第三章 场效应管及其应用
场效应管的工作原理及应用
场效应管的工作原理及应用一、场效应管的基本原理场效应管（FET）是一种基于电场效应的半导体器件，它主要由三个区域组成：栅极（Gate）、漏极（Source）和源极（Drain）。
场效应管的工作原理是通过在栅极施加电压来控制漏极和源极之间的电流。
实际上，场效应管的工作原理与双极型晶体管（BJT）有很大的不同。
BJT是通过调节基极电流来控制集电极电流，而FET则是通过控制栅极电压来控制漏极和源极之间的电流。
这种控制电压的方式使得场效应管具有以下优点：•输入电阻高：场效应管的输入电阻非常高，这意味着输入信号对于场效应管来说几乎没有损耗。
•输出阻抗低：场效应管的输出电阻非常低，可以提供较大的输出功率。
•可靠性好：场效应管的制造工艺相对简单，因此具有较高的可靠性。
二、场效应管的种类及特点场效应管分为三种，分别是MOSFET、JFET和IGFET。
它们各自具有以下特点：1. MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）•结构复杂：MOSFET由金属栅极、绝缘层和半导体材料组成，结构较为复杂。
•低功耗：MOSFET的功耗较低，适用于集成电路和低功耗应用。
•可控性强：MOSFET的栅极电压可通过改变电压来控制漏极和源极之间的电流。
2. JFET（结型场效应管）•结构简单：JFET由两个半导体材料构成，结构较为简单。
•低噪声：JFET具有低噪声、高增益和大动态范围的特点，适用于音频放大器等应用。
•可控性弱：JFET的控制电压较低，控制灵敏度相对较弱。
3. IGFET（绝缘栅极场效应管）•高速开关：IGFET具有较高的开关速度和低损耗，适用于高频功率放大器等应用。
•可控性中等：IGFET的栅极电压对电流的控制相对较强，但仍不及MOSFET。
三、场效应管的应用场效应管广泛应用于各种电子设备和系统中，包括但不限于以下领域：1.放大器：由于场效应管具有高输入电阻和低输出阻抗的特点，因此可以用作信号放大器。
在音频放大器、射频放大器、视频放大器等设备中，场效应管常被用来放大弱信号。
第三章 场效应管放大电路讲解
d
结构图
B衬底 g
s
电路符号
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因此在栅源电压为零时，在正的vDS作用下，也有较 大的漏极电流iD由漏极流向源极。
当vGS>0时，由于绝缘层的存在，并不会产生栅极电 流 iG ，而是在沟道中感应出更多的负电荷，使沟道变 宽。在vDS作用下，iD将具有更大的数值。
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3.1.2 N沟道耗尽型MOSFET
⒈ 结构和工作原理简述 这种管子在制造时，
SiO2绝缘层 中掺有大量
正离子
由于二氧化硅绝缘层中掺
有大量的正离子，即使在
vGS= 0时，由于正离子的 作用，也和增强型接入正
N型沟道
栅源电压并使vGS>VTh时相 似，能在P型衬底上感应 出较多的电子，形成N型 沟道，将源区和漏区连通
② 可变电阻区 （vDS≤vGS-VTh ）
iD Kn 2 vGS VTh vDS vD2S
iD/mA
可变电阻区 饱和区
电导常数Kn单位是mA/V2。
8 6
在特性曲线原点附近，vDS很 4
7V A
6V B
5V C
4V
小，则
2
D
vGS=3V
iD 2Kn vGS VTh vDS
E 截止区
5 10 15 20 vDS/V
电压vGS对漏极电流iD的控制
特性，即 iD f vGS vDS常数
由于饱和区内，iD受vDS的影
iD/mA 8
A
B
6 VDS =10V C
4
D
响很小，因此饱和区内不同vDS 下的转移特性基本重合。
电子技术基础第三章场效应管及其放大电路
• 预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于 饱和。
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思考：为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？
场效应管的应用小结
• 一是当作压控可变电阻，即非线性电阻来使用， VGS的绝对值 越大，导电沟道就越窄，对应的导电沟道电阻越大，即电压 V电G阻S控使制用电时阻，的导大电小沟，道管还子没工有作出在现可预变夹电断阻；区，当作压控可变
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场效应管的分类
场效应管 FET
结型
JFET
IGFET ( MOSFET ) 绝缘栅型
N沟道 P沟道 增强型
耗尽型
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N沟道 P沟道
N沟道 P沟道
第二节 结型场效应管(JFET)的 结构和工作原理
一、结型场效应管的结构
二、结型场效应管的工作原理
三、结型场效应管的特性曲线 及参数
UDS（sat） ≤│Up│。
JFET的三个状态
• 恒流区（放大区、饱和区） • 可变电阻区 • 截止区
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小结
• 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以 场效应管也称为单极型三极管。
• JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此 iG0，输入电阻很高。
• JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制。
第一节 场效应管概述 第二节 结型场效应管的结构和工作原理 第三节 绝缘栅场效应管的结构和工作原理 第四节 场效应管放大电路
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• 3-1 • 3-4 • 3-6 • 3-12
作业
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场效应管及其应用 (2)-精选文档
2
(a)
(b)
图3.9N （a） 转移特性; （b） 输出特性
3.1.3 1． 1） 夹断电压UGS（off）或开启电压UGS（th 2） 饱和漏极电流IDSS 3） 漏源击穿电压U（BR）DS 4) 栅源击穿电压U（BR）GS 5） 直流输入电阻RGS 6） 最大耗散功率PDM 7） 跨导gm 在uDS为定值的条件下, 漏极电流变化量与引起这个 变化的栅源电压变化量之比, 称为跨导或互导, 即
常数 u GS
(3. 3)
iD / m A 5 4 3 2 1 0 2 4
恒 流 区 (放 大 区 )
u DS ＝ 0 V
可 变 电 阻 区
－1 V
－2 V －3 V －4 V
击 穿 区
6
8
10
12
14
16
18
u DS / V
夹断区
图 3.4 N沟道结型场效应管输出特性曲线
3.1.2 1. 增强型绝缘栅场效应管的结构及工作原理 1) 2)
（4） 在使用场效应管时, 要注意漏源电压、 漏源 电流及耗散功率等, 不要超过规定的最大允许值。
3.2 场效应管及其放大电路
与三极管一样, 根据输入、 输出回路公共端选
择不同, 将场效应管放大电路分成共源、 共漏和共 栅三种组态。 本节主要介绍常用的共源和共漏两种 放大电路。 3.2.1 1.
一个电极, 称为栅极, 用字母G(或g)表示。
d漏 极
耗 尽 层 d d g s s
g栅 极
P N
P
g
s源 极 (a) (b) (c)
图 3.1 (a) 结构; (b) N沟道结型场效应管符号; (b) (c) P沟道结型场效应
第三章场效应管及其放大电路
第三章 场效应管及其放大电路1. JEFT 有两种类型，分别是N 沟道结型场效应管和P 沟道结型场效应管2. 在JFET 中：（1） 沟道夹断：假设0=DS v ，如图所示。
由于 0=DS v ，漏极和源极间短路，使整个沟道内没有压降，即整个沟道内的电位与源极的相同。
令反偏的栅-源电压GS v 由零向负值增大，使PN 结处于反偏状态，此时，耗尽层将变宽；由于在结型场效应管制作中，P 区的浓度远大于N 区的浓度，所以，耗尽层主要在N 沟道内变宽，随着耗尽层宽度加大，沟道变窄，沟道内的电阻增大。
继续反响加大GS v ，耗尽层将在沟道内合拢，此时，沟道电阻將变的无穷大，这种现象成为沟道夹断（2）在DS v 较小时，DS v 的加大虽然会增大沟道内的电阻，但这种影响不是很明显，沟道仍处于比较宽的状态，即沟道的电阻在DS v 比较小的时候基本不变，此时加大DS v ，会使D i 迅速增加，D i 与DS v 近似为线性关系。
加大DS v ，沟道内的耗尽层会逐渐变宽，沟道电阻增加，D i 随DS v 的上升，速度会变缓。
当||P DSV v =时，楔形沟道会在A 点处合拢，这种现象称为预夹断。
3. 解：（1）（a ）为N 沟道场效应管 （b ）为P 沟道场效应管（2）（a ）V V P4-= （b ）V V P 4= （3）（a ）A I DSS 5= （b ）A I DSS 5-=（4）电压DS v 与电流D i 具有相同的极性且与GS v 极性相反，因而，电压DS v 的极性可根据D i 或GS v 的极性判断4.解：当JFET 工作在饱和区时，有关系式：2)1(PGS DSS D V V I i -= 5. 解：在P 沟道JFET 中，要求栅-源电压GS v 极性为正，漏源电压DS v 的极性为负，夹断电源P V 的极性为正6. 解：MOS 型场效应管的详细分类7. 解：耗尽型是指，当0=GS v 时，即形成沟道，加上正确的GS v 时，能使对数载流子流出沟道，因而“耗尽”了载流子，使管子转向截止。
《场效应管及其应用》课件
噪声大
可能是由于电路设计或元 件选择不当引起的，需要 优化电路设计和选择合适 的元件。
不稳定
可能是由于元件参数不匹 配或电路干扰引起的，需 要调整元件参数和采取抗 干扰措施。
05
场效应管的未来发展
新材料的应用
硅基材料
研究新型硅基材料，提高场效应 管的性能和稳定性，满足不同应 用场景的需求。
宽禁带半导体材料
通过在绝缘层上加电压，改变半导体表面附近的电荷分布，从而控制电流。
02
场效应管特性
转移特性
总结词
描述场效应管输入电压与输出电流之间的关系。
详细描述
转移特性描述了场效应管输入电压与输出电流之间的关系，它反映了场效应管内部电荷的积累和耗尽 过程。在转移特性曲线中，随着栅极电压的增加，漏极电流逐渐增大，表现出明显的非线性特性。
输出特性
总结词
描述场效应管输出电流与漏极电压之间的关系。
详细描述
输出特性描述了场效应管输出电流与漏极电压之间的关系。在一定的栅极电压下，随着漏极电压的增加，漏极电 流呈现出先增大后减小的变化趋势。在不同的栅极电压下，输出特性曲线呈现出不同的形状和特性。
噪声特性
总结词
描述场效应管内部噪声的来源和特性。
生物医疗领域
研究场效应管在生物医疗领域的应用，如生物传感器、医疗 设备等，提高医疗诊断和治疗的准确性和安全性。
谢谢观看
02
场效应管在音频放大器、功率放大器、运算放大器等模拟电路
中都有广泛应用。
此外，场效应管还可以用于模拟电路中的开关电路、振荡器等
03 。
在电源管理中的应用
场效应管在电源管理中常被用作 开关电源的开关管，实现电源的
通断控制。
场效应管及其应用
结构; (b) N沟道 结型场效应管符号;
g 栅极
d 漏极 耗尽层
P
P
g
N
s 源极 (a)
d s (b)
d g
s
(c)
P沟道结型场效应
图 3.1结型场效应管
(3. 1)
01 02 03
图3.2表示的是结型场效应管施加偏置电压后的 接线图。
场效应管的特性曲线分为转移特性曲线和输出特 性曲线。
在uDS一定时, 漏极电流iD与栅源电压uGS之间 的关系称为转移特性。 即
03 2 ）
场效应管放大电路的静态工作点可用式（3.4）或式 （3.5）与式（3.7）或式（3.8）联立求出UGSQ和IDQ, 漏源电压UDSQ由下式求得:
图3.12
场效应管 微变等效
id
d
电路
＋
g＋
uds
ugs
－
－
s
g＋ ugs
－ s
01
电压放大倍数:
02
(3. 10)
'03
输入电阻:
u iRR guR ( g od
iD d
－ UGG
＋
g
－
P
uGS ＋
P N
S
＋ Rd
＋
uDS
－ UDD
－
图3.2 N沟道结 型场效应管工作 原理
图3.3 N沟道结型场效 应管转移特性曲线
iD / m A
IDSS 5 4
3 u DS =1 2 V
2
1 U GS ( of f) －4 －3 －2 －1 0
u GS /V
单击此处添加小标题
u u g R u (1
') 壹
第3章场效应管及其放大电路ppt课件
3.2.2 JFET的工作原理
由上图可得： （1）UGS=0时，沟道存在且很宽。 （2）UP＜UGS＜0 时 ，沟 道 存在 但 变 窄，沟道电阻增大。 （3）UGS≥ UP时，沟道夹断。
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3.2.2 JFET的工作原理
改变栅源电压UGS的大小，可以 有效地控制沟道电阻的大小。
如果在漏源间加上固定电压UDS， 则漏极到源极的电流ID将受到UGS的控 制，|UDS|增大时，沟道电阻增大，电 流ID减小。
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3.2.1 JFET的结构与符号
一、结构及符号
N沟道结型场效应管的结构示意图和符号
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3.2.1 JFET的结构与符号
P沟道结型场效应管的结构示意图和符号
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3.2.2 JFET的工作原理
一、 UGS对ID的控制作用
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UGS对ID的控制作用原理图
• 3.3.1 场效应管与三极管的比较
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3.3.1 场效应管和三极管比较
（1）场效应管是一种压控器件，由栅源电压 UGS来控制漏极电流ID；而晶体三极管是电流 控制器件，通过基极电流IB控制集电极电流IC 。
（2）场效应管参与导电的载流子只有多子，称 为单极性器件；而晶体三极管除了多子参与 导电外，少子也参与导电，称为双极性器件 。
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3.2.3 JFET的伏安特性曲线
一、转移特性曲线
转移特性曲线 是输入电压uGS 对输出电流iD的 控制特性曲线。
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3.2.3 JFET的伏安特性曲线
二、输出特性曲线 输出特性表示 在 UGS 一 定 时 ， iD 与 uDS 之 间 的关系曲线.
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高起专网络教材—《模拟电子技术》－场效应管及其应用
主编：周雪，西安电子科技大学出版社
Frequently Asked Question（FAQ）
1.场效应管具有哪些优点？
解：场效应管不仅具有一般半导体三极管体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特点，而且还具有输入电阻高、噪声低、抗辐射能力强、功耗小、热稳定性好、制造工艺简单。
易于集成等优点。
2.JFET的栅极与沟道间的PN结在一般作为放大器件工作时，能用正向偏置吗？
BJT的发射结呢？
解：JFET工作时，栅极与沟道间的PN结要反向偏置。
而BJT工作时，发射结要正向偏置。
3.在低噪声电路的设计中，试说明为什么选用JFET而不用BJT？
解：JFET的一个优点是其噪声系数很小，可达1.5dB以下；而BJT的噪声系数比起JFET而言要高些。
因此，在低噪声电路的设计中要选用JFET而不用BJT。
4.场效应管的输出特性曲线分几部分？
解：输出特性曲线分四部分：可变电阻区、恒流区、击穿区和夹断区。
5.为什么MOSFET的输入电阻比JFET还高？
解：JFET的输入电阻从本质上来说是PN结的反向电阻，PN结反向偏置时总会有一些反向电流存在，这就限制了输入电阻的进一步提高。
而MOSFET是利用半导体表面的电场效应进行工作时。
由于它的栅极处于不导电状态，因此输入电阻大为提高。
6.JFET与耗尽型MOSFET同属于耗尽型，为什么JFET的V GS只能有一种极性，而
耗尽型MOSFET的V GS可以有两种极性？
解：以N沟道为例，N沟道JFET，当V GS>0时，将使PN结处于正向偏置而产生较大的栅流，破坏了它对漏极电流i0的控制作用。
但是N沟道耗尽型MOSFET在V as>0时，由于绝缘层的存在，并不会产生PN结的正向电流，而是在沟道中感应出更多的负电荷。
在V DS作用下，i0将有更大的数值。
所以，N沟道耗尽型MOSFET可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流。
7.试解释为什么N沟道增强型绝缘栅场效应管中，靠近漏极的导电沟道较窄，而
靠近源极的较宽？
解：当V GS>V GS(th)时，在源极与漏极间形成了自由电子导电沟道（反型层），在漏极电源V D的作用下，这些载流子由源极向漏极扩散，而源极区的自由电子不断向沟道内扩散，在靠近漏极的沟道内自由电子则漂移到漏极区被电源吸收，所以靠近漏极的导电沟道较窄，而靠近源极的较宽。
自由电子在沟道内扩散形成了梯度，所以沟道从源极到漏极是由宽度窄逐渐变化的。
8.为什么在场效应管低频放大电路中，输入端耦合电容通常取得较小（0.01 F～
0.047μF ），而在BJT 电路低频放大电路中往往取得较大（几到几十微法）？ 解：这是因为场效应管电路的输入电阻很大，即使电容很小，其容抗也无法与之相比拟，仍可以忽略不计。
而BJT 电路的输入电阻本身较小，只有当电容的容量很大时，其容抗才能忽略。
9. 请你总结一下场效应管的优点。
解：场效应管的优点有：①输入阻抗高；②噪音低；③热稳定性好；④抗辐射能力强；⑤能在微功耗下工作，工作电流仅为100uA 左右；⑥便于集成化。
10. 请你总结一下场效应管的缺点。
解：场效应管的缺点有：①工作频率低；②输出功率小；③饱和压降大。
11. 请你把场效应管与晶体三极管进行比较。
解：①输入电阻比较：普通三极管，因e 结处于正偏，所以R i 小，约1k 。
场效
应管，对于结型，输入端PN 结反偏，所以R i 较高，约107Ω。
对于绝缘栅型，因G
极处于绝缘状态，所以R i 极高，约910～1510Ω。
②普通三极管：双极型。
两种载
流子同时参与导电。
场效应管：单极型。
仅多数载流子参与导电。
③普通三极管的噪声系数N F 大于场效应管的噪声系数N F 。
其原因是晶体三极管中存在扩散噪声和分噪声。
④场应管的D 、S 极可互换，而晶体三极管，c 、e 不可互换，其原因是内部结构不同。
场效应管为电压控制器件，即I D =g m ·U gs ；而晶体三极管为电流控制器件，即I C =βI h 。
⑤场效应管的饱和压降大于晶体三极管的饱和压降。
⑥场效应管的频率特性不及晶体三极管。
其原因是场效应管的极间电容较大。
⑦场效应管的输入功率极小，输出功率也不及晶体三极管大。
12. 绝缘栅场效应管的栅极为什么不能开路？
解：因为SiO 2绝缘层厚度很薄，微小的感应电压便能产生很高的电场强度，以致使绝缘层击穿而损坏。
为使感应电荷得以释放，故栅源间应有释放通道，以所栅极不能开路。
13. 比较共源极场效应管放大电路和共发射极晶体管放大电路，在电路结构上有何
相似之处？为什么前者的输入电阻较高？
解：若共源极场效应管采用分压式偏置电路，则和分压式偏置电路的晶体管共射极放大电路在结构上是完全相似的。
但因场效应管本身是电压控制型，栅极无电流，故输入电阻很高，而释放电阻R G 也可选得秀大，因此具有较高的输入电阻。
14. 使用场效应管应注意的事项？
解：注意的事项如下：
1) MOS 管栅、漏极之间的电阻很高，使用栅极的感应电荷不易泄放，因极间电
容很小，故会造成电压过高使绝缘层击穿。
因此，保存MOS 管应使三个电极短接，避免栅极悬空。
焊接时，电烙铁的外壳应良好接地。
2) 有些场效应管将衬底引出，故有四个管脚，这种管子的漏极与源极可以互
换使用。
但有些场效应管在内部已将衬底与源极接在一起，只引出3个电
极，这种管子的漏极与源极不能互换。
3)使用场效应管时各极必须加正确的工作电压。
4)在使用场效应管时，要注意漏源电压、漏源电流及耗散功率等，不要超过
规定的最大允许值。
15.能否用万用表检测各类场效应管的性能？
解：可以用万用表测量结型场效应管的管脚，但不能用万用表进行检测MOS型场效应管效应管的管脚。
16.怎样对MOS型场效应管进行检测？
解：由于绝缘栅型MOS场效应管输入阻抗很高，不宜用万用表测量，必须用测试仪测量，而且测试仪必须良好接地，测试结束后应先短接各电极，以防外来电势将栅极击穿。
17.如何用万用表判别结型场效应管的管脚？
解：管脚的判别：首先确定栅极，将万用表置R×1KΩ或R×100Ω挡，用黑表笔棒接假设的栅极，再用红表笔棒分别接另外两脚。
若测得的电阻小，黑、红棒对调后阻值大，则假设的栅极正确，并知它是N沟道场效应管，反之为P沟道场效应管。
其次确定源极和漏极，对于结型场效应管，由于漏、源极是对称的，可以互换，因此，剩余的两只管脚中任意一只都可以作为源极或漏极。
18.如何用万用表判别结型场效应管性能的优劣
解：把万用表置R×1KΩ或R×100Ω挡，红、黑两表棒分别交替接源极和漏极，阻值均小。
随后将黑表棒接栅极，红表棒分别接源极和漏极，对N沟道，阻值应很小；对P沟道，阻值应很大。
再将红、黑表棒对调，测得的数值相反，这样的管子基本上是好的。
否则，要么击穿，要么短路。
19.为什么增强型绝缘栅场效应管放大电路无法采用自给偏置？
解：对N沟道管增强型场效应管的开启电压U GS(th)>0，而自给偏置只能获得负的偏置电压，U GS<0，因此管子无法开启。
对P沟道管而言，则相反，U GS(th)<0，而自给偏置又只能获得正的偏置电压，U GS>0，同样无法工作。
所以增强型管放大电路不能采用自给偏置。
20.场效应管有哪些分类？
解：场效应管的分类如下：
21.场效应管的工作原理。
解：场效应管的工作原理：外加电压改变导电沟道的宽度，以达到改变沟道电
阻，进而改变其中流过电流的大小。
22.请你绘出各种场效应管的特性曲线。
解：各种场效应管的特性曲线如下。
23.用来描述三极管器件的曲线有输入特性曲线和输出特性曲线，描述场效应管器
件的特性曲线呢？
解：由于场效应管在放大工作时，没有栅流，故它没有输入特性曲线，与之相对应的是转移特性曲线。
有输出特性曲线。
JFET的N沟道的特性曲线如下：
24.为什么说场效应管是电压控制器件？
解：当场效应管工作在恒流区时，流过漏极电流基本上只受控于栅源之间的电压而与加在漏源之间的电压无关，因此认为它是由栅源之间的电压来控制漏源之间的电流，属于VCCS器件。
25.下列图示所示的特性属哪种管型？
解：①为MOS耗尽型P沟道；②为MOS增强型N沟道；③为JFETN沟道。