGS＜0时，沟道变窄，iD减小夹断电压（截止电压）VP：加反向电压到一定值沟道消失1.结构和工作原理简述绝缘层掺有大量正离子vGS=

0VvDS(V)iD(mA)01324vGS=

+1VvGS=

+2VvGS=

-

1VvGS=

-

2VΔvGSΔiDgm=Δ

iD/Δ

vGS=（3-2）/（1-0）=1/1=1mA/V

输出特性曲线2.V－I特性曲线及大信号特性方程iD0vGSVP对于耗尽型FET：转移特性曲线IDSS：零栅压的漏极电流，饱和漏极电流5.1.5MOSFET的主要参数一、直流参数2.夹断电压VP（或vGS(off)）：耗尽型MOS参数vDS为某一固定值，使iD等于一个微小的电流时，栅源之间所加的电压1.开启电压VT（或vGS(th)）：增强型MOS参数vDS为某一固定值，使iD等于一个微小的电流时，栅源之间所加的电压3.饱和漏极电流IDSS：vGS=0，当vDS>|VP|时的漏极电流4.直流输入电阻RGS：在漏源之间短路的条件下，栅源之间加一定电压时的栅源直流电阻2.低频互导gm互导反映了vGS对iD的控制能力，相当于转移特性曲线上工作点的斜率。单位是mS或S1.输出电阻rds十分之几至几mS，互导随管子工作点不同而变几十千欧到几百千欧二、交流参数N沟道EMOSFET2.最大耗散功率PDM3.最大漏源电压V(BR)DS4.最大栅源电压V(BR)GS发生雪崩击穿、iD

开始急剧上升时的vDS值栅源间反向电流开始急剧增加时的vGS值PDM=vDS

iD受管子最高工作温度的限制三、极限参数1.最大漏极电流IDM：管子正常工作时漏极电流允许的上限值场效应管具有体积小、重量轻、耗电省、寿命长、输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强等优点，而且集成度高，因此越来越广泛的应用于各种电子设备中BJTb

e

cFETg

s

d不能简单的用FET取代BJT，应注意两者在偏置电路和微变等效电路的区别5.2MOSFET放大电路FET的3个极与BJT的3个极存在对应关系：根据求得的VDS判断FET工作在饱和区或可变电阻区1.直流偏置及静态工作点的计算VDDvoviBCb2Cb1Rg1RdRg2gdsTiD（1）简单的共源极放大电路FET是电压控制器件，需要有合适的栅极电压，保证管子工作在饱和区，输出信号不失真（2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路vs+VDDvoviBCb2Cb1Rg1RdRg2gdsTiD-VSSRsR当NMOS管工作在饱和区在MOS管中接入源极电阻，也具有稳定静态工作点的作用很多MOS管电路的源极电阻被电流源代替（例5.2.3）2.图解分析VDDvOBRdgdsTiDviVGG+-+-iDvDSoVDD预夹断临界点轨迹（vGD=vGS

–vDS=VT）VDD/RdoottiDIDQVDSQidvdsviVGS=VGGQvDSVGG

>VTVDD

足够大，场效应管工作于饱和区3.小信号模型分析输入信号很小，FET工作在饱和区，看成双口网络，N沟道EMOS第三项与输入信号平方成正比，当vi=vgs为正弦时，平方项使输出电压产生谐波或非线性失真小信号条件：vgs<<2(VGSQ-VT)sgdvgsgmvgsvdssgdrdsvgsgmvgsvdsid共源极NMOSFET低频小信号模型gsdvGSiDvDSsgdrdsvgsgmvgsvdsidCgs+CgbCgdCdsFET的高频模型（b、s相连）互导gmvs+VDDvoviBCb2Cb1Rg1RdRg2gdsTiD-VSSRsR例

电路如图voRvigRdRg1||Rg2sd

Rsvs+-vs+VDDvoviBCbRg1Rg2gdsTiDRsR例：电路如图（电压跟随）同相放大电压跟随voRvigrdsRg1||Rg2sdRsRiRsdRsgvTiTRo计算输出电阻时，信号源置零，除去负载，在输出端加测试源vTrdsRg1||Rg2（1）自给偏压：利用漏极电流在源极电阻上的直流压降该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路（N沟道结型器件电路）。增强型FET不能用自偏压电路VDDvoIDviCCb2Cb1RdRggdsR5.3.3JFET放大电路的小信号模型分析方法0.直流偏置电路VGS=-RID转移特性利用VGS与ID的关系，联立求解。解出静态工作点VGS、ID、VDS（2）分压式自偏压电路VDDvoRviCCb2Cb1Rg1RdRg3Rg2gds1.FET的小信号模型FET是一个电压控制元件，当输入信号较小、且FET工作在恒流区，低频共源接法下，有：写成相量形式：与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件，在交流小信号情况下，也可以由它的线性等效电路—交流小信号模型来代替gsdvGSiDvDSsgdrdsvgsgmvgsvdsrgsidsgdrdsvgsgmvgsvdsidrdsgmvgs=vgsrdsvdsid低频小信号模型戴维南电源等效sgdrdvgsgmvgsvdsrgsidCgsCgdCdsFET的高频模型VDDvoRviCb2Cb1Rg1RdRg3Rg2gds2.应用小信号模型法分析FET电路共源极放大电路voRvigRg1RdRg3Rg2rdrgssd

VDDvoRviCb2Cb1Rg1Rg3Rg2GDSRLRsvs共漏极放大电路同相放大电压跟随voRvigRg1RLRg3Rg2sdRsRiRRg1Rg3Rg2sdRsgvTiTRo计算输出电阻时，信号源置零，除去负载，在输出端加测试源vT例

共漏极放大电路。试求中频电压增益、输入电阻和输出电阻（1）中频电压增益（2）输入电阻（3）输出电阻(1)场效应管放大器输入电阻很大(2)场效应管共源极放大器(漏极输出)输入输出反相，电压放大倍数大于1；输出电阻=Rd(3)场效应管源极跟随器输入输出同相，电压放大倍数小于1且约等于1；输出电阻小各种类型的MOSFET的输出、转移特性；共源、共漏极放大电路的分析计算小结及重点MOS器件主要应用在数字集成电路方面JFET在低噪声放大电路方面有广泛应用（4）焊接时，电烙铁必须有外接地线，以屏蔽交流电场。对MOSFET，最好断电利用烙铁余热焊接（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。一般P衬底接低电位、N衬底接高电位。当源极的电位很高或很低时，为减轻源衬间电压对管子导电性能的影响，可将源极与衬底连在一起（2）从场效应管的结构上看，源极和漏极是对称的，可以互换。但有些产品出厂时已将源极与衬底连在一起，这时源极与漏极就不能对调（3）JFET的栅源电压不能接反，但可以在开路状态下保存。MOSFET栅－衬之间的电容量很小，只要有少量的感应电荷就可产生很高的电压，RGS很大，感应电荷难于释放，而且绝缘层很薄，极易被击穿。无论在存放还是工作电路中，应在栅极－源极之间提供直流通路或加双向稳压对管保护，避免栅极悬空2.使用注意事项双极型三极管

单极型场效应管载流子多子扩散少子漂移少子漂移输入量电流输入电压输入控制电流控制电流源电压控制电流源输入电阻几十到几千欧几兆欧以上噪声较大较小静电影响不受静电影响易受静电影响制造工艺不宜大规模集成适宜大规模和超大规模集成双极型和场效应型三极管的比较1．场效应管的源极s、栅极g、漏极d分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似

2．场效应管是电压控制电流器件，由vGS控制iD，其放大系数gm一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控制电流器件，由iB（或iE）控制iC3．场效应管栅极几乎不取电流（ig0）；而三极管工作时