场效应管及其放大电路

–
vDS +
S – vGS + G
D
N+
N+
P
N沟道增强型MOSFET的工作原理
vDS= 0
vGS增加，作用于半导 体表面的电场就越强， 吸引到P衬底表面的电 子就越多，导电沟道 越厚，沟道电阻越小。
开始形成沟道时的栅 源极电压称为开启电 压，用VT表示。
–
vDS +
S – vGS + G
D
N+
N+
D
栅压vGS对沟道导
电能力的控制，
N+
N+
漏源电压vDS对漏 极电流的影响。
P
N沟道增强型MOSFET的工作原理
(1) vGS对沟道的控制作用
当vGS=0时， 漏源极间是两个背靠 背的PN结，无论漏源 极间如何施加电压， 总有一个PN结处于反 偏状态，漏-源极间没 有导电沟道，将不会 有漏电流出现iD≈0。
耗尽型NMOS管 1). 耗尽型NMOS管结构示意图
SiO2
s
Al g
d
N+
耗尽层
N+
P 反型层
（导电沟道）
b
N沟道耗尽型MOS管 符号 D
G
S P沟道耗尽型MOS管
符号 D
G
S
耗尽型MOS管
2). 耗尽型MOS管原理
SiO2
s
Al g
d
N+
耗尽层
N+
P 反型层
（导电沟道）
b
N沟道耗尽型MOS管 当vGS为负时，沟道变窄， 沟道电阻变大，iD减小。 当vGS负向增加到某一数 值时，导电沟道消失， iD趋于零，管子截止； 使沟道消失时的栅源电 压称为夹断电压，用VP 表示。
在哪个区？为什么？ 6. 场效应管是双极型 ？单极型？电压控制器件还是电流
控制器件？它的输入电阻如何？（与BJT对比） 7. 根据场效应管特点作放大时，应如何合理设置Q点？
场效应管是电压控制器件。 它具有输入阻抗高，噪声低的优点。
本章是本课程的难点，但不是本课程的重点。 由于学时数少，又因为场效应管放大电路与 三极管放大电路有许多相同之处，所以，本章学 习采用对比学习法，即将场效应管与三极管放大 电路比较，了解相同点，掌握不同点。
2．场效应管是电压控制电流器件，由vGS控制iD，其跨导 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控制iC。
3．场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。因此场 效应管栅极几乎不取电流；而三极管工作时基极总要吸 取一定的电流。
场效应管与三极管的性能比较
4．场效应管——多子参与导电；三极管有多子和少子两种 载流子参与导电；所以场效应管比三极管的噪声小，在低 噪声放大电路的输入级应选用场效应管。
三极管特点
电流控制器件（基极电流控制晶体管导电能力） 输入阻抗不高 双极型器件（两种载流子：多子少子参与导电） 噪声高
场效应管特点
电压控制器件（用电压产生电场来控制器件 的导电能力）故称为Field Effect Transistor 输入阻抗极高
单极型器件（一种载流子：多子参与导电）
噪声小 缺点速度慢
共源极电路（对应共射电路）： 栅极是输入端，漏极是输出端，源极是输入输出的公共电极。
共栅极电路（对应共基电路） ： 源极是输入端，漏极是输出端，栅极是输入输出的公共电极。
共漏极电路（对应共集电极电路） ： 栅极是输入端，源极是输出端，漏极是输入输出的公共电极。
4.5 场效应管（FET）放大电路
根据前面讲的场效应管的结构和工作原理，和双 极性三极管比较可知，场效应管具有放大作用。
以N沟道为例： N沟道的结型场效应管只能工作在UGS<0的区域，
MOS管又分为耗尽型和增强型，增强型工作在UGS>0， 而耗尽型工作在UGS<0。
工程中常用的FET放大电路的偏置方式有两种：
➢自给偏压电路 ➢分压式偏置电路

（1）自偏压电路
vGS =- iDR
vGS
如图所示。因为在FET
的源极接入了Rs，所以即使 uGS=0，也有漏源电流ID流过 Rs，而栅极经RG接地， UG=0V，故在静态时负栅压 UGS=UG-US=0V-IDRS。
5．场效应管源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大； 而三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大， b值将减小很多。
6．场效应管制造工艺简单，且具有功耗低等优点；因而场 效应管易于集成，被广泛用于大规模和超大规模集成电路 中。
结型场效应管
一、结构
D 漏极
耗尽层 (PN 结)
符 号
P 型区 栅极 G
结型场效应管（JFET）
一、结构
D 漏极
耗尽层 (PN 结)
符 号
P 型区 栅极 G
N
P+ 型 P+
沟 道
N
N型硅棒
S 源极
在漏极和源极之间加 上一个正向电压，N 型半 导体中多数载流子电子可 以导电。
导电沟道是 N 型的， 称 N 沟道结型场效应管。
图 N 沟道结型场效应管结构图
P 沟道场效应管
D
P
N+ 型 N+
G
沟
道
P 沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺杂 的 N 型区(N+)，导电沟道 为 P 型，多数载流子为空 穴。
D
G
S 图 P沟道结型场效应管结构图
S 符号
4.3 绝缘栅型场效应管（MOSFET）
结型场效应管的输入电阻虽然可达106～109，在使用中 若要求输入电阻更高，仍不能满足要求。绝缘栅型场效应管 又称为金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）具有更高输 入电阻，可高达1015 。且有制造工艺简单、适于集成等优 点。
–
vDS +
S – vGS + G
D
N+
N+
P
MOSFET的特性曲线
MOS管的伏安特性用输出特性和转移特性描述
输出特性 当栅源电压|vGS|=C为常量时，漏极电流iD与漏源电压vDS之 间的关系。
与BJT类似，输出特性曲线也分为 可变电阻区、饱和区、截止区和击 穿区几部分。
输出特性 转移特性
iDf(Dv)Sv|C GS
三极管
场效应管
三极管放大器
场效应管放大器
分析方法
分析方法
图解法，估算法，微变等效电路法 Q 、 A•、Ri、Ro
场效应三极管（FET）
只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制 电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。
结型场效应管（JFET） 场效应管分类
绝缘栅场效应管（MOSFET）
特点
出现反型层
P
形成导电沟道
N沟道增强型MOSFET的工作原理
综上所述：
N沟道MOS管在vGS＜VT时， 不能形成导电沟道，管子 处于截止状态。
只有当vGS≥VT时，方能形成 沟道。 这种必须在vGS≥VT时才能形 成导电沟道的MOS管称为 增强型MOS管。
沟道形成以后，在漏-源极 间加上正向电压vDS，就有 漏极电流产生。
6 vGS 4V
4
转移特性曲线
iD / mA
vDS 10V
2
vGS 3V
vGS VT 2V
0
10
20 vDS / V 0
VT 2V 3V 4V vGS / V
耗尽型NMOS管
1). 耗尽型NMOS管结构示意图
s Al g
d
SiO2
N+
耗尽层
N+ P 反型层
（导电沟道）
b
耗尽型NMOS管在 vGS=0时，漏源极间 已有导电沟道产生， 通过施加负的栅源电 压（夹断电压）使沟 道消失，而增强型 NMOS管在vGS≥VT时 才出现导电沟道。
从衬底引出电极
MOSFET
金属 Metal
氧化物 Oxide
半导体 Semiconductor
表示符号 G
S
G
D
S D
N+
N+
P
P沟道增强型MOSFET的结构
表示符号
D
G
S
G
D
S
P+
P+
N
N沟道增强型MOSFET的工作原理
与JFET相似， MOSFET的工作原 理同样表现在：
–
vDS +
S – vGS + G
耗尽型MOS管 3). 耗尽型MOS管电流方程（增强型MOS管见书）
在饱和区内，耗尽型MOS管的电流方程与结型场效应管的电 流方程相同，即
iDIDSS1vVGPS2
vG SV P
场效应管与三极管的性能比较
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。
第四章 场效应管及其放大电路
1. 场效应管根据结构不同分为哪两大类？ 2. 何谓耗尽型？何谓增强型？VP夹断电压和VT开启电压
分别是何种类型场效应管的重要参数之一？
3. 场效应管有哪三个电极？和BJT管如何对应？ 4. 场效应管的两个电压VGS和VDS分别起何主要作用？ 5. 场效应管输出特性曲线分为哪几个区？作放大时工作
单极型器件(一种载流子导电)；
输入电阻高；（≥107～1015） 工艺简单、易集成、功耗小、体积小、 噪声低、成本低等。
FET分类：
FET 场效应管
JFET 结型
MOSFET 绝缘栅型
N沟道（相当于NPN） （耗尽型）
P沟道（相当于PNP）