场效应管放大电路

⑤ 直流输入电阻RGS： 对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω。
⑥ 最大漏源电压U(BR)DS
⑦ 最大栅源电压U(BR)GS
⑧ 最大漏极功耗PDM
1.4.2 绝缘栅型场效应管
绝缘栅型场效应管 ( Metal Oxide Semiconductor FET)，简称MOSFET。分为： 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道
s s s
动画2-9
3、栅源电压uGS和漏源电压uDS共同作用
iD=f（ uGS 、uDS）,可用两组特性曲线来描绘。
三、结型场效应管的伏安特性
1、输出特性曲线： iD=f（ uDS ）│uGS=常数
d
id
D
动画2-6
i (mA)
uGS uGS=0V
=0V
g
p+
p+
VDD
uGS uGS=-1V
=-1V
iG0
g、s间为反偏压（g为低电位、s为高电位）
d、s间为正偏压（d为高电位、s为低电位）
P沟道JFET正常放大时各电极电压极性
g、s间为正偏压（g为高电位、s为低电位） d、s间为反偏压（d为低电位、s为高电位）
四、 结型场效应管的主要参数
① 夹断电压UP (或UGS(off))： 漏极电流约为零时的UGS值 。
用下，漏极电流iD越大。
2、漏源电压uDS的控制作用
当uGS＞UT，且固定为某一值时，来分析漏源电压uDS对漏 极电流ID的影响。 u DS
–
+
S (a) 漏极电流iD>0 uDS增大，iD增大
–
uGS
+
G
D
iD>0
N+
(b) 沿沟道有电位梯度
N+
(d)沟道反型 层呈楔形
uDS
(c) 绝缘 层内不同 点的电场 强度不同, 左高右低
FET
结型场效应管 (JFET)
N沟道 P沟道
增强型 耗尽型 N沟道 P沟道 N沟道 P沟道
绝缘栅场效应管 (MOSFET)
1.4.1 结型场效应管
漏极d(Drain)
一、 结构与符号 两个PN结夹着一个N型沟道。 三个电极： g：栅极 栅极g(Gate) d：漏极 s：源极 符号： - d - d
uGS =5V uGS =4V uGS=3V
uDS (V)
uDS uGS UGS (th)
（c）夹断区（截止区）。
（d）击穿区。
夹断区
与JFET相比，两者结 三、增强型MOS场效应管的伏安特性 构不同，产生沟道的 方式不同。但都是利 用沟道导电，且外特 1、输出特性曲线：iD=f(uDS)uGS=const 性都表现为栅源电压 四个区： 控制漏极电流。 （a）可变电阻区 i D (mA) 可变电阻区 恒流区 （预夹断前）。 uGS=6V （b）恒流区也称饱和 区（预夹断 后）。 击穿区
双极型半导体三极管是由两种载 流子参与导电的半导体器件，它由两 个 PN 结组合而成，是一种CCCS器件。
半导体三极管有两大类型 一是双极型半导体三极管(BJT) 二是场效应半导体三极管(FET)
场效应型半导体三极管仅由一种 载流子参与导电，是一种VCCS器件。
1.4 场效应管
BJT是一种电流控制元件(iB~ iC)，工作时，多数载流子和少 数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。 场效应管（Field Effect Transistor简称FET）是一种电压控 制器件(uGS~ iD) ，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它 是单极型器件。 FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高 等优点，得到了广泛应用。
N+
N 沟 道
P
N沟道增强 型MOS管， 简称NMOS
1、栅源电压uGS的控制作用 当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在 d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。 当uGS＞0V时→纵向电场 →将靠近栅极下方的空穴向 下排斥→耗尽层。 再增加uGS→纵向电场↑ →将P区少子电子聚集到 P区表面→形成导电沟道， 如果此时加有漏源电压， 就可以形成漏极电流id。
iidd
②uDS↑→iD ↑ →靠近漏极处的耗尽层加宽， 沟道变窄，呈楔形分布。
饱和漏极 电流
g g
③当uDS ↑，使uGD=uG S- uDS=UP时， 在靠漏极处夹断——预夹断。
④uDS再↑，预夹断点下移。
p+ p+ p+ p+
N N
p+ p+ p+ p+
VDD VDD VDD
预夹断前， uDS↑→iD ↑。 预夹断后， uDS↑→iD 几乎不变。
二、工作原理
正常放大时外加偏置电压的要求：
UGS>0 UDS>0
以N沟道增强 型MOS管为 例
UDS>0
– S –u + G GS
N+
u DS
+
D
UGS>0
N+
P
1、栅源电压uGS的控制作用
(1). uGS=0 , uDS≠0 – S – uGS 0 + G
N+
u DS
+
D
N+ iD=0
②当│uGS│↑时，PN结反偏，耗尽层 变宽，导电沟道变窄，沟道电阻 增大。 ③当│uGS│↑到一定值时 ，沟道会完 全合拢。 定义： 夹断电压UP（UGS（off））——使导电 沟道完全合拢（消失）所需要的栅 源电压uGS。
VGG VGG
d d
gg
p++ p
p++ p
N N
ss
对于N沟道的JFET，UP <0。
VGG
uGS
uGS
s
=-2V =-3V
DS
设：UP= Hale Waihona Puke Baidu3V
u
四个区：
恒流区
（a）可变电阻区（预
夹断前）。 （b）恒流区也称饱和
D
可变电阻区
uDS=uGS-UP
i (mA)
uGS
=0V
击穿区
区（预夹断 后）。
uGS
=-1V
uDS uGS UGS (off )
恒流区的特点： △ iD /△ uGS = gm ≈常数 即： △ iD = gm △ uGS （放大原理） （c）夹断区。 夹断区
2、漏源电压uDS的控制作用 ③ 当uDS进一步增大 –
S (a) iD达到 最 大值且恒定
vDS
+
D iD>0
–
vGS
+
G
N+
N+
uDS
P
场效应管是利用栅极与 源极之间的电压控制漏 源电流的元件。
沟道夹断区 延长
栅极通过氧化物或绝缘体与沟道隔离， ∴栅极与衬底之间没有电流，即iG=0
影响。
动画2-5 当uGS＞UT，且固定为某一值时，漏源电压uDS对漏极电流ID的
④uDS再↑，预夹断点下移。
p+ p+ p+ p+
N N
p+ p+ p+ p+
VDD VDD VDD
预夹断前， uDS↑→iD ↑。 预夹断后， uDS↑→iD 几乎不变。
s s s
在漏源间加电压uDS ，令uGS =0 由于uGS =0，所以导电沟道最宽。 ①当uDS=0时， iD=0。
d d did
2、漏源电压uDS的控制作用 ② 当uGD=UT时
S (a) iD达到 最大值 (b) 管子 预夹断
即uGS-uDS=UT时, u DS + – –
uGS
+
G
D
iD>0
N+ uDS
N+ 沟道 在漏极端夹断
P
当UDS大于一定值后， SiO2层上的有效栅压小于形成反型层 所需的门限电压，则靠近漏端的反型层厚度减为零，出现沟 道夹断， iD将不再随UDS的增大而增大，趋于一饱和值。
动画2-4
-
s
-
s
VDD VDD
VGG
g -
g -
-dd id
二氧化硅 二氧化硅
N ++ N P衬 底 P衬 底
N++ N
b
b
定义：
开启电压 UT (UGS(th))——刚刚产生沟道所需的
栅源电压UGS。
N沟道增强型MOS管的基本特性： uGS ＜ UT，管子截止， uGS ＞UT，管子导通。
uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作
P
当UGS＞UT时，由于此时栅压较强，P型半导体表层中将聚 集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极连通。如果 此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流iD。
2、漏源电压uDS的控制作用 ① uDS升高 –
S
u DS
+
D iD>0 反型层变窄 即 沟道变窄
–
uGS
+
G
N+
N+
uDS
P 当UDS继续增加时，由于沟道电阻的存在，沟道上将产生压 降，使得电位从源极到漏极逐渐增大，从而使得SiO2 层上 的有效栅压从源极到漏极减小，反型层中的电子也将从源 极到漏极逐渐减少。
uGS
uGS
=-2V
=-3V
DS
u
（d）击穿区。
2、转移特性曲线： iD=f（ uGS ）│uDS=常数
动画2-7
可根据输出特性曲线作出转移特性曲线（在饱和区内）
iD I DSS (1
uGS U GS ( off )
UGS(off)
)2
(U GS ( off ) uGS 0)
N沟道JFET正常放大时各电极电压极性
s VDD - s VDD -d sVGG VDD g d -i d -d VGG VGG g g 二氧化硅
id id
二氧化硅 二氧化硅
N+ N+ N+ P衬 底 N+ N+
2、漏源电压uDS的控制作用
（a）uds=0时， id=0。 （b）uds ↑→id↑； 同时沟道靠漏区变窄。 （c）当uds增加到使ugd=UT时， 沟道靠漏区夹断，称为预夹断。 （d）uds再增加，预夹断区 加长， uds增加的部分基本降 落在随之加长的夹断沟道上， id基本不变。
g
g
-
p+
p+
N
-
s N沟道
-
s P沟道
源极s(Source)
-
动画2-8
二、工作原理
d
正常放大时外加偏置电压的要求
UGS<0，使栅极PN结反偏，iG=0 UDS>0，以形成漏电流iD
VGG
g
p+
p+
N
s
二、工作原理 1、栅源电压对沟道的控制作用
在栅源间加负电压uGS ，令uDS =0
①当uGS=0时，导电沟道最宽。
② 饱和漏极电流IDSS： ③ 低频跨导gm：
UGS=0时对应的漏极电流。
U DS
或
u GS 2 I DSS (1 ) UP gm U P u GS 0时） （当 UP 低频跨导反映了uGS对iD的控制作用。gm可以
iD gm u GS
在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。 u DS ④ 输出电阻rds：rds U iD GS
一、结构和符号
SiO2保护层
Al 引出两个电极 引出栅极
S
G
D
N+
两边扩散两个高 浓度的N区
N+
形成两个PN结
以P型半导体作衬底 P
从衬底引出电极
管子组成→ a. 金属（Metal） b. 氧化物(Oxide) c.半导体(Semiconductor) 故称为MOS管
一、结构和符号
4个电极：漏极D， 源极S，栅极G和 衬底B。
2、漏源电压对沟道的控制作用
在漏源间加电压uDS ，令uGS =0 由于uGS =0，所以导电沟道最宽。 ①当uDS=0时， iD=0。 ②uDS↑→iD ↑ →靠近漏极处的耗尽层加宽， 沟道变窄，呈楔形分布。
d d did
iidd
g g
③当uDS ↑，使uGD=uG S- uDS=UP时， 在靠漏极处夹断——预夹断。
结型场效应三极管JFET又分为
N沟道、P沟道
2）绝缘栅型场效应三极管IGFET ( Insulated Gate Field Effect Transister) IGFET也称金属氧化物半导体三极管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）
绝缘栅型场效应三极管（MOSFET）分为 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道
P衬 底 P衬 底
b b
D G
S
电路符号
虚线表示沟道在施加外电压后才形成←增强型 箭头朝里表示N沟道；
三、增强型MOS场效应管的伏安特性
1、输出特性曲线：iD=f(uDS)uGS=const
四个区：
（a）可变电阻区 i D (mA) 可变电阻区 （预夹断前）。 （b）恒流区也称饱和 区（预夹断 后）。 恒流区 uGS=6V 击穿区
P
当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管， 在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。
1、栅源电压uGS的控制作用
(2). uGS >0 ,uDS =0 – uDS 0
S
+
G D iD=0
– u + GS
N+
N+
产生垂直向下的电场
P
1、栅源电压uGS的控制作用
电场排斥空穴 – uDS 0
• 场效应管的特点
1）压控器件：输入电压控制输出电流的半导体器件。 2）输入阻抗高 3）抗辐射能力强：因为是单极型器件（由一种载流子参与 导电的半导体器件） 4）结构简单，便于集成
• 场效应管的分类及符号
1）结型场效应三极管JFET (Junction type Field Effect Transister)
S
+
G D iD=0
– u + GS
N+
N+
形成耗 尽层
P
吸引电子
当0＜UGS ＜UT 时，SiO2中产生一垂直于表面的电场，P型表 面上感应出现许多电子，但电子数量有限，不能形成沟道。
1、栅源电压uGS的控制作用
当uGS =UT时
S
UT：门限电压
– –
uDS 0
uGS
+
G D iD=0
+
N+ 出现反型层， 形成导电沟道