第五章场效应管
第五章-场效应管PPT课件
vGS<Vp vGD=VP时
D iD
N
vDS
PP
vGS
S
-
11
此时，电流iD由未 被夹断区域中的载 流子形成，基本不 随vDS的增加而增加， 呈恒流特性。
G
vGS<Vp vGD=VP时
D iD
N
vDS
PP
vGS
S
-
12
D iD
N
vDS
G PP
vGS
S
结论：
（1）因为栅源间加反向电压，故栅极几乎不取电流；
gm的大小可以反映栅源电压VGS对漏极电流iD的控制能力 的强弱。
gm可以从转移特性或输出特性中求得，也可以用公式计 算出来。
2.输出电阻r ds
输出电阻rds定义为
r ds
dv DS di D
v GSQ
-
21
四、关于温度稳定性 场效应管导电机理为多数载流子导电，热稳定
性较晶体三极管好。而且场效应管还存在一个零温度系 数点，在这一点工作，温度稳定性会更好。
绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。
-
23
5.2 绝缘栅场效应管(MOS管):
MOS电容
SiO2绝缘层
+++++ - -----
P
金属铝
E
P型基底
电子反型层
-
24
SiO2绝缘层
掺入了大量的碱金 属正离子Na+或K+
金属铝
+++++ - -----
P
P型基底
电子反型层
-
25
一、结构和电路符号
场效应管的结构及工作原理(教案)
场效应管的结构及工作原理(教案)第一章：引言1.1 课程背景本课程旨在帮助学生了解和掌握场效应管的结构及工作原理。
场效应管作为一种重要的半导体器件，在电子电路中具有广泛的应用。
1.2 学习目标了解场效应管的基本结构理解场效应管的工作原理第二章：场效应管的基本结构2.1 结型场效应管（JFET）2.1.1 N沟道JFET2.1.2 P沟道JFET2.2 金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）2.2.1 N型MOSFET2.2.2 P型MOSFET2.3 场效应管的封装与引脚第三章：场效应管的工作原理3.1 JFET的工作原理3.1.1 导电通道的形成3.1.2 栅极电压对导电通道的控制3.2 MOSFET的工作原理3.2.1 导电通道的形成3.2.2 栅极电压对导电通道的控制3.3 场效应管的导通与截止条件第四章：场效应管的特性4.1 静态特性4.1.1 输入特性4.1.2 输出特性4.2 动态特性4.2.1 过渡时间4.2.2 开关速度4.3 场效应管的参数第五章：场效应管的应用5.1 放大器应用5.1.1 放大器的基本原理5.1.2 放大器的设计与实现5.2 开关应用5.2.1 开关的基本原理5.2.2 开关的设计与实现5.3 其他应用场效应管的结构及工作原理(教案)第六章：结型场效应管（JFET）的特性6.1 输出特性6.1.1 电流-电压关系6.1.2 输出特性曲线6.2 输入特性6.2.1 输入阻抗6.2.2 输入特性曲线6.3 传输特性6.3.1 传输特性曲线6.3.2 转移特性分析第七章：金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）的特性7.1 MOSFET的输出特性7.1.1 电流-电压关系7.1.2 输出特性曲线7.2 MOSFET的输入特性7.2.1 输入阻抗7.2.2 输入特性曲线7.3 MOSFET的传输特性7.3.1 传输特性曲线7.3.2 转移特性分析第八章：场效应管的驱动电路8.1 驱动电路的作用8.1.1 驱动场效应管的需求8.1.2 驱动电路的设计原则8.2 驱动电路的设计8.2.1 电压驱动电路8.2.2 电流驱动电路8.3 驱动电路的稳定性与保护第九章：场效应管的电路应用实例9.1 放大器应用实例9.1.1 单级JFET放大器9.1.2 多级MOSFET放大器9.2 开关应用实例9.2.1 数字开关9.2.2 模拟开关9.3 其他应用实例9.3.1 电压控制放大器9.3.2 功率放大器第十章：总结与展望10.1 课程总结10.1.1 场效应管的结构特点10.1.2 场效应管的工作原理与特性10.2 场效应管的应用领域10.2.1 电子设备中的应用10.2.2 未来发展趋势10.3 练习与思考题10.3.1 填空题10.3.2 选择题10.3.3 简答题10.3.4 设计题场效应管的结构及工作原理(教案)第十一章：场效应管的测试与故障诊断11.1 测试仪器与设备11.1.1 直流参数测试仪11.1.2 交流参数测试仪11.2 场效应管的测试项目11.2.1 栅极电阻测试11.2.2 漏极电流测试11.2.3 源极电阻测试11.3 故障诊断与分析11.3.1 故障类型及原因11.3.2 故障诊断流程第十二章：场效应管的可靠性与寿命12.1 可靠性基本概念12.1.1 可靠性的定义12.1.2 可靠性参数12.2 影响场效应管可靠性的因素12.2.1 材料与工艺因素12.2.2 环境因素12.3 提高场效应管可靠性的措施12.3.1 设计优化12.3.2 生产工艺控制第十三章：场效应管的节能与环保13.1 节能的重要性13.1.1 电子设备的能耗问题13.1.2 场效应管在节能中的作用13.2 环保意识与场效应管13.2.1 电子废弃物问题13.2.2 场效应管的环保优势13.3 节能与环保技术的应用13.3.1 高效能场效应管设计13.3.2 绿色制造与回收技术第十四章：场效应管的最新发展动态14.1 新型场效应管的研究方向14.1.1 纳米场效应管14.1.2 宽禁带场效应管14.2 场效应管技术的创新应用14.2.1 物联网中的应用14.2.2 中的应用14.3 未来场效应管的发展趋势14.3.1 性能提升14.3.2 成本降低第十五章：课程复习与拓展学习15.1 复习重点与难点15.1.1 场效应管的基本结构15.1.2 场效应管的工作原理与特性15.2 拓展学习资源15.2.1 学术期刊与论文15.2.2 在线课程与论坛15.3 实践项目与研究建议15.3.1 实验室实践项目15.3.2 研究课题建议重点和难点解析本文档涵盖了场效应管的结构、工作原理、特性、应用、测试、可靠性、节能环保以及最新发展动态等方面的内容。
MOS管(新)
为受控于VGS的可变电阻 11
(3) 放大区 产生夹断后，VDS增大，ID不变的区域，VDS VGS - VT
VDSID不变 处于饱和区的场效应管相当于一个压控电流源
在预夹断临界条件下VDS =VGS - VT 由此得到饱和区的V-I特性表达式：
iD K n (v G S V T )2 K n V T 2 (v V G T S 1 )2 ID O (v V G T S 1 )2
结反向，所以不存在导电
沟道。
(a) VGS =0， ID =0
VGS必须大于0
管子才能工作。
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4
（b） 0＜VGS＜ VT （ VT 称为开 启电压)
在Sio2介质中产生一个垂直于 导体表面的电场，排斥P区多 子空穴而吸引少子电子。 但 由于电场强度有限，吸引到 绝缘层的少子电子数量有限， 不足以形成沟道，将漏极和 源极沟通，所以不可能以形 成漏极电流ID。
这种在VGS =0时没有导电沟道，
依靠栅源电压的作用而形成感生
沟道的FET称为增强型FET
VGS >0g吸引电子反型层导电沟道
VGS 反型层变厚 VDS最新课件 ID
6
（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用
（a）如果VGS＞VT且固定为某一值， VGD=VGS－VDS VDS为0或较小时，
2、夹断电压VP ：在VDS为一固定数值时，使 ID对应一微小电流 时的 |VGS | 值。（耗尽）
3、饱和漏极电流IDSS ：在VGS = 0时， VDS > |VP |时的漏 极电流。（耗尽）
4、极间电容 ：漏源电容CDS约为 0.1~1pF，栅源电容CGS和栅 漏极电容CGD约为1~3pF。
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模拟电子技术第五章场效应管及其放大电路
况，称为预夹断。源区 而未夹断沟道部分为低阻，因
的自由电子在VDS电场力 的作用下，仍能沿着沟
此，VDS增加的部分基本上降落 在该夹断区内，而沟道中的电
道向漏端漂移，一旦到 场力基本不变，漂移电流基本
达预夹断区的边界处， 不变，所以，从漏端沟道出现
就能被预夹断区内的电 场力扫至漏区，形成漏
预夹断点开始， ID基本不随VDS
VDS ＝ VD － VS =VDD－IDRD－ VS
二、小信号模型
iD Kn vGS VT 2
Kn VGSQ vgs VT 2
漏极信号 电流
Kn VGSQ VT 2 2Kn VGSQ VT vgs Knvg2s
Kn
VGSQ
VT
2 gmvgs
K
nv
2 gs
IDQ id
3. 最大漏源电压V(BR)DS
指发生雪崩击穿时，漏极电流iD急剧上升时的vDS。与vGS有关。
4. 最大栅源电压 V(BR)GS
指PN结电流开始急剧增大时的vGS。
5.2 MOSFET放大电路
5.2.1 MOSFET放大电路
1. 直流偏置及静态工作点的计算 2. 小信号模型分析 3. MOSFET 三种基本放大电路比较
产生谐波或 非线性失真
λ= 0
λ≠ 0
共源极放大电路
例题5.2.4:
电路如图所示，设VDD=5V， Rd=3.9kΩ， VGS=2V， VT=1V， Kn=0.8mA/V2，λ=0.02V-1。试当管工作在饱和区时，试确定电路 的小信号电压增益。
例题5.2.5:
电路如图所示，设Rg1=150kΩ，Rg2=47kΩ，VT=1V，Kn=500μA/V2，λ=0， VDD=5V，-VSS=-5V， Rd=10kΩ， R=0.5kΩ， Rs=4kΩ。求电路的电压增益和 源电压增益、输入电阻和输出电阻。
场效应管及其放大电路自测题
第五章场效应管及其放大电路自测题一、填空题1.场效应管的转移特性I D～U GS，符合（B）规律。
A.指数B.平方C.线性2.当U GS=0时，仍能工作在饱和区的场效应管是（C）场效应管。
A.结型B.增强型MOSC.耗尽型MOS3.场效应管的跨导与双极性晶体管相比，一般情况下（B）。
A.更大B.更小C.差不多4.场效应管的漏极电流IDD从2mA变为4mA时，它的跨导gfm将（A）。
A.增大B.减小C.不变5.场效应管源极跟随器与双极型晶体管射极跟随器相比，（B C）。
A.其跟随特性更好B.跟随特性更差C.输出阻抗高D.输出阻抗低6.造成源极跟随器与射极跟随器相比有以上不同特性的根本原因是（B C）。
A.场效应管输入阻抗高B.场效应管跨导低C.场效应管放大倍数小7.以下几种场效应管构成的连接方式可以构成有源放大器的是（ABC）。
A.放大管和负载管为同种导电类型的器件B.放大管和负载管为不同导电类型的器件C.放大管为增强型NMOS管，负载管为耗尽型NMOS管D.放大管为耗尽型NMOS管，负载管为增强型NMOS管8.与双极型晶体管相比，场效应管具有的特点是（B C D）。
A.放大作用大B.输入阻抗高C.抗辐射能力强D.功耗小9.N沟道结型场效应管的偏置电压UGS应为（B）。
A.正B.负C.零10.可以采用自给偏置方式的场效应管有（A C ）。
A.结型场效应管B.增强型MOS场效应管C.耗尽型MOS场效应管第五章自测题答案。
第五章-场效应管及应用电路-MSW(1)
IDQ gm vgs Knvg2s
静态值 （直流）
动态值 （交流）
非线性 失真项
s
Ri Rg1 // Rg2
Ro Rd
Avs
vo vS
vo vi
•
vi vS
Av
•
Ri Ri RS
3. 小信号模型分析
（2）放大电路分析（例5.2.6）
Av
vo vi
( gm vgs )(R // rds ) vgs gm vgs (R // rds )
gm (R // rds ) 1 1 gm (R // rds )
当vDS增加到使 vGD=VP 时，在紧靠漏 极处出现预夹断。
此时vDS 夹断区延长 沟道电阻 ID基本不变
2. 工作原理 （以N沟道JFET为例）
③ vGS和vDS同时作用时
当VP <vGS<0 时，导电沟道更容易夹断， 对于同样的vDS ， ID的值比vGS=0时的值要小。 在预夹断处
vGD=vGS-vDS =VP
无电流产生。
当0<vGS <VT 时
产生电场，但未形成导电沟道（感生沟 道），d、s间加电压后，没有电流产生。
当vGS >VT 时
在电场作用下产生导电沟道，d、s间加 电压后，将有电流产生。
vGS越大，导电沟道越厚
VT 称为开启电压
2. 工作原理
（2）vDS对沟道的控制作用
当vGS一定（vGS >VT ）时， vDSID 沟道电位梯度
电子电工学——模拟电子技术 第五章 场效应管放大电路
场效应管正常工作时漏极电流的上限值。
2. 最大耗散功率PDM
由场效应管允许的温升决定。
3. 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。
4. 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。
5.2 MOSFET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
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。
2.特性曲线与特性方程
在可变电阻区 iD
Kn
2vGS
VP vDS
v
2 DS
在饱和区iD
I DSS 1
vGS VP
2
I DSS KnVP2称为饱和漏极电流
4. 直流输入电阻RGS
输入电阻很高。一般在107以上。
二、交流参数
1. 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。
gm
iD vGS
VDS 常数
2. 输出电阻 rds 说明VDS对ID的影响。
rds
vDS iD
VGS 常数
3. 极间电容
极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。
三、极限参数
D iD = 0
场效应管放大电路
第五章 场效应管放大电路1、 图1所示场效应管工作于放大状态，ds r 忽略不计，电容对交流视为短路。
跨导为m 1ms g =。
（1）画出电路的交流小信号等效电路；（2）求电压放大倍数uA 和源电压放大倍数us A ；（3）求输入电阻i R 和输出电阻oR 。
题图12、电路如图2所示，场效应管的m 11.3ms g =，ds r 忽略不计。
试求共漏放大电路的源电压增益us A 、输入电阻i R 和输出电阻oR 。
图23、 放大电路如图3所示，已知场效应管的DSS 1.6mA I =，p U = -4V ，ds r 忽略不计，若要求场效应管静态时的GSQ 1V U =-，各电容均足够大。
试求：（1）g1R 的阻值；（2）uA 、i R 及o R 的值。
图34、图4(a)所示电路中的场效应管的转移特性为图4(b)所示，试求解该电路的GS U 、D I 和DS U 。
图45、电路如图5所示，已知FET 的I DSS = 3mA 、U P = －3V 、U (BR)DS = 10V 。
试问在下列三种条件下，FET 各处于哪种状态？(1) R d = 3.9k Ω；(2) R d = 10k Ω；(3) R d = 1k Ω。
VT+V DD R gR d图56、源极输出器电路如图6所示，已知场效应管在工作点上的互导m 0.9ms g ，ds r 忽略不计，其他参数如图中所示。
求电压增益u A 、输入电阻i R 和输出电阻oR 。
图6填空题1、双极型半导体三极管是器件，而场效应管属于器件。
2、对于MOSFET，用来描述栅源电压对漏极电流控制能力大小的参数称为。
3、在MOSFET中，在漏源电压一定的条件下，用以描述漏极电流与栅源电压之间关系的曲线称为。
4、在N沟道的MOSFET的电路中，若栅源电压已大于开启电压，漏源电压在某一变化区域内，漏极电流会随着漏源电压的增大而增大，说明此时MOSFET工作于区。
5、在构成放大器时，可以采用自给偏压电路的场效应管是场效应管。
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iD的大小受uGS控制。饱和区与可变电阻区的分界线为 uDS= uGS-UGS(off)。
(3) 夹断区
uGS<UGS(off)，沟道被夹断，iD≈0
2、转移特性曲线
iD = f (uGS ) UDS = 常数
iD
I
DSS
(1
U
uGS
GS (off
)
)2
(U GS(off ) uGS 0)
UGS
当︱ UGS ︱ ≥ ︱ UGS(off) ︱后，耗
尽区无明显变化，太大会出现击穿。
N
P+
P+
S
图5.1.2
由于PN结反偏，栅极电流基本为0，消耗很小。一般不用正偏。
D （2） G 、S间短路， D 、S间加正向电压
随UDS↑ ，ID ↑ 。由于电压降，靠近D极 U GD反压越高，耗尽层越宽，导电沟道越 G
噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，制造工艺 简单。尤其MOS管在大规模和超大规模集成电 路中占有重要地位。
分类：
结型
N沟道 P沟道
（耗尽型）
场效应管 (FET)
(JFET) 绝缘栅型
增强型
E型
N沟道 P沟道
(MOSFET) 耗尽型
D型
N沟道 P沟道
5.1.1 结型场效应管(Junction Field Effect Transistor)
R
窄，呈现楔型。
P+
P+
当UDS =︱ UGS(off) ︱,即UGD =UGS(off)
时，在漏极两侧的耗尽区开始合拢，称
UDS
为预夹断。
UDS↑，预夹断区变长， UDS的增加部分 落。（在3）预G夹、断S区间，加导负电电沟压道，内D的、IDS基间本加不正变向电压
S
G、S的负电压使耗尽区变宽，导电沟
（3）饱和区：两结正偏，靠近纵轴 区 的区域。IB增加，IC不再增加， 不受IB的控制，IC只随UCE增加 0 而增加。
80 µA
放
60 µA
大 区
40 µA 20µA
IB= 0 µA
截止区
uCE /V
UCE=UBE称为临界饱和，在深度饱和时，饱和压降UCES很小。 临界饱和的估算：三个工作区的分析
发射极e
1.3.2 晶体管的电流放大作用---放大？
三极管具有电流控 制作用的外部条件 :
共发射极接法放大电路
（1）发射结正向偏置； （2）集电结反向偏置。
RC IC
对于NPN型三极管应满足:
IB B
UBE > 0
RB
C
UCE E
EC
UBC < 0 即 VC > VB > VE
UBE EB
对于PNP型三极管应满足:
N
IEN
电源负极向发射
区补充电子形成
发射极电流IE
VCC RC
三极管输出特性上的三个工作区
（1）放大区：发射结正偏，集电极 反偏。特性曲线的平坦部分。
iC / mA
满足
IC I B ICEO
有电流控制作用。
（2）截止区：IB≤0的区域，两结反 偏。严格说，IE=0,即IC≤ICBO 的区域，管子基本不导电。 饱 和
1.3 双极型晶体管
1.3.1 晶体管的结构及类型
一、三极管的结构、 分类和符号
可按频率、功率、材料、结构分类。 若按结构分类，可分为2种：
集电极c
集电区
1. NPN 型三极管
c
基极b
b
e
三个区、两个结、三个极 特点：基区薄，掺杂浓度低
发射区，掺杂浓度高 集电区，结面积大
N
集电结
P
基区
发射结
N
发射区
1.3.5 晶体管的应用电路举例
例1.3.1 现已测得某电路中有几只晶体管三个极的直流电位如表 所示，各晶体管b-e见开启电压Uon均为0.5V。
试分别说明各管子的工作状态。
晶体管
基极直流电位UB/V 发射极直流电位UE/V 集电极直流电位UC/V
工作状态
T1 0.7 0 5 放大
T2 1 0.3 0.7 饱和
低频跨导：
iD /mA
4
预夹断 轨迹
gm
iD uGS
iD /mA
UGS = 0V
3
3
可变2 电阻区
1
0
恒
–1
流
–2V
区
–3V
4
8
12
夹断区
2
ID
1
UGS
–3 –2
UGs(off)
–1
0
1
2
图5.1.4 场效应管的输出特性 图5.1.5 转移特性
(1) 可变电阻区
iD几乎与uDS成线性关系增加，呈电阻特性。其等效电阻 可看作一个受栅源电压uGS控制的可变电阻。
5.1.2 绝缘栅型场效应管(MOSFET)
一、N沟道增强型MOS管
四种类型：
1. 结构和符号
N沟道增强型；N沟道耗尽型； P沟道增强型； P沟道耗尽型。
源极S 栅极G 漏极D
D
SiO2
N+
N+
B
G
P型硅衬底
S
衬底引线B
符号
图5.1.6 N沟道增强型MOS管结构示意图及符号
UEB > 0 UCB < 0 即 VC < VB < VE
输入 回路
公 共
输出 回路
端
三极管的电流控制原理
VBB正极拉走电
子，补充被复 合的空穴，形
成 IB
IC
ICBO
IBN
IB
RB
IEP
IE
VBB
电子流向电源正极形成 IC
ICN N 集电区收集电子
电子在基区 扩散与复合
P
发射区向基区 注入电子
图5.1.1 N沟道结型场效应管的结构示意图
2、工作原理
（1）D、S间短路，G、S间加反向电压
D
︱ UGS ︱增大，耗尽层加宽，导电 沟道变窄，电阻加大，当︱UGS︱加 G 大到一定值时，两侧的耗尽区几乎碰
上，导电沟道仿佛被夹断，D、S间电
阻趋于无穷大。 此时， UGS =UGS(off)—夹断电压
一、工作原理和结构
1、结构：
在N型硅棒两端加上
漏极D
ID
一定极性的电压，多子在
电场力的作用下形成电流
N
ID。在N型硅棒两侧做成 两个高浓度的P+区，并将
栅极G
P+
P+
G
D
其连在一起，如图。若将
G、S间加上不同的反偏电
压，即可改变导电沟道的
宽度，便实现了利用电压 所产生的电场控制导电沟
源极S
道中电流强弱的目的。
T3 -1 -1.7 0 放大
T4 0 0 15 截止
对NPN管， 当UBE＜Uon时，管子截止； 当UBE ＞ Uon且UCE≥ UBE (或UC ≥ UB)，管子放大； 当UBE ＞ Uon且UCE ＜ UBE (或UC ＜ UB)，管子饱和。
§ 5.1 场效应管
特点：
体积小，重量轻，耗电省，寿命长；输入阻抗高，
R
道变窄；D、S间的正电压使耗尽区和导 电沟道不等宽。
P+
P+
当UGD=UGS-UDS=UGS(off)，即 UDS= UGS-UGS(off)时，发生预夹断，此后
UGS
UDS
UDS ↑， ID基本不变。
图5.1.3
二、特性曲线及电流方程
1、漏极特性曲线（输出特性曲线） iD = f (uDS ) UGS = 常数