模拟电子技术第三章教材

第三章场效应管放大器3.4场效应管放大电路

3.1结型场效应管3.2绝缘删型场效应管3.3各种场效应管的特性比较及使用时的注意事项3.1结型场效应管3.1.1结型场效应管（JFET）的类型和结构

BJT是一种电流控制元件(iB~iC)，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。

场效应管（FieldEffectTransistor简称FET）是一种电压控制器件(uGS~iD)，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。

FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。结型场效应管(JFET)N沟道P沟道1.类型

2.结型场效应管的结构（以N沟为例）：两个PN结夹着一个N型沟道。三个电极：

g：栅极

d：漏极

s：源极符号：N沟道P沟道

1.栅源电压对沟道的控制作用(N沟道)

在栅源间加负电压vGS

，令vDS=0

①当vGS=0时，为平衡PN结，导电沟道最宽。②当│vGS│↑时，PN结反偏，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。③当│vGS│↑到一定值时，沟道会完全合拢。定义：夹断电压VP——使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压vGS。

3.1.2结型场效应管的工作原理2.漏源电压对沟道的控制作用

在漏源间加电压uDS

，令uGS=0

由于uGS

=0，所以导电沟道最宽。

①当uDS=0时，iD=0。②uDS↑→iD

↑

→靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。③当uDS

↑，使uGD=uGS-

uDS=UP时，在靠漏极处夹断——预夹断。预夹断前，uDS↑→iD

↑。预夹断后，iDS↑→iD

几乎不变。④uDS再↑，预夹断点下移。

（3）栅源电压uGS和漏源电压uDS共同作用

iD=f（uGS、uDS）,可用输入、输出两组特性曲线来描绘。

3.1.3结型场效应管的特性曲线1.输入特性曲线组态:共源极gdsiDiGvDSvGS++--0iGvGS/V2.输出特性曲线：iD=f（vDS）│vGS=常数uGS=0VuGS=-1V设：VP=

-3V四个区：恒流区的特点：△iD/△vGS=gm≈常数

即：△iD=gm△vGS

（放大原理）

（a）可变电阻区（预夹断前）。

（b）恒流区也称饱和区（预夹断后）。

（c）夹断区（截止区）。

（d）击穿区。可变电阻区恒流区截止区击穿区3.转移特性曲线：iD=f（vGS

）│vDS=常数

可根据输出特性曲线作出转移特性曲线。例：作vDS=10V的一条转移特性曲线：uuGS=0Vu0u(mA)1u=-3VD-3-1310VDS2(mA)GS(V)21-44iu=-1VD-2GSGSGS4i(V)3=-2VIDSSVP对于饱和区的的转移特性曲线:

一个重要参数——跨导gm：

gm=

iD/

vGS

vDS=const(单位mS)

gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。

在转移特性曲线上，gm为的曲线的斜率。在输出特性曲线上也可求出gm。uuGS=0Vu0u(mA)1u=-3VD-3-1310VDS2(mA)GS(V)21-44iu=-1VD-2GSGSGS4i(V)3=-2V∆iD∆vGS3.1.4结型场效应管的主要参数1.夹断电压VP

结型场效应管在沟道被完全夹断时的栅源间电压。在转移特性曲线中，对应于曲线与横轴交点处的栅源电压。

2.饱和漏电流IDSS

结型场效应管工作在饱和区，且栅源电压为零时的漏极电流（一般取vDS

＝2V时的值）。在转移特性曲线中，对应于曲线与纵轴交点处的电流值。3.栅源击穿电压V(BR)GS

栅源间的PN结击穿时对应的栅源电压。当vGS≥V(BR)GS

时，输入端的电流iG会由零急剧加大。V(BR)GS是场效应管的一个极限参数，场效应管在工作时vGS

要小于

V(BR)GS。4.漏源击穿电压V(BR)DS

当结型场效应管沟道内发生雪崩击穿，iD急剧加大时，对应的漏源间电压。该值与vGS的大小有关，对于N沟道的结型场效应管|vGS|越大，vDS越小。V(BR)DS

是场效应管的一个极限参数，场效应管在工作时vDS

要小于V(BR)DS。5.直流输入电阻RGS

令漏源间短路，在栅源间加一定的电压得到的电阻。

6.输出电阻rds

当栅源电压为常数时，漏源电压的微小变化量与漏极电流微小变化量之比。在输出特性曲线上，是工作点处切线斜率的倒数。7.低频跨导gm

当漏源电压为常数时，漏极电流微小变化量与栅源电压微小变化量之比。在转移特性曲线上，是工作点处的斜率。gm反映了栅源电压vGS对漏极电流iD

的控制能力，是衡量场效应管放大能力的一个重要参数，单位是西门子（S）。当场效应管工作在饱和区时，可求跨导gm。值得注意的是：对于同一只场效应管，从转移特性曲线上可以看出，iD越大工作点处切线的斜率越大

gm越大。8.最大管耗PDM

管耗是场效应管的一个极限参数，场效应管在实际工作中的管耗应该小于PDM。3.2绝缘删型场效应管1.类型:绝缘栅型场效应管(MetalOxide

SemiconductorFET)，简称MOSFET。分为：(a).N沟道增强型(b).P沟道增强型(c).N沟道耗尽型

(d).P沟道耗尽型3.2.1绝缘栅型场效应管（MOSFET）的类型和结构四个电极：g：栅极

d：漏极

s：源极

b:衬底通常情况下,在出厂的时候源极S和衬底b是连在一起的。2.结构

(N沟道增强型MOS管)

因为栅极与衬底以及各极间是绝缘的，所以把这种场效应管叫做绝缘栅型场效应管。

当vGS＞0V时→纵向电场→将靠近栅极下方的空穴向下排斥→耗尽层。

当vGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。

再增加vGS→纵向电场↑→将P区少子电子聚集到P区表面→形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流iD。1.工作原理:

栅源电压uGS的控制作用(N沟道增强型)

3.2.2绝缘栅型场效应管的工作原理、特性曲线、参数

定义：开启电压（VT）——刚刚产生沟道所需的栅源电压vGS。

N沟道增强型MOS管的基本特性：

vGS

＜VT，管子截止，

vGS

＞VT，管子导通。

vGS

越大，沟道越宽，在相同的漏源电压vDS作用下，漏极电流iD越大。1.当vDS较小时:沟道形状随vDS的变化不大，沟道电阻变化不大，iD与vDS呈线性关系。2.随着vDS的增大，沟道在漏极处明显变薄，沟道电阻不断增大，iD与vDS不再是线性关系，iD随vDS的变化趋缓。漏源电压vDS的控制作用3.当vDS

增加到使vGD=vGS-vDS=VT时(或者vDS=vGS-VT，即栅极到漏极的电压小于开启电压VT），在漏极处出现预夹断，继续加大vDS，夹断区向源极方向延伸，但iD基本不随vDS变化，约等于刚出现夹断时的iD值，原理与结型场效应管相同。

4.不能无限制的增加vDS，否则会出现击穿现象

转移特性曲线：iD=f(vGS)

vDS=const

由输出特性曲线可作出转移特性曲线。例如:vDS=10VVT输出特性曲线

iD=f(vDS)

vGS=const2.特性曲线:

一个重要参数——跨导gm：

gm=

iD/

vGS

vDS=const(单位mS)

gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。

在转移特性曲线上，gm为的曲线的斜率。在输出特性曲线上也可求出gm。对于饱和区的的转移特性曲线:：是vGS=2VT时的iD值

3.N沟道耗尽型MOSFET工作原理：

当vGS=0时，就有沟道，加入vDS，就有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。

在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。

定义：夹断电压（VP）——沟道刚刚消失所需的栅源电压vGS。特性曲线：输出特性曲线转移特性曲线

P沟道耗尽型、增强型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。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。4.场效应管的主要参数(1)

开启电压VT

VT

是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。

（2）夹断电压VP

VP

是MOS耗尽型和结型FET的参数，当vGS=VP时,漏极电流为零。

（3）饱和漏极电流IDSS

MOS耗尽型和结型FET,当uGS=0时所对应的漏极电流。

（4）输入电阻RGS

结型场效应管，RGS大于107Ω，MOS场效应管,RGS可达109～1015Ω。（5）

低频跨导gm

gm反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是mS(毫西门子)。（6）最大漏极功耗PDM

PDM=UDSID，与双极型三极管的PCM相当。5.双极型和场效应型三极管的比较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3.3各种场效应管的特性比较及使用时的注意事项3.3.1各种场效应管的特性比较1.

vDS的取值：对于所有的N沟道场效应管vDS>0。对于所有的P沟道场效应管vDS<0。2.

vGS的取值:

3.VP或VT的取值:

3.3.2使用场效应管时注意事项根据场效应管的制作工艺，漏源两个电极可以互换，但是在出厂时衬底与源极已经接好的管子不可互换。2.场效应管各个电压的极性不能接反。MOS型场效应管极易被击穿，在焊接、保存时要注意防静电。3.4场效应管放大电路

直流偏置电路的作用:

保证管子工作在饱和区，输出信号不失真

1.自偏压电路VGS=-IDR

注意：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。计算Q点：VGS、ID、VDS已知VP，由VGS=-IDR可解出Q点的VGS、IDVDS=VDD-ID(Rd+R)再求：ID

3.4.1场效应管放大电路的静态分析2.分压式偏置电路

可解出Q点的VGS、ID

计算Q点：已知UP，由该电路产生的栅源电压可正可负，所以适用于所有的场效应管电路。VDS=VDD-ID(Rd+R)再求：3.4.2场效应管的微变模型在输入、输出端分别有:求导:得:可以做出响应的电路模型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。

其中：gmvgs是压控电流源，它体现了输入电压对输出电流的控制作用。称为低频跨导。