第4章 (72) 场效应管放大电路

第4章 场效应管放大电路
4.0 场效应管的引入 4.1 结型场效应管 4.2 绝缘栅场效应管 4.3 场效应管主要参数 4.4 场效应管的特点 4.5 场效应管放大电路
场效应管的引入
用作放大的双极型三极管，由于它的输入 回路属于PN结(Je)的正向接法，当有电压信号输 入时，必然要伴随着有一定的输入电流iB ，这 在某种应用场合中，将导致较大的误差，因此 要采取各种措施来减小它。其中一个带有根本 的措施，就是改用另一种器件-----场效应管。
N区
两侧正负离子数目应相等
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当N沟道JFET工作时，需： 沟道JFET工作时， JFET工作时 在栅极和源极 间加一个负电压 ),使栅极 (vGS<0),使栅极 ), 与N沟道间的PN 沟道间的PN 结反偏， 结反偏，则场效 应管呈现出很高 的输入电阻， 的输入电阻，Ri 可达10 可达107Ω以上
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2. vDS对iD的影响
这里要讨论的关系是： 这里要讨论的关系是：
vGS g
d
+
vDS
i D = f (v DS ) v
GS
= 常数
s
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在漏源间加电压v 为便于讨论，先令v 在漏源间加电压 DS ，为便于讨论，先令 GS =0 由于vGS=0，所以导电沟道最宽。 由于 ，所以导电沟道最宽。 导电沟道最宽 ①当vDS=0时， iD=0。 时 。
d
g
│↑到一定值 ③当│vGS│↑到一定值 沟道会完全合拢。 时 ，沟道会完全合拢。
夹断电压VP ——使导电沟道 使导电沟道 完全合拢（消失） 完全合拢（消失）所需要的栅 源电压v 源电压 GS。
p+
p+
VGG
N
s
注意
对于N沟道JFET，VP<0
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可以归纳， 可以归纳，vDS＝0时vGS对导电沟道的控制作用： 时 对导电沟道的控制作用：
电阻比沟道电阻大很多，故 ①当vDS=0时， iD=0。 时 。 VDS增加时，其变化量几乎全 ↑→i ②vDS↑→ D↑ 部降在耗尽层上，在VGS 一定 靠近漏极处的耗尽层加宽， →靠近漏极处的耗尽层加宽， 时，使得沟道两端的电压基 沟道变窄， 沟道变窄，呈楔形分布 本不变。故iD趋于饱和。 ③当vDS↑，使vGD=vGS- vDS=- vDS =VP时，在靠漏极 点处夹断 在靠漏极A点处夹断 ——预夹断。 预夹断。 预夹断
vGS g
d
+
vDS
s
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当N沟道JFET工作时，需： 沟道JFET工作时， JFET工作时 在漏极和源极 间加一个正电压 ),使 (vDS>0),使N沟 ), 道中电子在电场 作用下由源极向 漏极运动， 漏极运动，形成 电流i 电流 D。 iD的大小受 GS控制 的大小受v
vGS g
d +
iD
+
vDS
梯形分布： 梯形分布：因为沟道中各 点与栅极间的电压不相等， 点与栅极间的电压不相等， 越靠近D极 反向电压越大。 越靠近 极，反向电压越大。 所以相应的耗尽层就越宽。 所以相应的耗尽层就越宽。 反之则反之。 反之则反之。
g
p+ p+
VDD
N
s
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在漏源间加电压v 为便于讨论，先令v 在漏源间加电压 DS ，为便于讨论，先令 GS =0 由于vGS=0，所以导电沟道最宽。 由于 ，所以导电沟道最宽。
4.1结型 结型 场效应管
4.1 结型场效应管
栅极， 栅极，用G 或 源极， 源极，用S或s表示 g表示 或 表示 表示 漏极， 漏极，用 D或d表示 或 表示
1. 结构 ( 剖面图 剖面图)
N型导电沟道 型导电沟道 符号
P型区 P型区 型区 型区
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工作原理
以N沟道JFET为例： 漏极 耗尽层 P+
P
开启电压U 的几种定义： 开启电压 T 的几种定义： （它是增强型MOS管的的参数） 当UDS一定时，使ID到达某一个数值时所需的UGS。 刚刚产生沟道所需的栅源电压UGS。 在规定的漏源电压下，使漏，源电流达到规定值的栅，源电压。
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应用
日本尼康公司的D2H单反数字相机中使用了一种新 型的固体图像传感器LBCAST JFET。
热激发出少 数载流子
vDS很小时 即预夹断前 ，ID与vDS成正比，呈纯阻性 很小时(即预夹断前 即预夹断前)， 成正比， 预夹断时，当vDS到一定程度，ID=IDSS(最大饱和电流 预夹断时， 一定程度， 最大饱和电流) 最大饱和电流 vDS继续增加，ID不变 继续增加， vDS再增加，当vDS＝V(BR)DS时击穿， ID↑↑ 再增加， 时击穿，
i D = I D SS ( uGS - 1 )2 UP I D SS 是 uGS = 0时，当VDS> U 时的iD
P
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* 夹断电压U 夹断电压
的几种定义： 的几种定义 （它是结型场效应管（只有耗尽型）和耗尽型MOS管的参数） 当UDS一定时，使ID减小到一个微小的电流时所需的UGS 。 沟道刚刚消失所需的栅源电压UGS 。 当VDS=10V，ID=50mA时的VGS值。 在规定的漏源电压下，使漏，源电流下降到规定值的栅，源电 压。 当UGS=UP时，ID=0。 对应ID="0"的VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表示，有时也用 VP表示。
VGG
d
g
p+ p+
N
s
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在栅源间加负电压v 为便于讨论，先令v 在栅源间加负电压 GS，为便于讨论，先令 DS =0
①当vGS=0时，为平衡 结， 时 为平衡PN结 导电沟道最宽。 导电沟道最宽。 结反偏， ②当│vGS│↑时，PN结反偏， 时 结反偏 耗尽层变宽，导电沟道变窄， 耗尽层变宽，导电沟道变窄， 沟道电阻增大。 沟道电阻增大。
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4.1结型 结型 场效应管
（4）BJT的输入回路中，Je为正偏，所以iB≠ 0；而JFET 的输入回路中，PN结必须反偏，所以iG≈ 0。 （5）由于沟道的存在，VDS就不会很大，所以它对导电 沟道的靠拢作用和VGS相比居于次要地位，即沟道的电阻 主要由VGS决定。VGS一定，沟道电阻就基本一定，漏电 流ID就基本上与VDS成正比（可变电阻区）。
+ + --- + -+ - + -+ -- - + + + + + + + + + + --+ ++ + - -+ + + +
P+
N
栅极
源极
5
P+区内侧与P+区和N沟道交界侧PN结形成比较：
可见P+区内侧耗 尽层非常窄，故 分析时各教材往 P+区 往都不画出这部 分PN结。
- ++ + - ++ + - ++ + -
本质：提高输入电阻 本质：
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场效应管分类： 场效应管分类：
JFET 耗尽型） 结型 （耗尽型） FET 场效应管 Байду номын сангаасOSFET (IGFET) 绝缘栅型 增强型 N沟道 沟道 P沟道 沟道 N沟道 沟道 P沟道 沟道 N沟道 沟道 P沟道 沟道
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耗尽型
常用!因为导通电阻小， 常用 因为导通电阻小，且容易制造 因为导通电阻小
为一固定常数时， 当vGS为一固定常数时，VP=vGD=vGS- vDS 典型值： （典型值：-1~ -10V） ）
VDD
p+
N
s
表示栅源极间短路 17
在漏源间加电压v 为便于讨论，先令v 在漏源间加电压 DS ，为便于讨论，先令 GS =0 由于v预夹断后，因为耗尽层 由于 GS=0，所以导电沟道最宽。 ，所以导电沟道最宽。
4.1结型 结型 场效应管
课本 P145 3.结构、工作原理动画 结构、 结构 注意 JFET 结构示意图动画 结构示意图动画 JFET 工作原理动画 工作原理动画
工作原理详见课本。要点： （1）VDS=0，随着 V GS 的增大，因为P区为P+区，浓度高于N区，所以 PN结主要向N区扩展。 （2）预夹断后，因为耗尽层电阻比沟道电阻大很多，故VDS增加时， 其变化量几乎全部降在耗尽层上，在 V GS 一定时，使得沟道两端的电压基 本不变。iD趋于饱和。 （3）预夹断后，随着VDS的增加，由于夹断处场强也增大，仍能将电 子拉过夹断区（耗尽层）。这和NPN三极管的JC相似。
4.输出特性、转移特性 输出特性、 输出特性
课本 P148 JFET 输出特性动画 输出特性动画 JFET 转移特性动画 转移特性动画
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4.1结型 结型 场效应管
综上分析可知
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iG≈0，输入电阻很高,107 以上。 JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制。 预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于饱和 (恒流区 恒流区)。近似公式： 恒流区
①当vDS=0时，iD=0。 时 。 ↑→i ②vDS↑→ D↑ 注意： 注意：该结一 靠近漏极处的耗尽层加宽， →靠近漏极处的耗尽层加宽， ！ 定要反偏！ 定要反偏 沟道变窄， 沟道变窄，呈楔形分布
d
id
A
g
p+
③当vDS↑，使vGD=vGS- vDS =-vDS= VP时，在靠漏极A 在靠漏极 点处夹断——预夹断。 预夹断。 点处夹断 预夹断 此时i 达到了饱和漏电流 饱和漏电流I 此时 D达到了饱和漏电流 DSS