电子电工学-模拟电子技术-第五章-场效应管放大电路

场效应管(FET—FieldEffectTransistor)是利用电压产生的电场效应来控制电流的一种半导体器件。它与普通晶体管相比有以下重要特点：

(1)它是一种电压控制器件。工作时，管子的输入电流几乎为0，因此具有极高的输入电阻(约数百兆欧以上)。

(2)输出电流是仅由多子运动而形成的，故称单极型器件(普通晶体管电流是由多子和少子两种载流子形成，称为双极型器件)。因此，它的抗温度和抗辐射能力强，工作较稳定。

(3)制造工艺比较简单，便于大规模集成，且噪声较小。

(4)类型较多，使电路设计灵活性增大。

5场效应管放大电路场效应管分类N（电子型）沟道MOSFET绝缘栅场效应管MOSFET(IGFET)结型场效应管JFETP（空穴型）沟道增强型耗尽型增强型耗尽型重点：（1）FET的结构、优点、分类（2）N沟道增强型FET的工作原理（3）MOSFET放大电路（4）JFET的工作原理金属半导体场效应管MESFET

由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管（绝缘栅场效应管），或简称MOS场效应管(MOSFET)。特点：输入电阻可达109

以上。类型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型5.1、金属-氧化物-半导体场效应管耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道1.结构及符号5.1.1N沟道增强型MOSFETSourceDrainGate2.工作原理

MOSFET是利用栅源电压vGS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iD的大小。绝缘栅场效应管利用vGS

来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流iD。1)vGS=0，没有导电沟道当栅源电压vGS=0时，由于漏源间有两个背靠背的PN结，不管漏源电压vDS极性如何，其中总有一个PN结是反偏的，漏源之间电阻很大，没有形成导电沟道，基本上没有电流流过，iD=0。(1)vGS对iD的控制作用2)vGS＞VT，出现N型沟道当栅源电压vGS＞0时，在vGS作用下，产生了垂直于衬底表面的电场，使P型区表层中的空穴被排斥，留下不能移动的负离子，形成耗尽层，同时P型区中的少数电子被吸引到衬底表面，当vGS＞VT（开启电压,阀值电压VGS（Th)）时，在表面形成一个N型导电沟道，称之为反型层，构成漏源间的N型导电沟道。1)vDS较小时，iD迅速增大当vGS≥VT，即导电沟道形成后，外加较小的漏源电压vDS时，漏极电流iD将随vDS上升迅速增大，但由于沟道存在电位梯度，使导电沟道从源极到漏极逐渐变窄。(2)vDS对iD的影响2)vDS较大出现夹断时，iD趋于饱和当vDS增大到vGD=vGS-vDS=VT时，导电沟道在靠近漏极出现预夹断，vDS继续增加，夹断区随之加长，iD趋于饱和，基本保持预夹断时的数值。小结当vGS＜VT时，没有导电沟道，iD=0。vGS≥VT时，导电沟道已经形成但未夹断，vDS较小时，iD与vDS成线性关系。当vDS增加，夹断出现后，iD趋于饱和，几乎不随vDS变化而变化。iD受vGS控制，因此场效应管是电压控制电流源器件。在VGS=0时没有导电沟道，而必须依靠栅源电压的作用，才形成感生沟道的FET称为增强型FET。(1)输出特性与特性方程饱和区（恒流区又称放大区）当vGS≥VT，且vDS≥vGS-VT时，截止区当vGS＜VT时，导电沟道未形成，iD=0。可变电阻区

vDS≤vGS-VT时，3.特性曲线与特性方程VGS＜VT，ID=0；VGS≥VT，形成导电沟道，随着VGS的增加，ID逐渐增大。(2)转移特性（输入特性没有意义）

由于饱和区内，iD受vDS的影响很小，因此，不同vDS下的转移特性基本重合。1.结构及工作原理N沟道耗尽型MOSFET的二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子，即使在vGS=0时，由于正离子的作用，在P区表面层已感应出大量的自由电子，形成反型层，构成导电沟道，在vDS作用下，就会产生iD。vGS＞0沟道变宽，在vDS作用下，iD增大。vGS＜0沟道变窄，在vDS作用下，iD减小。vGS=VP(夹断电压，截止电压）时，iD=0。可以在正或负的栅源电压下工作，基本无栅流。5.1.2N沟道耗尽型MOSFET2.特性曲线与特性方程P沟道增强型MOSFET的开启电压VT是负值，产生沟道的条件为vGS≤VT，漏源电压为负，临界线为vDS=vGS-VT。P沟道耗尽型MOSFET的夹断电压VP是正值，沟道夹断的条件为vGS≥VP，漏源电压为负，临界线为vDS=vGS-VP。5.1.3P沟道MOSFETCMOS场效应管CMOS场效应管（P222）5.1.4沟道长度调制效应在理想情况下，MOSFET工作于饱和区时，vDS对iD的影响可以忽略，输出特性曲线与横轴平行。而实际上vDS增加时，iD的会略有增加，这是因为vDS对沟道长度L的调制作用。5.1.5MOSFET的主要参数一、直流参数二、交流参数三、极限参数饱和漏极电流IDSS

为耗尽型场效应管的一个重要参数。2.夹断电压VP

为耗尽型场效应管的一个重要参数。3.开启电压VT

为增强型场效应管的一个重要参数。4.直流输入电阻RGS

输入电阻很高。一般在107

以上。一、直流参数低频互导gm

用以描述栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用。3.极间电容

极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。

二、交流参数2.输出电阻rds

说明VDS对ID的影响。最大耗散功率PDM

由场效应管允许的温升决定。最大漏源电压V(BR)DS

当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的vDS值。最大栅源电压V(BR)GS

是指栅源间反向电流开始急剧上升时的vGS值。三、极限参数最大漏极电流IDM

场效应管正常工作时漏极电流的上限值。

5.2MOSFET放大电路场效应管是电压控制器件，改变栅源电压vGS的大小，就可以控制漏极电流iD，因此，场效应管和BJT一样能实现信号的控制

用场效应管也可以组成放大电路。场效应管放大电路也有三种组态，即共源极、共栅极和共漏极电路。由于场效应管具有输入阻抗高等特点，其电路的某些性能指标优于三极管放大电路。最后我们可以通过比较来总结如何根据需要来选择BJT还是FET分析场效应管放大电路的方法是和分析BJT放大电路一样的，可用图解法及等效电路法。所不同的是器件特性不同，因此特性曲线不同、等效模型不同。如：集成运放的输入级、低噪声放大器1.场效应管的偏置FET放大的一般关系为：计算静态工作点方法有数学方法和图解法(1)简单的共源极放大电路2.直流偏置及Q点的计算直流通路(2)带源极电阻的共源极放大电路(3)带恒流源的共源极放大电路3.图解分析法1)FET的小信号模型4.小信号模型分析法(a)NMOS设输入信号很小，场效应管工作在饱和区，栅极电流为零。(1)共源极电路2)放大电路的小信号模型分析法⑵共漏极电路⑶共栅极电路JFET放大电路的分析法S源极D漏极G栅极5.3结型场效应管(JFET)

结型场效应管是利用改变VGS大小来控制漏极电流ID的。GDSNN型沟道栅极源极漏极P+P+耗尽层

在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流ID减小，反之，漏极ID电流将增加。工作原理iD=0GDSN型沟道P+P+

(a)

vGS=0iD=0GDSP+P+

(c)

vGS=VPVGG⑴vGS对iD的控制作用iD=0GDSP+P+N型沟道

(b)

vGS<0VGG当vGS=0时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽。随着│vGS│增大，耗尽层加宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。当│vGS│=│VP│时，两侧耗尽层合拢，导电沟道被夹断，沟道电阻趋于无穷大。⑵vDS对iD的影响

当vDS=0时，iD=0；随着vDS增大，沟道电场强度加大，iD增加，iD沿沟道产生电压降，靠近漏极处，反偏压最大，耗尽层最宽，导电沟道最窄。GDSNiDP+P+VDDGDSP+NiDP+P+VDDVGGvGS=0，vDG<，iD

较大。vGS<0，vDG<，iD较小。

当vGD=vGS-vDS=VP时，导电沟道在A点被夹断，随着vDS增大，夹断长度增加，夹断区电场强度增大，仍能将电子拉过夹断区，形成iD（基本不随vDS增加而上升）。GDSP+NiDP+P+VDDVGGGDSiDP+VDDVGGP+P+1.转移特性在VP≤VGS≤0范围内两个重要参数夹断电压VP(ID=0时的VGS)饱和漏极电流IDSS(VGS=0时的ID)JFET的特性曲线及参数输出电流同输入控制量之间的关系转移曲线可以由肖克利方程或输出曲线获得VDS=常数ID/mA0-0.5-1-1.5VGS/VVDS=15V5ID/mAVDS/V0VGS=0-0.4V-0.8V-1.2V-1.6V101520250.10.20.30.40.5

结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达107

以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。

由输出特性作转移特性2.输出特性Ⅰ区

:截止区vGS＜VP，iD=0Π区：可变电阻区Ⅲ区：饱和区（恒流区）N沟道3.主要参数夹断电压VP饱和漏电流IDSS最大漏源电压V(BR)DS最大栅源电压V(BR)GS直流输入电阻RGS跨导gm

当VP≤VGS≤0时，输出电阻rds最大耗散功率PDM5.5.1各种FET的特性及使用注意事项5.5各种放大器件电路性能比较1.各种FET的特性比较2.使用注意事项(1)P衬底接低电位，N衬底接高电位。或将衬底与源极连在一起。(2)FET通常制成漏极与源极可以互换，但有些产品出厂时已将源极与衬底连在一起，这时漏极与源极不能对调。(3)JFET的栅源电压不能反接，但可以在开路状态下保存。而MOSFET不使用时，须将各电极短路。(4)焊接时，电烙铁必须有外接地线，以屏蔽交流电场，防止损坏管子。5.5.2各种放大器件电路性能比较场效应管与晶体管的比较1、FET电压控制器件，而BJT为电流控制器件。因为FET的压控作用小(