模电第四章

图4-1 结型场效应管的结构示意图和符号
第四章 场效应管放大电路
4.1.2 工作原理
1. UGS对导电沟道的影响
ID＝0 D P＋ G N 型 沟 道 P＋ G P＋ D N 型 沟 道 P＋ G P＋ ID＝0 D P＋ ID＝0
S
U GS
S
U GS
S
(a) UGS ＝0
(b) UGS ＜0
(c) UGS ＝ －UP
第四章 场效应管放大电路
第四章 场效应管放大电路
4.1 结型场效应管
4.2 绝缘栅场效应管
4.3 场效应管的主要参数 4.4 场效应管的特点 4.5 场效应管放大电路
第四章 场效应管放大电路
三极管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。 绝缘栅场效应管 (MOS管) 结型场效应管
-
s
-
s
VDD VDD
VGG
g -
g -
-dd id
二氧化硅 二氧化硅
→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。
N ++ N
N++ N
P衬底 P衬底
b
b
第四章 场效应管放大电路
定义：
开启电压（ UT）——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。
第四章 场效应管放大电路
(4) 由于场效应管的结构对称, 有时漏极和源极可以互 换使用, 而各项指标基本上不受影响, 因此应用时比较方便、
灵活。
(5) 场效应管的制造工艺简单, 有利于大规模集成。 (6) 由于MOS场效应管的输入电阻可高达1015Ω, 因此, 由外界静电感应所产生的电荷不易泄漏, 而栅极上的SiO2绝 缘层又很薄, 这将在栅极上产生很高的电场强度, 以致引起
IDSS
(a) 转移特性
(b) 输出特性
图 4-11 N沟道耗尽型MOS场效应管的特性曲线
第四章 场效应管放大电路
P沟道MOSFET的工作原理与N沟道 MOSFET完全相同，只不过导电的载流子 不同，供电电压极性不同而已。这如同双极 型三极管有NPN型和PNP型一样。
第四章 场效应管放大电路
D G 衬底 S S D D
为当UDS 一定时,使ID 减小到某一个微小电流(如1μA,
50μA)时所需的UGS值。
第四章 场效应管放大电路
3. 开启电压UT

UT 是增强型场效应管的重要参数, 它的定义是当
UDS 一定时, 漏极电流ID 达到某一数值(例如10μA)时所
需加的UGS值。
第四章 场效应管放大电路
4. 直流输入电阻RGS RGS是栅、源之间所加电压与产生的栅极电流之
-N
截止区
第四章 场效应管放大电路
2. 转移特性曲线
I D f (U GS ) U DS 常数
IDSS
iD / m A 6 5 4
4V ＞
U GS I D I DSS 1 UP
U P＝－4 V －4

2
3 2 1
UD
S
－3
－2
－1
0 uGS / V
图4- 5 N沟道结型场效应管的转移特性曲线
2
图 4-6 由输出特性画转移特性
第四章 场效应管放大电路
4.2 绝缘栅场效应管
绝缘栅型场效应管 ( Metal Oxide Semiconductor FET)， 简称MOSFET。分为： g 漏极d 源极 s 栅极增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道
1.N沟道增强型MOS管 （1）结构 4个电极：漏极D， 源极S，栅极G和 衬底B。
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4.3 场效应管的主要参数
4.3.1 直流参数
1. 饱和漏极电流IDSS
IDSS是耗尽型和结型场效应管的一个重要参数, 它的
定义是当栅源之间的电压UGS等于零, 而漏、源之间的
电压UDS大于夹断电压UP时对应的漏极电流。
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2. 夹断电压UP

UP也是耗尽型和结型场效应管的重要参数, 其定义
比。由于栅极几乎不索取电流, 因此输入电阻很高。 结型为106 Ω以上, MOS管可达1010Ω以上。
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4.3.2 交流参数
1. 低频跨导gm
I D gm U GS
特性求得。
U DS 常数
跨导gm的单位是mA/V。它的值可由转移特性或输出
I D 2 I DSS U GS gm (1 ) U GS UP UP
预夹断
(c) UGS ≤ UP , UDG ＞|UP |
夹断
图 4-3 UDS对导电沟道和ID的影响
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4.1.3 特性曲线 根据工作情况, 输出特性可划分为4个区域, 即: 可 1.输出特性曲线 I D f (U DS ) U GS 常数 变电阻区、 恒流区、击穿区和截止区。
G
S
图 4-15 栅极过压保护电路
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4.5 场效应管放大电路
4.5.1 静态工作点与偏置电路
＋UDD RD D ＋ Ui －
·
UGS I D RS
C1 G S RG RS
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4.3.3 极限参数
1.漏极最大允许耗散功率PDm
PDm与ID、UDS有如下关系:
PDm I DU DS
这部分功率将转化为热能, 使管子的温度升高。PDm决
定于场效应管允许的最高温升。
2.漏、源间击穿电压BUDS
在场效应管输出特性曲线上, 当漏极电流ID急剧上升产生 雪崩击穿时的UDS。工作时外加在漏、源之间的电压不得超过 此值。
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iD / m A 4′ U DS＝U DS
1
iD / m A 6 5 4 3 2 1 2 1 8 U DS 12
1
6 5 4
4
U GS＝0
3′ U DS＝U DS 2′ UP －4 1′ －3 －2 －1
2
3
－1 V
3 2 1
－2 V －3 V －4 V uDS / V
0 uGS / V 0 U DS 4
iD / m A 6 5 4 3 2 1 0 RDS大 4 8 12 －2 V －3 V 16 20 24 U P＝－4 V BUDSS uDS / V 可变电阻区 恒流区(放大 区) RDS小 uGS＝0 V uDS＝uGS－U P －1V 击穿区
图 4 4 沟 道 结 型 场 效 应 管 的 输 出 特 性
JFET N沟道
JFET P沟道
iD + － G S
－
+
IDSS
D
iD iD + B S － O UT iD + iD B － UP O uGS iD O uGS IDSS
增强型 N MOS
+ －
G
u GS
uDS ＋2 V uGS＝0 V －2 V uGS＝U P＝－4 V
D
耗尽型 N MOS
+G － S
S G
掺杂在绝缘层 中的正离子 D
＋＋ ＋ ＋ ＋＋ ＋ ＋＋ ＋ ＋
N＋ N型沟道 P型衬底
N＋
- d
g
衬底引线
s
b
夹断电压（ UP）——沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS。
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iD 4 3 IDSS 2 1 UP O uGS 0
iD / m A ＋1 V UGS＝ 0 V －1 V －2 V －3 V 5 10 15 20 uDS / V
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3. 栅源间击穿电压BUGS 结型场效应管正常工作时, 栅、源之间的PN结处于反
向偏置状态, 若UGS过高, PN结将被击穿。 对于MOS场效应管, 由于栅极与沟道之间有一层很薄 的二氧化硅绝缘层, 当UGS过高时, 可能将SiO2绝缘层击穿, 使栅极与衬底发生短路。这种击穿不同于PN结击穿, 而和
G
衬底
G
S
(a) N沟道增强型
D G 衬底 S
(b) N沟道耗尽型
D
(c) N沟道MOS管简化符号
D
G
衬底 S
G
S
(d) P沟道增强型
(e) P沟道耗尽型
( f ) P沟道MOS管简化符号
图 4-12 MOS场效应管电路符号
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表4-1 各种场效应管的符号和特性曲线
类型 符号和极性
图4 – 9 N沟道增强型MOS场效应管的特性曲线
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4.2.2 N沟道耗尽型MOSFET
在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当 uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。
特点：
当uGS=0时，就有沟道， 加入uDS，就有iD。 当uGS＞0时，沟道增宽， iD进一步增加。 当uGS＜0时，沟道变窄， iD减小。 定义：
O
uDS
D
－ iD B S +
UT
－iD
uGS＝－6 V －5 V －4 V uGS＝U T＝－3 V
增强型 P MOS
－ +
G
O
－ uDS －iD
D
iD iD － B S + IDSS O
UP uGS
－2 V uGS＝0 V ＋2 V uGS＝U P＝＋4 V
耗尽型 P MOS
－G +
O
－ uDS
图 4-2 当UDS=0时UGS对导电沟道的影响示意
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2. ID与UDS、UGS之间的关系
D G
ID
D U DS G
ID
D G
ID
P
N
P
P
N
P
U DS
P
P
U DS
U GS S IS
DG ＜|UP |
(b) UGS ＜0 , UDG ＜|UP |
绝缘层击穿而损坏管子。
(7) 场效应管的跨导较小, 当组成放大电路时, 在相同的
负载电阻下, 电压放大倍数比双极型三极管低。
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iD
T1 T 1＞T 2＞T 3 T2 T3 零温度系数工作点
O
uGS
图 4 – 14 场效应管的零温度系数工作点
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D
R VD1 VD2
uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作
用下，漏极电流ID越大。
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3. 特性曲线
iD / m A UDS ＝UGS －U T 轨迹 可变电阻 恒流区 区
iD / m A
击穿区
10 A 0 UT uGS / V
0
UGS ＝U T
截止区
uDS / V
(a) 转移特性
(b) 输出特性
g
N+
N+
P衬底
- d s
衬底 b
-
符号：
b
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（2）工作原理
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↑
增强型
耗尽型 N沟道 P沟道
FET分类：
N沟道 P沟道 N沟道 P沟道
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4.1 结型场效应管
D 漏极 P＋ 栅极 G N 型 沟 道 源极 P＋ N＋ 栅极 G
D
漏极 N＋ P 型 沟 道 源极
D
D
S
S
G S
G S (d) P沟道
(a) N型沟道
(b) P型沟道
(c) N沟道
电容器击穿的情况类似, 属于破坏性击穿, 即栅、 源间发
生击穿, MOS管立即被损坏。
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4.4 场效应管的特点
(1) 场效应管是一种电压控制器件, 即通过UGS来控制ID。 (2) 场效应管输入端几乎没有电流, 所以其直流输入电 阻和交流输入电阻都非常高。 (3) 由于场效应管是利用多数载流子导电的, 因此, 与双 极性三极管相比, 具有噪声小、受幅射的影响小、热稳定性 较好而且存在零温度系数工作点等特性。
D + iD － + G S D － UP iD O O uGS O －iD UP uGS
转移特性
iD IDSS iD
输出特性
uGS＝0 V －1 V －2 V －3 V uGS＝U P＝－4 V uDS uGS＝0 V ＋1 V ＋2 V ＋3 V uGS＝U P＝＋4 V O iD － uDS uGS＝5 V 4V 3V uGS＝U T＝＋2 V O iD
第四章 场效应管放大电路
iD / m A
iD / m A
uDS＝常数
Q
ID
Q ID
UGS
O UGS uGS / V
O
uDS / V
(a) 转移特性
(b) 输出特性
4-13 根据场效应管的特性曲线求gm
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2. 极间电容
场效应管三个电极之间的电容,包括CGS 、CGD 和CDS。这些极间电容愈小, 则管子的高频性能愈好。 一般为几个pF。