第五章 场效应管 模拟电子技术基础教案

A
当VDS为0或 较小时， VGD＞VT， 此时VDS 基 本均匀降落 在沟道中， 沟道呈斜线 分布。
当VDS增加到使VGDVT时， 当VDS增加到使 VGD=VT时，漏极处沟道 预夹断点向源极端延伸成小的 将缩减到刚刚开启的情 夹断区。由于预夹断区呈现高 况，称为预夹断。源区 阻，而未夹断沟道部分为低阻， 的自由电子在VDS电场 因此， VDS增加的部分基本上 力的作用下，仍能沿着 降落在该夹断区内，而沟道中 沟道向漏端漂移，一旦 的电场力基本不变，漂移电流 到达预夹断区的边界处， 基本不变，所以，从漏端沟道 就能被预夹断区内的电 出现预夹断点开始， ID基本不 场力扫至漏区，形成漏 随VDS增加而变化。 极电流。
场效应三极管的参数和型号
一、 场效应三极管的参数 1. 开启电压VT
开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压 小于开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。
夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VP时, 漏极 电流为零。 3. 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管, 当VGS=0时所对应的漏 极电流。
通过栅极和衬底间的电容作用，将栅极下方P型衬底 表层的空穴向下排斥，同时，使两个N区和衬底中的 自由电子吸向衬底表层，并与空穴复合而消失，结 果在衬底表面形成一薄层负离子的耗尽层。漏源间仍 无载流子的通道。管子仍不能导通，处于截止状态。
1 . 栅源电压VGS的控制作用
当VGS＞VT时，衬底中的电子
V
V
DS
GS
VP
(2)源端沟道予夹断
V GS V P
特点:
可变电阻区
(1)当vGS 为定值时,iD 是 vDS 的线性函数，管子的 漏源间呈现为线性电阻， 且其阻值受 vGS 控制。 （2）管压降vDS 很小。 条件：源端与漏端沟道都不夹断
V
GS
VP
V
DS
V GS V P
用途：做压控线性电阻和无触点的、闭合状态 的电子开关。
耗尽型MOSFET
N沟道耗尽型MOS管，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺 入了大量的金属正离子，在管子制造过程中，这些正离子已 经在漏源之间的衬底表面感应出反型层，形成了导电沟道。 因此，使用时无须加开启电压（VGS=0），只要加漏源电压， 就会有漏极电流。当VGS＞0 时，将使ID进一步增加。VGS＜0 时，随着VGS 的减小ID 逐渐减小，直至 ID=0。对应ID=0 的 VGS 值为夹断电压 VP 。
N S 源极
2.工作原Leabharlann （working principle ）
N沟道场效应管工作时， 在栅极与源极之间加负电 压，栅极与沟道之间的PN 结为反偏。 在漏极、源极之间加一 定正电压，使N沟道中的 多数载流子(电子)由源极 向漏极漂移，形成iD。iD 的大小受VGS的控制。
N 沟道 PN结
P沟道场效应管工作时，极性 相反，沟道中的多子为空穴。
夹断区 特点：i 0 条件：整个沟道都夹断
D
V
GS
VP
用途：做无触点的、 接通状态的电子开关。 击穿区 当漏源电压增大到 V V 时，漏端PN结发 生雪崩击穿，使iD 剧增的区域。其值一般为 （20— 50）V之间。由于VGD=VGS-VDS, 故vGS越负， 对应的VP就越小。管子不能在击穿区工作。
进一步被吸至栅极下方的P型 衬底表层，使衬底表层中的自 由电子数量大于空穴数量，该 薄层转换为N型半导体，称此
V
DS
ID
为反型层。形成N源区到N漏
区 的N型沟道。把开始形成反型层的VGS值称为该管的开启 电压VT。这时，若在漏源间加电压 VDS，就能产生漏极 电流 I D，即管子开启。 VGS值越大，沟道内自由电子越多， 沟道电阻越小，在同样 VDS 电压作用下， I D 越大。这样， 就实现了输入电压 VGS 对输出电流 I D 的控制。
第二种命名方法是CS××#，CS代表场效应管， ××以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型 号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。
双极型和场效应型三极管的比较
双极型三极管 载流子 输入量 控制 多子扩散少子漂移 电流输入 电流控制电流源 单极型场效应管 少子漂移 电压输入 电压控制电流源
+ uo
C1 + ui
—
g
T
s
C2
UGS =
- IDR
Rg
ID
R C
U GS 2 I D I DSS (1 ) UP
可解出Q点的UGS 、 ID UDS =VDD- ID (Rd + R )
—
UGS =- IDR
再求：
注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。
2.分压式自偏压电路
结型场效应管工作原理
N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电 流 ID 的。(VCCS)
D 漏极 耗尽层
栅极
G P+
N 型 沟 道
P+
*在栅极和源极之间 加反向电压，耗尽层会变 宽，导电沟道宽度减小， 使沟道本身的电阻值增大， 漏极电流 ID 减小，反之， 漏极 ID 电流将增加。 *耗尽层的宽度改变 主要在沟道区。
6.最大漏极功耗PDM
(2) 场效应三极管的型号 场效应三极管的型号, 现行有两种命名方法。其一 是与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场 效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表 材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P 沟道。如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管， 3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。
特点：
1. 单极性器件(每个FET中只有一种载流子导电)
2. 输入电阻高
(107 1015 ，IGFET 可高达 1015 )
3. 工艺简单、易集成、功耗小、 体积小、成本低
场效应三极管
场效应管：一种载流子参与导电，利用输入回路的电场 效应来控制输出回路电流的三极管，又称单极型三极管。 单极型器件(一种载流子导电)；
输入电阻
噪声 静电影响
几十到几千欧
较大 不受静电影响
几兆欧以上
较小 易受静电影响
制造工艺
不宜大规模集成
适宜大规模和超大 规模集成
5. 3 场效应管放大电路 5.3.1静态分析
一. 直流偏置电路 保证管子工作在饱和区，输出信 号不失真 1.自偏压电路
+ VDD Rd
d
计算Q点：UGS 、 ID 、UDS 已知UP ，由
特点
输入电阻高；
工艺简单、易集成、功耗小、体积小、 成本低。
场效应管分类
结型场效应管 绝缘栅场效应管
5.1 结型场效应管Junction Field Effect Transistor
1、结构
D
P 型区 栅极 G 漏极 耗尽层 (PN 结)
符 号
箭头：PN
P+
N 型 沟 道
P+
N
N型硅棒 图5.1.1 S 源极
第五章
场效应管
引 言 5.1 结型场效应管 5.2 MOS 场效应管 5.3 场效应管的主要参数
引 言
场效应管 FET (Field Effect Transistor)
类型：
结型 JFET (Junction Field Effect Transistor) 绝缘栅型 IGFET(Insulated Gate FET)
T
s
可解出Q点的UGS 、 ID 再求： UDS =VDD- ID (Rd + R )
Rg3 R
C
—
该电路产生的栅源电压可正可负， 所以适用于所有的场效应管电路。
5. 3.2 场效应管的交流小信号模型
与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件，在交流小信号 情况下，也可以由它的线性等效电路—交流小信号模型来代替。
DS ( BR ) DS
②转移特性曲线
i
D
f (VGS ) V
DS C
输入电压VGS对输出漏极电流ID的控制
iD / vGS Q diD / dvGS Q g m ms
5.2金属-氧化物-半导体场效应管
绝缘栅型场效应管Metal Oxide Semiconductor —— MOSFET 分为 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道
U GS U G U S
Rg2 Rg1 Rg2 VDD I D R
计算Q点：
已知UP ，由
U GS Rg2 Rg1 Rg2 VDD I D R
Rd Rg1 C1 + ui Rg2
—
+ VDD C2 + uo
d g
U GS 2 I D I DSS (1 ) UP
在漏极和源极之间加上 一个正向电压，N 型半导体 中多数载流子电子可以导电。 导电沟道是 N 型的，称 N 沟道结型场效应管。箭头方 向表示栅结正偏或正偏时栅 极电流方向。
N 沟道结型场效应管结构图
P 沟道场效应管
D G
D
S
P
N+
G
型 沟 道
N+
箭头：PN
符号
S
P 沟道结型场效应管结构图
P 沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺杂的 N 型区(N+)，导电沟道为 P 型，多数载流子为空穴。箭 头方向表示栅结正偏或正偏 时栅极电流方向。
MOSFET的特性曲线
1.漏极输出特性曲线
V
DS
V GS V T
2.转移特性曲线— VGS对I 的控制特性
D
ID=f(VGS)VDS=常数 转移特性曲线的斜 率 gm 的大小反映了栅 源电压对漏极电流的控 制作用。 其量纲为 mA/V，称gm为跨导。 gm=ID/VGSQ （mS)