第3章 场效管及其应用电路
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场效应管工作原理与应用通用课件
总结词
增强型场效应管是在正常工作状态下需要加正向栅极电压才能导通，而耗尽型场效应管则是加反向电 压导通。
详细描述
增强型场效应管在无电压时，半导体中没有导电沟道，需要加正向栅极电压后才会形成导电沟道；而 耗尽型场效应管在无电压时，半导体中已经存在导电沟道，加反向电压后可调节导电沟道的宽度。
绝缘栅双极晶体管（IGBT）
1 2
根据电路需求选择合适的类型
根据电路的电压、电流和频率要求，选择合适的 场效应管类型，如N沟道或P沟道。
考虑导通电阻和开关性能
选择导通电阻较小、开关速度较快的场效应管， 以提高电路性能。
3
考虑最大工作电压和电流
根据电路的最大电压和电流，选择能够承受的场 效应管。
场效应管使用注意事项
正确连接电源和信号线
效应管。
导通不良
02
如果场效应管导通不良，会影响电路性能，需要检查驱动信号
是否正常，以及场效应管本身是否有问题。
噪声干扰
03
如果电路中存在噪声干扰，会影响场效应管的正常工作，需要
采取措施降低噪声干扰。
05
场效应管封装与测试
场效应管封装形式
金属封装
采用金属外壳作为场效应管的封装，具有良好的 散热性能和电气性能。
场效应管工作原理与应用通 用课件
contents
目录
• 场效应管简介 • 场效应管工作原理 • 场效应管应用 • 场效应管选型与使用注意事项 • 场效应管封装与测试
01
场效应管简介
场效应管定义
场效应管（Field-Effect Transistor ，FET）：是一种利用电场效应控制 电流的半导体器件。
电场效应：是指外加电场对导体内部 的电荷分布和运动状态产生影响的现 象。
增强型场效应管是在正常工作状态下需要加正向栅极电压才能导通，而耗尽型场效应管则是加反向电 压导通。
详细描述
增强型场效应管在无电压时，半导体中没有导电沟道，需要加正向栅极电压后才会形成导电沟道；而 耗尽型场效应管在无电压时，半导体中已经存在导电沟道，加反向电压后可调节导电沟道的宽度。
绝缘栅双极晶体管（IGBT）
1 2
根据电路需求选择合适的类型
根据电路的电压、电流和频率要求，选择合适的 场效应管类型，如N沟道或P沟道。
考虑导通电阻和开关性能
选择导通电阻较小、开关速度较快的场效应管， 以提高电路性能。
3
考虑最大工作电压和电流
根据电路的最大电压和电流，选择能够承受的场 效应管。
场效应管使用注意事项
正确连接电源和信号线
效应管。
导通不良
02
如果场效应管导通不良，会影响电路性能，需要检查驱动信号
是否正常，以及场效应管本身是否有问题。
噪声干扰
03
如果电路中存在噪声干扰，会影响场效应管的正常工作，需要
采取措施降低噪声干扰。
05
场效应管封装与测试
场效应管封装形式
金属封装
采用金属外壳作为场效应管的封装，具有良好的 散热性能和电气性能。
场效应管工作原理与应用通 用课件
contents
目录
• 场效应管简介 • 场效应管工作原理 • 场效应管应用 • 场效应管选型与使用注意事项 • 场效应管封装与测试
01
场效应管简介
场效应管定义
场效应管（Field-Effect Transistor ，FET）：是一种利用电场效应控制 电流的半导体器件。
电场效应：是指外加电场对导体内部 的电荷分布和运动状态产生影响的现 象。
第3讲场效管放大电路和负反馈(定稿)
并联结构
串联结构
电压反馈与电流反馈
电压负反馈
xf=Fvo ， xid= xi－xf RL vo vo 电压负反馈稳定输出电压 xf xid
电压反馈与电流反馈
电流负反馈
xf=Fio ， xid= xi－xf RL io io 电流负反馈稳定输出电流 xf xid
例2： 1) 判反馈元件 RC RF
C1 RS
+ eS – + +
UGS(off) -3 -2 -1 0 1 2 转移特性曲线
4
0
2. 耗尽型绝缘栅场效应管 (3) P 沟道耗尽型管 SiO2绝缘层中 掺有负离子 符号：
D
G 预埋了P型 导电沟道 S
增强型 D
耗尽型 D D G S S N沟道 G S P沟道 D
G S N沟道
G
P沟道
G、S之间加一定 电压才形成导电沟道
正反馈与负反馈的判断--瞬时极性法判断 (1)设接“地”参考点的电位为零，在某点对 “地”电压（即电位）的正半周，该点交流电位的 瞬时极性为正；在负半周则为负。 (2)设基极瞬时极性为正，根据集电极瞬时极性 与基极相反、发射极(接有发射极电阻而无旁路电 容时)瞬时极性与基极相同的原则，标出相关各点 的瞬时极性。
10 2 ~ 10 4 较低 rce很高
差 较复杂 B—E—C
10 ~ 10 较高 rds很高
7 14
好 简单，成本低 G—S—D
2.1.5
场效应管放大电路
场效应晶体管具有输入电阻高、噪声低等优点， 常用于多级放大电路的输入级以及要求噪声低的放 大电路。 场效应管的源极、漏极、栅极相当于双极型晶体 管的发射极、集电极、基极。 场效应管的共源极放大电路和源极输出器与双极 型晶体管的共发射极放大电路和射极输出器在结构 上也相类似。 场效应管放大电路的分析与双极型晶体管放大电 路一样，包括静态分析和动态分析。
第3章 场效应管
VGS = 4 V, VDS = 6 V
ID = 1 mA
例2. 单电源供电的N沟道DMOS管电路，已知，RG＝1MΩ， RS＝4kΩ，RD＝5kΩ，VDD＝5V，管子参数为µnCoxW/（2l） ＝0.25mA/V2，VGS(th)＝-2V，求ID。
VS = I DQ RS = 4I D
VGS = VG − VS = −4I D
ID =
µn CoxW
2l = 0.25(−4 I D + 2) 2
(VGS − VGS(th) ) 2
解得ID＝0.25mA和1mA。显然ID＝1mA应舍去。 取ID＝0.25mA，求得 VGS = 0 − I DQ RS = 0 − 0.25 × 4 = −1
VDS = VDD − I DQ ( RD + RS ) = 5 − 0.25 × 9 = 2.75
µ n CoxW
2l
例 在下图所示N沟道EMOS管电路中，已知RG1＝1.2 MΩ， RG2＝0.8 MΩ，RS＝4 kΩ，RD＝10 kΩ，VDD＝20 V，管子 参数为µCoxW/(2l)＝0.25 mA/V2，VGS(th)＝2 V，试求ID。 解
IG = 0
VG = VDD RG2 0.8 = 20 × = 8 (V) RG1 + RG2 1.2 + 0.8
三、vGS>VGS(th)，vDS>vGS－VGS(th)
当 vDS=vGS-VGS(th)时，近漏端沟道夹断。夹断后， vGA＝vGS(th)，夹断 点到源极的电压vAS也就恒为(vGS－VGS(th))，沟道电流iD不再随vDS的 变化而变化，只受vGS控制。这种沟道夹断与vGS<VGS(th) 整个沟道夹 断iD=0的情况不同。通常由vDS引起近漏极端的夹断称为预夹断。预 夹断后对应的工作区称为饱和区又称放大区。 但若考虑沟道长度调制效应(夹断点A会随着vDS的增加而向源极移 动)，当vGS 一定时，iD会随着vDS的增加而略微增加。
第3章--场效应管放大电路习题答案
第3章场效应管放大电路3-1判断下列说法是否正确，用“√”和“×”表示判断结果填入空内。
（1）结型场效应管外加的栅-源电压应使栅-源间的耗尽层承受反向电压，才能保证其R GS 大的特点。
（⨯）（2）若耗尽型N沟道MOS管的U GS大于零，则其输入电阻会明显变小。
（⨯）3-2选择正确答案填入空内。
（1）U GS＝0V时，不能够工作在恒流区的场效应管有B 。
A. 结型管B. 增强型MOS管C. 耗尽型MOS管（2）当场效应管的漏极直流电流I D从2mA变为4mA时，它的低频跨导g m将 A 。
A.增大B.不变C.减小3-3改正图P3-3所示各电路中的错误，使它们有可能放大正弦波电压。
要求保留电路的共源接法。
图P3-3解：（a）源极加电阻R S。
（b）漏极加电阻R D。
（c）输入端加耦合电容。
（d）在R g支路加－V G G，＋V D D改为－V D D改正电路如解图P3-3所示。
解图P3-33-4已知图P3-4(a)所示电路中场效应管的转移特性和输出特性分别如图（b）(c)所示。
A 、R i和R o。
（1）利用图解法求解Q点；（2）利用等效电路法求解u图P3-4解：（1）在转移特性中作直线u G S ＝－i D R S ，与转移特性的交点即为Q 点；读出坐标值，得出I D Q ＝1mA ，U G S Q ＝－2V 。
如解图P3-4（a ）所示。
解图P 3-4在输出特性中作直流负载线u D S ＝V D D －i D （R D ＋R S ），与U G S Q ＝－2V 的那条输出特性曲线的交点为Q 点，U D S Q ≈3V 。
如解图P3-4（b ）所示。
（2）首先画出交流等效电路（图略），然后进行动态分析。
mA/V 12DQ DSS GS(off)GSDm DS=-=∂∂=I I U u i g UΩ==Ω==-=-=k 5M 1 5D o i Dm R R R R R g A g u3-5 已知图P3-5（a ）所示电路中场效应管的转移特性如图（b ）所示。
模拟电子技术课后习题答案第三章场效应管及其放大电路答案
习题3-1 场效应管沟道的预夹断和夹断有什么不同？ 解：当U DS 增加到U DS =U GS ，即U GD =U GS -U DS = U GS （th ）时，漏极附近的耗尽层将合拢，称为预夹断。
预夹断后，沟道仍然存在，夹断点的电场强度大，仍能使多数载流子(电子)作漂移运动，形成漏极电流I DSS 。
若U DS 继续增加，使U DS ＞U GS －U GS （th ），即U GD ＜U GS （th ）时，耗尽层合拢部分会增加，并自夹断点向源极方向延伸，此时夹断区的电阻越来越大，但漏极电流I D 却基本趋于饱和，不随U DS 的增加而增加。
3-2 如何从转移特性上求g m 值？ 解： 利用公式gsdm dU dI g求g m 值。
3-3 场效应管符号中，箭头背向沟道的是什么管？箭头朝向沟道的是什么管？ 解：箭头背向沟道的是P 沟道；箭头朝向沟道的是N 沟道。
3-4 结型场效应管的U GS 为什么是反偏电压？ 解：若为正偏电压，则在正偏电压作用下，两个PN 结耗尽层将变窄，I D 的大小将不受栅-源电压U GS 控制。
3-5如图3-20所示转移特性曲线，指出场效应管类型。
对于耗尽型管，求U GS （off ）、I DSS ；对于增强型管，求U GS （th ）。
解：a P 沟道增强型。
U GS （th ）=－2Vb P 沟道结型。
U GS （off ）=3V 、I DSS =4mA3-6如图3-21所示输出特性曲线，指出场效应管类型。
对于耗尽型管，求U GS （off ）、I DSS ；对于增强型管，求U GS （th ）。
解：a N 沟道增强型。
U GS （th ）=1Vb P 沟道结型。
U GS （off ）=1V 、I DSS =1.2mAGS /Va－2 －1 图3-20 习题3-5图 U GS /Vb3-7 如图3-22所示电路，场效应管的U GS （off ）=－4V ，I DSS =4mA ；计算静态工作点。
03第三章 场效晶体管放大电路
在І区域内，漏源电压vDS相对较小，是 曲线簇的上升段。该区域输出电阻ro随vGS的变 化而变化，所以称І区为可调电阻区。
在Ⅱ区内，漏极电流iD几乎不随漏源电 压vDS的变化而变化，所以称为饱和区。在该区 域内iD会随栅源电压vGS增大而增大，故Ⅱ区又 称为放大区。
Байду номын сангаасⅢ区叫击穿区，在这个区域内，由于漏
2.场效晶体管利用栅源电压vGS的电场效应控制导电沟道的宽窄，改 变沟道电阻而达到控制漏极电流iD的目的。场效晶体管的基本特性主要由 转移特性和输出特性来描述，跨导是表征输入电压对输出电流控制能力 的重要参数。
3.场效晶体管放大电路具有输入阻抗高、噪声低，热稳定性能好等优 点，常用于放大电路的输入级。场效晶体管的放大电路常用的有分压式 偏置共源放大电路，对于耗尽型绝缘栅场效晶体管可采用共源自偏压放 大电路。场效晶体管放大电路的分析方法和步骤与三极管放大电路有很 多类似之处，学习时应注意比较归纳。
7
Powerpoint Design by Chen Zhenyuan
中等职业教育国家规划教材 HEP
《电子技术基础》教学演示文稿
陈振源主编
漏源击穿电压V(BR)DS 指漏源极之间允许加的最大电压，实际电压值超 过该参数时，会使PN结反向击穿。
最大耗散功率PDSM 指ID与VDD的乘积不应超过的极限值，是从发热角度 对管子提出的限制条件。
第三章 场效晶体管放大电路
1
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第一节 绝缘栅场效晶体管
一、结构
绝缘栅场效晶体管（MOS管）分为增强型和耗尽型两类，各类又有P沟道和N 沟道两种。
三章场效应管放大器
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。
2.分压式自偏压电路
UGSUGUS
Rg1Rg2Rg2VDDIDR
C1 + ui
—
+ VDD Rd
Rg1 d C2 +
gT
s
uo
Rg3 Rg2
R
C
—
计算Q点：
已知UP ，由
UGSRgR1gR2 g2VDDIDR
ID IDSS(1UUGPS)2
（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= UDS ID，与双极型三极管的PCM相当。
—
g
d
Rg3 + u
gs
Rg1 Rg2 -S
gmugs
Ri
+
RL uo Rd
-
RO
2.共漏放大电路
分析：
（1）画交流小信号等效电路。 （2）电压放大倍数
由 u iu g s gm u g(sR /R /L ) uogm ug(sR//RL)
C1
RS
+
uS -
d
+ VDD
Rg1
T
s
Rg3
C2 +
Rg2
R
uo RL
-
得
Auu uoi
gm(R//RL) 1gm(R//RL)
RS
共源极场效应管放大电路
模拟电子技术
第3章 场效应管及其应用
3.3.2 交流放大特性
Ri Rg3 ( Rg1 // Rg2 )
模拟电子技术
第3章 场效应管及其应用
Hale Waihona Puke & & & g mU gs RL Uo Au & & & Ui U gs g mU gs RL g m RL 1 g m RL
U GS 2 I D I DO ( 1) (增强型MOS管） U GS(th)
U DS U DD I D ( Rd R)
模拟电子技术
第3章 场效应管及其应用
3.2.3 交流放大特性
共源极场效应管微变等效模型
模拟电子技术
第3章 场效应管及其应用
共源极场效应管放大电路的微变等效电路
式中RL ’ ＝RS∥RL 。 输出电压与输入电压同相，且gm RL 所以Au小于1，但接近于1。
’
>>1，
模拟电子技术
第3章 场效应管及其应用
Ri RG3 RG1 // RG 2
RO
1 1 gm RS
模拟电子技术
第3章 场效应管及其应用
分析可知，源极输出器的特点： 电压放大倍数小于且接近于1 输入电阻较高 输出电阻较低。
模拟电子技术
第3章 场效应管及其应用
3.2共源极场效应晶体管放大电路
3.2.1 电路结构
模拟电子技术
第3章 场效应管及其应用
3.2.2 直流静态工作点(P84)
U GS U G U S
Rg2 Rg1 Rg2
U DD I D RS
U GS 2 I D I DSS (1 ) (JFET和耗尽型MO S管) U GS(off)
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uds
Cds
−
图3-18场效应管高频小信号模型
2.应用小信号模型法分析场效应管放大电路
+UDD RD
RG g
d
RG uo
ui UGG
（a）电路
ui
ugs
RD
uo
gmugs
s
（b）微变等效电路
U&i U&gs
A&u
U&o U&i
gmU&gs RD U&gs
gmRD
2）.共漏放大电路的动态分析
漏端的沟道被夹断， 称为予夹断。
D UDS增大则被夹断 区向下延伸。
G N
UGS<Up UGD=UP时 ID UDS N
UGS S
此时，电流ID由未 被夹断区域中的载 流子形成，基本不 随UDS的增加而增 加，呈恒流特性。
G
UGS
UGS<Up UGD=UP时 D ID
UDS NN
S
工作原理
ID
N
N
P
UGS UDS
UDS增加，UGD=UT 时， 靠近D端的沟道被夹断， 称为予夹断。
S GD ID
N
N
P
夹断后，即
使UDS 继续 增加，ID仍
呈恒流特性。
绝缘栅型场效应管特性曲线
1)增强型MOS管
开启 电压
2)耗尽型MOS管
夹断 电压
各种场效应管所加偏压极性小结
结型PN沟沟道道((uuGGSS＞＜00)) 场效应管绝缘栅型耗增尽强型型PPNN沟沟沟沟道道道道((((uuuuGGGGSSSS＜极＞极0性0性)) 任任意意))
Io
Au
Uo Ui
gm RS 1 gm RS
IRS
RS
Ri
Uo
Io
Uo RS
gmUo
Ro
Uo Io
Uo RS
Uo gmUo
1 RS
1 gm
RS //
1 gm
三种基本放大电路的性能比较
BJT
FET
组态对应关系： CE
CS
CC
CD
电压增益：
CB
CG
CE： CC： CB：
BJT
( Rc1// RL )
P 沟道增强型
SG D
P
P
N
予埋了导 电沟道
D G
S
P 沟道耗尽型
3.2.2MOS管的工作原理
以N 沟道增强型为例
UGS=0时
UGS UDS
S GD
ID=0
对应截止区
N
N
P
D-S 间相当于
两个反接的 PN结
UGS>0时
UGS UDS S GD
N
N
P
UGS UDS S GD
N
N
P
UGS UDS S GD
2.分压器式自偏压电路
+UDD
RD
Rg1
Cb2
Cb1 +
ui -
Rg3
Rg2
RS
+
UG U DD
Rg2 Rg1 Rg2
uo
C -
Rg1
Rg3 Rg2
+UDD RD
RS
UGS
UG
US
UDD
Rg2 Rg1 Rg2
I D RS
( I D RS
UDD
Rg2 ) Rg1 Rg2
IDQ
I
DO
(1
a.静态：
IDQ
I
DO
U (
GSQ
UT
1)2
UGSQ UGG IDQRs
U
DSQ
UDD
I DQ Rs
+UDD
RG g Ugs s
RG
Ui
UGG
Rs
Uo
Ui
g mUgs
d
RS
Uo
RG g Ugs s
Uo Id RS gmUgs RS
Ui
g mUgs
d
Rg
Ui
g
s
gmUo
d
RS Uo U&i U&gs U&o U&gs gmU&gsRS
G UGS
D ID P
NN
S
UDS=0U时 UDS
UGS越大耗尽区越宽， 沟道越窄，电阻越大。
D
但区当宽度UG有S较限小U，D时存S=，在0U耗导时尽
电沟道。DS间相当于 线I性D 电阻。
P
UDS
G NN
UGS S
UGS达到一定值时 （夹断电压UP）,耗 尽区碰到一起，DS
间被夹断，这时，即
使UDS 0U，漏极电 D ID
② 饱和漏极电流IDSS： UGS=0时对应的漏极电流。
③ 低频跨导gm：
gm
iD uGS
U DS
或
gm
2IDSS
(1
UGS UP
UP
) （ UP
UGS
0）
低频跨导反映了UGS对iD的控制作用。gm可以在转移 特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。
④ 输出电阻rd：
rd
UDS iD
U GS
绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。
rbe
(1 ) ( Re // RL ) rbe (1 )( Re // RL )
( Rc // RL )
rbe
FET
CS： gm(Rd // RL ) CD： gm( R // RL )
1 gm(R // RL ) CG： gm ( Rd // RL )
48
三种基本放大电路的性能比较
ID
变窄U，GS从继上续至减下小呈，楔沟形道分继布续。变窄
靠压在漏当UU预当极GGU夹S沟D处称D=断S道U出增为G处夹现加夹S-断U预到断D时夹S使电=，断U压U对GP。UD应=P U（的P 时或栅，源在电紧 此U时GSU(ofDf)S） 。 夹断区延长 对于沟N道沟电道阻的JFEITD基，本UP不<0变。
3.2 绝缘栅场效应管
3.2.1 结构和电路符号
s源极
氧化层
二氧化硅
绝缘层
N+
耗尽层
g栅极
d漏极 金属铝
P型衬底
N+ 耗尽层
SG
N P
D 金属铝
两个N区 N
B衬底引线
D
G
P型基底 SiO2绝缘层
S
导电沟道
N沟道增强型
SG D
N
N
P
予埋了导 电沟道
D
G S
N 沟道耗尽型
SG D PN P
D
G S
5
uDS=uGS−UP
iD / mA
6 IDSS
5
4
B
1V
3
2
C −2 V
4
3
U DS>4V
2
1
RDS 大 D
−3 V
UP=−4 V
UP=-4 V
1
0
4
8 12 截止区
16
20
24 UDSS
uDS / V
输出特性曲线
-4
-3 -2 -1
0 uGS / V
转移特性曲线
主要参数
① 夹断电压UP (或UGS(off))： 漏极电流约为零时的UGS值 。
UGSQ UT
)2
U DSQ U DD I DQ (RD RS )
3.3.2 场效应管放大电路的动态分析
1.场效应管小信号模型
g
ugs
rgs
d
id
g
gmugs rd
uds
ugs
gmugs
id d
rd
ugs
s
s
(a) 结型场效应管小信号模型
(b)绝缘栅型场效应管小信号模型
对于结型场效应管
gm
参数 型号 3DJ2D 3DJ7E 3DJ15H 3DO2E CS11C
PDM mW
100 100 100 100 100
IDSS mA
<0.35
<1.2 6～11 0.35～1.2 0.3～1
VRDS VRGS
V
V
>20 >20
>20 >20
>20 >20
>12 >25
-25
VP
gm
V mA/ V
1.自偏压电路
Cb1 + ui −
+UDD RD Cb2
+
T
RG
uo RS C
−
+UDD RD
RG
RS
U GSQ U GQ U SQ 0 I DQ RS I DQ RS
I DQ
I
DSS
(1
U GSQ UP
)
2
I DSS (1
I DQ RS )2 UP
U DSQ U DD I DQ (RD RS )
iD uG S
|UDS
2 I DSS UP
(1
uG S UP
)
|UDS
2
I
2 DSS
(1
uG S UP
)2
|U DS
UP
2 UP
I DSSiD
gm
2 UT
IDO IDQ
当小信号作用时，可以用IDQ来近似iD，所以
gm
2 UP
IDSS IDQ
g
+
ugs
rgs