14場效應管及其基本放大電路

場效應管（FieldEffectTransistor簡稱FET）是一種電壓控制器件，工作時，只有一種載流子參與導電，因此它是單極型器件。FET分類：增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道P溝道耗盡型：場效應管沒有加偏置電壓時，就有導電溝道存在增強型：場效應管沒有加偏置電壓時，沒有導電溝道MOSFET絕緣柵型場效應管結型場效應管JFET§4.1場效應管§3.1場效應管1.N溝道增強型MOSFET一、金屬氧化物-半導體（MOS）場效應管GN+N+P型襯底BSD源極漏極柵極SiO2絕緣層符號由于柵極與源極、漏極均無電接觸，故稱絕緣柵極。

符號中箭頭的方向表示由P(襯底)指向N(溝道)，三條垂直短線表示在未加適當柵壓前漏極與源極之間無導電溝道。D(Drain):漏極，相當cG(Gate):柵極，相當bS(Source):源極，相當eB(Substrate):襯底1）結構（N溝道）31）結構（N溝道）L：溝道長度W：溝道寬度tox

：絕緣層厚度通常W>L§4.1場效應管1.N溝道增強型MOSFET一、金屬氧化物-半導體（MOS）場效應管4

2）工作原理N溝道增強型MOSFET52）工作原理（1）柵源電壓vGS的控制作用a.當vGS≤0時

無導電溝道，d、s間加電壓時，也無電流產生。b.當0<vGS<VT時

產生電場，但未形成導電溝道（感生溝道），d、s間加電壓后，沒有電流產生。c.當vGS>VT時IDVDD------VGG反型層，也叫感生溝道。VT稱為開啟電壓：剛剛產生溝道所需的柵源電壓vGS。vGS越大，反型層越寬，導電溝道電阻越小。N溝道增強型MOSFETiD(mA)vDS/V2）工作原理（1）柵源電壓vGS的控制作用控制導電溝道電阻。（2）vDS對溝道的控制作用當vGS一定（vGS>VT）時，

靠近漏極d處的電位升高

電場強度減小

溝道變薄vDS

iD

溝道電位梯度

整個溝道呈楔形分布當vDS增加到使vGD=VT

時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預夾斷。在預夾斷處：vGD=vGS-vDS

=VT預夾斷后，vDS

夾斷區(qū)延長

溝道電阻

ID基本不變預夾斷點：vGD=vTN溝道增強型MOSFETvGD=vGS-vDS（3）vDS和vGS同時作用時

vDS一定，vGS變化時

給定一個vGS，就有一條不同的iD–vDS曲線。2）工作原理vGS=3VvGS=5VvDS/ViD(mA)vGS=7VN溝道增強型MOSFET83）

V-I特性曲線及大信號特性方程（1）輸出特性①截止區(qū)當vGS＜VT時，導電溝道尚未形成，iD＝0，為截止工作狀態(tài)。②可變電阻區(qū)

vDS≤（vGS－VT）③飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）+-VGGKn電導常數(shù)單位：mA/V2

N溝道增強型MOSFETIDO是vGS＝2VT時的iD9（2）轉移特性4321051015VGS

=5V6V4V3V2VVDS=10VVT轉移特性VDS/VID/mAID/mA0123246VGS/

V3.

V-I特性曲線及大信號特性方程N溝道增強型MOSFET102.N溝道耗盡型MOSFET1）結構和工作原理（N溝道）二氧化硅絕緣層中摻有大量的正離子可以在正或負的柵源電壓下工作，而且基本上無柵流11當vGS＜0時，溝道變窄，iD減小。夾斷電壓（VP）——溝道剛剛消失所需的柵源電壓vGS。特點：2.N溝道耗盡型MOSFET當vGS=0時，就有溝道，加入vDS，就有iD。當vGS＞0時，溝道增寬，iD進一步增加。122.N溝道耗盡型MOSFET2）V-I特性曲線及大信號特性方程IDSS

:零柵壓的漏極電流。

飽和漏極電流。13P溝道MOSFETvGS<0vGS可正可負P溝道增強型管：可變電阻區(qū)飽和區(qū)二、結型場效應管（JFET）1.結構

N型導電溝道漏極D(d)源極S(s)P+P+柵極G(g)N耗盡層符號：N溝道P溝道152.工作原理（以N溝道JFET為例）二、JFET1）當vGS=0時，導電溝道最寬。2）當│vGS│↑時，PN結反偏，耗盡層變寬，導電溝道變窄，溝道電阻增大。3）當│vGS│↑到一定值時，溝道夾斷。

當溝道夾斷時，對應的柵源電壓vGS稱為夾斷電壓VP

。N溝道的JFET，VP<0。①vGS對導電溝道及iD的控制作用（vGS=0）16②vDS對iD的影響1）當vDS=0時，vDS

iD

G、D間PN結的反向電壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形分布。vDS

夾斷區(qū)延長

溝道電阻

ID基本不變

N溝道JFET工作原理（vGS=0）iD=0。2）A3）當vDS↑，使vGD=vGS-vDS=-vDS=VP時，在靠漏極A點處夾斷—預夾斷。此時iD達到了飽和漏電流IDSS17③

vGS和vDS同時作用時當VP<vGS<0時，導電溝道更容易夾斷，對于同樣的vDS，

ID的值比vGS=0時的值要小。在預夾斷處vGD=vGS-vDS=VPN溝道JFET工作原理

結型場效應管的缺點：1.柵源極間的電阻雖然可達107以上，但在某些場合仍嫌不夠高。3.柵源極間的PN結加正向電壓時，將出現(xiàn)較大的柵極電流。2.在高溫下，PN結的反向電流增大，柵源極間的電阻會顯著下降。18(a)vGS=0,vDS=0時iD=0(b)vGS=0,vDS<│VP│時iD迅速增大(c)vGS=0,vDS=│VP│時iD趨于飽和iD飽和(d)vGS=0,vDS>│VP│時圖示：改變vDS時JFET導電溝道的變化19三、JFET的特性曲線及參數(shù)2.轉移特性

1.輸出特性

N溝道P溝道20四、場效應管的主要參數(shù)1.直流參數(shù)⑴

開啟電壓VT

（增強型參數(shù)）⑵

夾斷電壓VP

（耗盡型參數(shù)）⑶

飽和漏電流IDSS

（耗盡型參數(shù)）⑷直流輸入電阻RGS

（109Ω～1015Ω

）2.交流參數(shù)

⑴

輸出電阻rds

飽和區(qū)rds→∞

⑵

低頻互導gm

反映了柵源電壓vGS對漏極電流iD的控制作用。VDS為一固定數(shù)值時，能產生ID所需要的最小|VGS|值。VDS為一固定數(shù)值時，使ID對應一微小電流時的|VGS|值。VGS=0時，VDS>|VP|時的漏極電流。21四、FET的主要參數(shù)3.極限參數(shù)⑴

最大漏極電流IDM

⑵

最大耗散功率PDM

⑶

最大漏源電壓V（BR）DS

⑷

最大柵源電壓V（BR）GS

22絕緣柵型場效應管特性曲線1)增強型MOS管2)耗盡型MOS管開啟電壓24§4.2場效應管單管放大電路一、靜態(tài)工作點的計算：直流通路共源極放大電路求ID、VDS、VGS25假設工作在飽和區(qū)，即驗證是否滿足如果不滿足，則說明假設錯誤須滿足VGS>VT

，否則工作在截止區(qū)再假設工作在可變電阻區(qū)即§4.2場效應管單管放大電路一、靜態(tài)工作點的計算：求ID、VDS、VGS假設工作在飽和區(qū)滿足假設成立，結果即為所求。解：例4.2.1：

設Rg1=60k

，Rg2=40k

，Rd=15k

，

試計算電路的靜態(tài)漏極電流IDQ和漏源電壓VDSQ。VDD=5V，VT=1V，一、直流偏置及靜態(tài)工作點的計算P91:靜態(tài)工作點的計算步驟§4.2場效應管單管放大電路二、圖解分析負載開路，交流負載線與直流負載線相同§4.2場效應管單管放大電路28三、小信號模型分析增強型：

飽和區(qū)rds→∞

29（1）模型三、小信號模型分析求全微分:變化量低頻跨導，可從輸出曲線上求出漏極與源極間等效電阻30三、小信號模型分析場效應管輸出特性表達式：求全微分:漏極與源極間等效電阻變化量其中：低頻跨導（1）模型飽和區(qū)rds→∞

溝道長度調制效應實際上飽和區(qū)的曲線并不是平坦的L的單位為

m當不考慮溝道調制效應時，＝0，曲線是平坦的。

修正后32例4.2.2：電路如圖所示，設Rd=3.9kΩ，VDD＝5V，VGS=2V，場效應管的VT

=1V，Kn＝0.8mA/V2，λ=0.02V-1。當MOS管工作于飽和區(qū)時，試確定電路的小信號電壓增益。

解：1、求靜態(tài)值VGS

-VT

=1V<VDS

工作于飽和區(qū)

2、求FET的互導和輸出電阻333、求電壓增益例4.2.3電路如圖所示，設Rd=3.9kΩ，VDD＝5V，VGS=2V，場效應管的VT

=1V，Kn＝0.8mA/V2，λ=0.02V-1。當MOS管工作于飽和區(qū)時，試確定電路的小信號電壓增益。

3、求電壓增益34各種放大器件電路性能比較35使用場效應管的注意事項

1．從場效應管的結構上看，其源極和漏極是對稱的，因此源極和漏極可以互換。但有些場效應管在制造時已將襯底引線與源極連在一起，這種場效應管的源極和漏極就不能互換了。2．場效應管各極間電壓的極性應正確接入，結型場效應管的柵-源電壓vGS的極性不能接反。3．當MOS管的襯底引線單獨引出時，應將其接到電路中的電位最低點（對N溝道MOS管而言）或電位最高點（對P溝道MOS管而言），以保證溝道與襯底間的PN結處于反向偏置，使襯底與溝道及各電極隔離。4．MOS管的柵極是絕緣的，感應電荷不易泄放，而且絕緣層很薄，極易擊穿。所以柵極不能開路，存放時應將各電極短路。焊接時，電烙鐵必須可靠接地，或者斷電利用烙鐵余熱焊接，并注意對交流電場的屏蔽。36雙極型和場效應型三極管的比較雙極型三極管

單極型場效應管載流子多子擴散少子漂移

一