2-4场效应管及放大 电路
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mos管
第3章 场效应管及其放大电路 2. 可变电阻区 当uDS很小，|uDS-uGS|<|UGSoff|时，即预夹断前(如图 3―4(a)所示)，uDS 的变化直接影响整个沟道的电场强 度，从而影响iD 的大小。所以在此区域，随着uDS的增 大， iD增大很快。 与双极型晶体管不同，在JFET中，栅源电压uGS对 iD上升的斜率影响较大，随着 |UGS|增大，曲线斜率变 ΔuDS ) 小，说明JFET的输出电阻 rDS ( = Δi D 变大。如图3--3(b)所示
第3章 场效应管及其放大电路 (2)UGS 固定，uDS 增大，iD 增大极小。说明在恒流 区，uDS 对iD 的控制能力很弱。这是因为，当uDS 较大 时，UDG增大，靠近漏区的PN结局部变厚，当 |uDS-uGS|>|UGSoff| (3―3) 时，沟道在漏极附近被局部夹断(称为预夹断)， 如图3―4(b)所示。此后， uDS再增大，电压主要降到局 部夹断区，而对整个沟道的导电能力影响不大。所以 uDS的变化对iD影响很小。
IGFET
第3章 场效应管及其放大电路
3―1结型场效应管
3―1―1结型场效应管的结构及工作原理 结 型 场 效 应 管 (JunctionFieldEffectTransistor) 简 称 JFET，有N沟道JFET和P沟道JFET之分。图3―1给出 了JFET的结构示意图及其表示符号。
第3章 场效应管及其放大电路
(3―5)
第3章 场效应管及其放大电路 因为UGD=UGS-UDS，当UDS增大，使UGD<UGSth 时，靠近漏极的沟道被首先夹断(如图 3―9所示)。此 后， UDS再增大，电压的大部分将降落在夹断区(此处 电阻大)，而对沟道的横向电场影响不大，沟道也从此 基本恒定下来。所以随UDS的增大，iD增大很小，曲线 从此进入恒流区。
场效应管原理及放大电路
图6-47 分压式偏置电路
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场效应管原理及放大电路
图6-47为分压式偏置电路，RG1和RG2为分压电阻。 栅-源电压为(电阻RG中并无电流通过) (6-24) 式中，UG为栅极电位。对N沟道耗尽型场效应管，UGS为负值，所以RSID＞UG；对N沟道增强型场效应管，UGS为正值，所以RSID＜UG。 当有信号输入时，我们对放大电路进行动态分析，主要是分析它的电压放大倍数及输入电阻与输出电阻。图6-48是图6-47所示分压式偏置放大电路的交流通 路，设输入信号为正弦量。 在图6-47的分压式偏置电路中，假如RG= 0，则放大电路的输入电阻为
故其输出电阻是很高的。在共源极放大电路中，漏极电阻RD和场效应管的输出电阻rDS是并联的，所以当rDS ro≈RD (6-26)
RD时，放大电路的输出电阻
这点和晶体管共发射极放大电路是类似的。 输出电压为 (6-27) 式中 ，由式(6-23)得出 。
电压放大倍数为
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场效应管原理及放大电路
图6-43 N沟道耗尽型场效应管的输出特性曲线
图6-44 N沟道耗尽型场效应管的转移特性曲线 以上介绍了N沟道绝缘栅场效应增强型和耗尽型管，实际上P沟道也有增强型和耗尽型，其符号如图6-45所示。
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场效应管原理及放大电路
(6-28) 式中的负号表示输出电压和输入电压反相。 【例6-7】 在图6-47所示的放大电路中，已知UDD=20 V，RD=10 kΩ，RS=10 kΩ，RG1=100 kΩ，RG2=51 kΩ，RG=1 MΩ，输出电阻为RL=10 kΩ。场效应管的 参数为IDSS=0.9 mA，UP= 4 V，gm=1.5 mA。试求：(1)静态值；(2)电压放大倍数。 解：(1) 由电路图可知
场效应管放大电路
从结型场效应管正常工作时的原理可知： ▪① 结型场效应管栅极与沟道之间的P+N结是反向偏置的， 因此，栅极电流iG≈0，输入阻抗很高。 ▪② 漏极电流受栅-源电压vGS控制，所以场效应管是电压控 制电流器件。 ▪③ 预夹断前，即vDS较小时，iD与vDS间基本呈线性关系； 预夹断后，iD趋于饱和。
P沟道结型场效应管工作时，电源的极性与N沟道结型 场效应管的电源极性相反。
第四章 场效应管放大电路
图5 VGS对沟道电阻的控制作用
第四章 场效应管放大电路
上述分析表明: (a)改变栅源电压vGS的大小，可以有效控制沟道电阻的大小. (b)若同时在漏源-极间加上固定的正向电压vDS，则漏极电流 iD将受vGS的控制，|vGS|增大时，沟道电阻增大，iD减小。 (c)上述效应也可以看作是栅-源极间的偏置电压在沟道两边 建立了电场，电场强度的大小控制了沟道的宽度，即控制了 沟道电阻的大小，从而控制了漏极电流iD的大小。
第四章 场效应管放大电路
图6 vDS对iD的影响
第四章 场效应管放大电路
图6 vDS对iD的影响
6V
4V
6V
2V
0V
导电沟道中电位分布情况
第四章 场效应管放大电路
(b)在vDS较小时，iD随vDS增加而几乎呈线性地增加 它对iD的影响应从两个角度来分析：一方面vDS增加时，沟道的
电场强度增大，iD随着增加；另一方面，随着vDS的增加，沟道的不均 匀性增大，即沟道电阻增加，iD应该下降，但是在vDS较小时，沟道的 不均匀性不明显，在漏极附近的区域内沟道仍然较宽，即vDS对沟道 电阻影响不大，故iD随vDS增加而几乎呈线性地增加。
第四章 场效应管放大电路
（2）转移特性曲线
转移特性曲线用来描述vDS取一定值时，iD与vGS间的关系的 曲线，即:
P沟道结型场效应管工作时，电源的极性与N沟道结型 场效应管的电源极性相反。
第四章 场效应管放大电路
图5 VGS对沟道电阻的控制作用
第四章 场效应管放大电路
上述分析表明: (a)改变栅源电压vGS的大小，可以有效控制沟道电阻的大小. (b)若同时在漏源-极间加上固定的正向电压vDS，则漏极电流 iD将受vGS的控制，|vGS|增大时，沟道电阻增大，iD减小。 (c)上述效应也可以看作是栅-源极间的偏置电压在沟道两边 建立了电场，电场强度的大小控制了沟道的宽度，即控制了 沟道电阻的大小，从而控制了漏极电流iD的大小。
第四章 场效应管放大电路
图6 vDS对iD的影响
第四章 场效应管放大电路
图6 vDS对iD的影响
6V
4V
6V
2V
0V
导电沟道中电位分布情况
第四章 场效应管放大电路
(b)在vDS较小时，iD随vDS增加而几乎呈线性地增加 它对iD的影响应从两个角度来分析：一方面vDS增加时，沟道的
电场强度增大，iD随着增加；另一方面，随着vDS的增加，沟道的不均 匀性增大，即沟道电阻增加，iD应该下降，但是在vDS较小时，沟道的 不均匀性不明显，在漏极附近的区域内沟道仍然较宽，即vDS对沟道 电阻影响不大，故iD随vDS增加而几乎呈线性地增加。
第四章 场效应管放大电路
（2）转移特性曲线
转移特性曲线用来描述vDS取一定值时，iD与vGS间的关系的 曲线，即:
场效应管及其基本放大电路
= V u TV （BR）GS 栅源间的最高反向击ds穿
Uds=常数
∂ id
∂uds
PDM
最 大 漏 极id允v许gs功=常耗数， 与 三 极 管 类
似。
第34页/共51页
3）FET的三种工作组态
• 以NMOS（E）为例：
ID UDS
RD
UDS
D
B输
B
输 入
G S
UGS
输
G
输
出入
UGS RD
出
共源组态： 输入：GS 输出：DS
（1）栅源电压对沟道的控制作用
在栅源间加
令VDS =0
• 增强型IGFET象双结型三极管一样有一个开启电压
VT ，（相当于三极管死区电压）。
• 当UGS低于VT时，漏源之间夹断。ID=0
g = = •
当
时
m
UGS高于 I
的ID ∂ iD
∂uGS
DV=T 时I DUV，0GT（S漏
源
之
间
加电压 -1）2
2 2ID0(UGS-1)
后。
；
IDID0
VT VT
相当一个很大的电阻
G+ UGS
PN N结
PN
VDD
结N
P
- IS=ID
第5页/共51页
3)、JFET的主要参数
1）夹断电压VP:手册给出是ID为一微小值时的
VGS
32)）、饱电和压漏控极制电电流流I系DS数S;
gm=
4）交流输出电阻 rds=
uds
id
V =0，时的I id
GS vgs
Uds=常数
结型场效应晶体管JFET
Uds=常数
∂ id
∂uds
PDM
最 大 漏 极id允v许gs功=常耗数， 与 三 极 管 类
似。
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3）FET的三种工作组态
• 以NMOS（E）为例：
ID UDS
RD
UDS
D
B输
B
输 入
G S
UGS
输
G
输
出入
UGS RD
出
共源组态： 输入：GS 输出：DS
（1）栅源电压对沟道的控制作用
在栅源间加
令VDS =0
• 增强型IGFET象双结型三极管一样有一个开启电压
VT ，（相当于三极管死区电压）。
• 当UGS低于VT时，漏源之间夹断。ID=0
g = = •
当
时
m
UGS高于 I
的ID ∂ iD
∂uGS
DV=T 时I DUV，0GT（S漏
源
之
间
加电压 -1）2
2 2ID0(UGS-1)
后。
；
IDID0
VT VT
相当一个很大的电阻
G+ UGS
PN N结
PN
VDD
结N
P
- IS=ID
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3)、JFET的主要参数
1）夹断电压VP:手册给出是ID为一微小值时的
VGS
32)）、饱电和压漏控极制电电流流I系DS数S;
gm=
4）交流输出电阻 rds=
uds
id
V =0，时的I id
GS vgs
Uds=常数
结型场效应晶体管JFET
场效应管放大电路
这种偏置电路的特点是： 栅极直流偏压直接由电源UGG经电阻Rg供给，因为3DO1是耗 尽型MOS管，故 UGS = - UGG。由于场效应管输入电阻很大， 所以 Ig = 0 。栅偏压是由固定的外加电源供给的，故称为固 定偏置电路。此电路是共源极放大电路。
⑵ 自给栅偏压偏置电路
这种偏置电路的特点是： 在源极上接一个电阻RS，外加电压UDD产生的ID就会在RS 上产 生压降URS ，由于Ig = 0，所以可以得 ：UGS = - URS = - ID RS 。 这种电路栅 偏压是由漏极电流流过源极电阻产生的，故称为 自给偏压电路。增强型MOS管不采用此种这种方式。
（mA） ID UGS = 0 V
6
击穿区
rN小
可变电阻区
5
4 3 2
UGS = -1V 放 大 区 UGS = -2V UGS = -3V UGS = -4V
4 8 12 16 20 24
rN大
1 0
截止区
BUDSS
UDS（V）
⑶ 截止区 当|UGS|≥|UP|时，导电沟道完全夹断，电阻rn最大， 漏极电流 ID = 0，管子截止。
id
T2 T1 Id0
T3
Q0
ugso
ugs
从图可以看出当 UGS选在零工作 点，则温度变化时，漏极电流 ID 不变。T1，T2，T3为不同的温度 曲线。
4. 场效应管结构对称，应用灵活 ，方便。有时漏极和源极 可以互换使用，但是当衬底与源极相连在一起是不能互换使 用的。
5. 场效应管的制造工艺简单，有利于大规模集成。 6. 由于MOS场效应管输入电阻高达10¹² KΩ，故受外界静电 场感应产生的电荷不容易泄露，会在栅极上产生很高的电场 强度会引起 SiO2绝缘层击穿损坏管子。焊接时，应将电烙铁 外壳可靠接地。 7. 由于场效应管的跨导小，组成放大电路时，在相同负载 电阻的情况下，其电压放大倍数比三极管放大电路低。
第四章 场效应晶体管及其放大电路
ID
IDSS(1源自U GS U GS(off)
)
2
3. 结型场效应管
结型场效应管的特性和耗尽型绝 缘栅场效应管类似。图4-7 a)、 b) 分别为Ｎ沟道和Ｐ沟道的结型场效 应管图形符号。
图4-7
使用结型场效应管时，应使栅极与源极间加反偏电压，漏 极与源极间加正向电压。对于Ｎ沟道的管子来说，栅源电压应 为负值，漏源电压为正值。
图4-1
（1）工作原理
增强型MOS管的源区(N+)、衬底(P型)和漏区(N+)三者之 间形成了两个背靠背的PN+结，漏区和源区被P型衬底隔开。
当栅-源之间的电压 uGS 0时，不管漏源之间的电源VDD 极 性如何，总有一个PN+结反向偏置，此时反向电阻很高，不能 形成导电通道。
若栅极悬空，即使漏源之间加上电压 uDS，也不会产生漏 极电流 iD ，MOS管处于截止状态。
2) 输出特性曲线 I D f (U DS ) UGS常数
图4-4b)是N沟道增强型MOS管的输出特性曲线，输出特性曲 线可分为下列几个区域。
① 可变电阻区
uDS很小时，可不考虑 uDS 对沟道的影响。于是 uGS一 定时，沟道电阻也一定， 故 iD 与 uDS 之间基本上是 线性关系。
uGS 越大，沟道电阻越
的变化而变化，iD 已趋于饱和， 具有恒流性质。所以这个区域 又称饱和区。
③ 截止区
uGS UGS(th)时以下的区域。
（夹断区）
当uDS增大一定值以后，漏源之间会发生击穿，漏极电流 iD急剧增大。
2. N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的结构
上述的增强型绝缘栅场效应管只有当 uGS U GS(th) 时才能形成导电沟道，如果在制造时就使它具有一个原始 导电沟道，这种绝缘栅场效应管称为耗尽型。
《模拟电子技术》课件第4章场效应管及其基本放大电路
iD(mA)
vGS=7V vGS=5V
vGS=3V
vDS/V
N沟道增强型MOSFET
3） V-I 特性曲线及大信号特性方程 （1）输出特性
N沟道增强型MOSFET
iD f (vDS ) vGSconst.
① 截止区 当vGS＜VT时，导电沟道尚未形 成，iD＝0，为截止工作状态。 ② 可变电阻区
p+
p+p+ p+
沟道电阻增大。 3）当│vGS│↑到一定值时 ，
VGVGGG VGG
NN N
沟道夹断。
ss
s
当沟道夹断时，对应的栅源电压
vGS称为夹断电压VP 。
N沟道的JFET，VP <01。5
N沟道JFET工作原理
② vDS对iD的影响 （vGS =0）
1）当vDS=0时，iD=0。
2） vDS iD
短由线于表栅示极在未与加源适极当、栅漏压极前漏均极无与电源接极触之，间无故导称电绝沟缘道栅。极。
§4.1 场效应管
一、金属氧化物-半导体（MOS）场效应管 1.N沟道增强型MOSFET
1）结构（N沟道）L ：沟道长度 W ：沟道宽度 tox ：绝缘层厚度 通常 W > L
3
2）工作原理
s 二氧化硅
§4.1 场效应管
场效应管（Field Effect Transistor简称FET）是一
种电压控制器件，工作时，只有一种载流子参与导电，
因此它是单极型器件。
MOSFET 增强型
绝缘栅型场效应管 耗尽型
FET分类：
JFET
N沟道
结型场效应管 P沟道
N沟道 P沟道
N沟道 P沟道
第4章 场效应管及其基本放大电路
恒流区
IDSS/V
G
D S
+
-
VGG
+
V uGS
VDD
-
O
UGS = 0V -1 -2 -3 -4 -5 -6 夹断区 -7 U P 8V
击穿区
uDS /V
特性曲线测试电路
漏极特性
漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。
各类场效应管的符号和特性曲线 种类 结型 耗 尽 N 沟道 型 结型 耗 尽 P 沟道 型 绝缘 增 栅型 强 N 沟道 型 符号
S
S
VGG
(c) UGS ＜UGS(off)
(b) UGS(off) < UGS < 0
（2） 漏源电压uDS 对漏极电流iD的控制作用
uGD ＝ uGS －uDS (a)
P+
D
iD
(b)
D
iD
G
N
P+
VDD
+ P+ GP N
P+
VDD
S iS uGS = 0，uGD > UGS（Off) ，iD 较大。
uDS /V
O
UT 2UT
uGS /V
二、N 沟道耗尽型 MOSFET
制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子， 这些正离子电场在 P 型衬底中“感应”负电荷，形成“反 型层”。即使 UGS = 0 也会形成 N 型导电沟道。 UGS = 0，UDS > 0，产生 较大的漏极电流； UGS < 0，绝缘层中正离 子感应的负电荷减少，导电 沟道变窄，iD 减小； UGS = UP , 感应电荷被 “耗尽”，iD 0。
导电沟道是 N 型的， 称 N 沟道结型场效应管。
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vGS VT 、vDS >0时： 若vDS较小，漏极电流 iD随vDS的上升接近线 性增加；
当vDS增大到一定数值， 感生沟道在靠近漏端被 夹断, iD趋于饱和
此后vDS继续上升，iD保 持不变 如果vDS过大会导致漏端PN结反向击穿，iD急 剧上升。
(3) 特性曲线
N沟道增强型MOSFET、P沟道增强型MOSFET
在绝缘层中形成的强 电场吸引 P 型衬底中 反形层 ( 感生沟道 )构 的电子，使其在靠近 成了电子的导电通道。 表面处形成 N 型薄层， 反型层的厚薄 ( 对应 称反型层，由于它是 沟道电阻的低和高 ) 栅极正电压感应产生 受 v G S 控 制 。 的，又称感生沟道。
外加一定的正向vDS，开始出现漏极电流iD的栅源 电压vGS，称为开启电压VT 。
3.8 场效应管放大电路
FET放大电路有共源、共漏、共栅3种组态。
FET和BJT一样，工作时要有合适的静态工作点。 根据FET的输出特性，电路应给FET提供合适的VGS 和VDS才会有合适的静态工作点。
1. FET的直流偏置电路及静态分析
(1) 自偏压电路
对FET进 行静态分 析时，将 栅极g和 沟道之间 视为断路 处理
分压器式自偏压电路
VGSQ＝VG VS Rg 2 Rg 1 Rg 2 VDD－I DQ R (1)
I DQ I DSS (1
VGSQ VP
) (2)
VDSQ VDD I DQ ( Rd R)
耗尽型、增强型FET均适用；而且静态工作 点可通过调节Rg1、 Rg2和R确定，比较方便
2. FET放大电路的动态分析
(1) FET的交流小信号模型
rgs：栅极和源极间的电阻，极大，常作开路处理 rd：交流输出电阻，比较大，常作开路处理 gm：低频互导(跨导)
小信号模型的简化
(2) 用小信号模型分析FET放大电路
(a) 共源放大电路
、R、R 计算A V i o
R g V V m gs d o A V V g V R V i gs m gs gm Rd 1 gm R
Ri Rg 3 ( Rg 1 // Rg 2 )
共源电路属于反相(倒相)电压 放大器，其增益较大，输入电 阻较高，输出电阻由Rd决定
Ro Rd
3.10 放大电路的主要性能指标
注意： 输入电阻、输出电 输入电阻 阻、增益通常都是 在正弦输入信号下 输出电阻 的交流参数，只有 在放大电路处于放 非线性失真 大状态且输出不失 带宽和最大输出功率 真的条件下才有意 义。
FET使用时d极、s极可以互换；而BJT的c极、 e极不可以互换。 FET制造工艺简单，芯片占用面积小，更适于 在集成电路中使用。
MOS管栅极绝缘且绝缘层很薄，所以较小的感 生电压能产生很高的电场，易使绝缘层击穿。 为保护管子，存放MOS管时应将各电极短接； 焊接时电烙铁应有良好的地接触(或断电焊接) ，并注意对交流电场的屏蔽。
金属 氧化物 半导体( MOSFET )
场效应管 ( FET )
N 沟 道
P 沟 道
N沟道场效应管的结构示意图
MOS N沟道和P沟道之分，每一类 增强型是指 v管有 GS＝0时不存在导电沟道没有iD电流； 沟道又有增强型和耗尽型之分。 耗尽型是指vGS＝0时，存在导电沟道，有iD电流；
2. N沟道耗尽型MOSFET
由于事先在SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离 子，所以当vGS=0时，这些正离子已经感应出反 型层，在漏源之间形成了导电沟道。于是只要 有漏源电压，就有漏极电流存在。
VGS 2 I D I DSS (1 ) VP
IDSS :饱和漏极电流 （VGS 为0时的漏极电 流） VP :夹断电压（漏极 电流为0是的VGS） 耗尽型MOS管的特点：栅源电压为正、为负 或为零均能工作。
增益
增 益
电压增益 : A V 互阻增益 : A 电流增益 : A I 互导增益 : A
dB dB
R
G
电压增益 20 lg A V 电流增益 20 lg A I
dB : decibel (分贝 )
功率增益 10 lg AP
dB
I 2/R V V 10 l g A p 10 l g o o 10 l g o 2 L /R Vi I i V i i
2.4 场效应管
场效应管(简写成FET)是另一种半导体器件。
场效应管是利用输入电压在管内所产生的
电场效应，来控制其输出电流，是电压控制
器件。它只有一种载流子(多数载流子)参与导 电，故又称为单极型晶体管。
2.4.1 场效应管的结构、类型
结型( JFET )
N 沟 道 P 沟 道
3.8.1 FET放大电路的静态分析
VGSQ＝VG VS 0 －I DQ R －I DQ R (1)
I DQ I DSS (1
VGSQ VP
) 2 (2)
由(1)、 ( 2)联立求出I DQ、VGSQ VDSQ VDD I DQ ( Rd R)
直流偏压VGS不是靠电压源提供，而是由源极电阻 R上的直流压降提供，称为自偏压电路。 该电路只适用于耗尽型FET，而且静态工作点调节 不方便。
返回
输入电阻
输入电阻是从放大电路的输入端看进去的交 流等效电阻。
V Ri i Ii
返回
输出电阻
输出电阻是放大电路在断开负载后，从输出 端看进去的等效交流电阻。
负载开路输出电压
返回
N沟道耗尽型MOSFET、P沟道耗尽型MOSFET
5. FET和BJT的比较
FET是电压控制器件，BJT是电流控制器件 ；FET放大电路的放大倍数低。 FET中导电载流子只有一种(单极型器件)， 而BJT中同时存在两种(双极型器件)，所以 FET有较好的温度稳定性和低噪声性能。 FET无栅极电流，输入电阻大；BJT输入端 PN结正偏，输入电流大，输入电阻小。
N沟道增强型MOSFET 的结构示意图和符号
N沟道耗尽型MOSFET 的结构示意图和符号
2.4.2 场效应管的工作原理
1. N沟道增强型MOSFET
(1) 结构与符号
(2) 工作原理
v GS =0 时，没有感生
沟道，两个 PN 结背
靠背，无论 v DS 为正
为负，均没有iD电
流产生。
vGS>0 、vDS =0时：