chap5 场效应管及其放大电路

2. 工作原理（P227）
（1）vGS对iD的控制作用
上述分析表明: (a)改变栅源电压vGS的大小，可以有效地控制沟道电阻的大小。 (b)若同时在漏源-极间加上固定的正向电压vDS，则漏极电流iD将受 vGS的控制，|vGS|增大时，沟道电阻增大，iD减小。 (c)上述效应也可以看作是栅-源极间的偏置电压在沟道两边建立了 电场，电场强度的大小控制了沟道的宽度，即控制了沟道电阻 的大小，从而控制了漏极电流iD的大小。
结型场效应管的工作状态可划分为四个区域。 (a) 可变电阻区 可变电阻区位于输出特性曲线的起始部分，它表示vDS较小、管子预夹断前 ，电压vDS与漏极电流iD间的关系。 在此区域内有VP＜vGS≤0，vDS＜vGS－VP。当vGS一定，vDS较小时，vDS对沟 道影响不大，沟道电阻基本不变，iD与vDS之间基本呈线性关系。若 | vGS | 增加，则沟道电阻增大，输出特性曲线斜率减小。所以，在vDS较小时，源漏极间可以看作是一个受vGS控制的可变电阻，故称这一区域为可变电阻区。 这一特点常使结型场效应管被作为压控电阻而广泛应用。
iD = I D SS
vGS 2 (1 − ) Vp
(VP＜vGS≤0)
式中IDSS为vGS=0，vDS≥0 时的漏极电流，称为饱和漏极电流。
4.结型场效应管主要参数 结型场效应管主要参数 (1). 夹断电压VP 当vDS为某一固定值(例如10V)，使iD等于某一微小电流(例如50mA)时，栅-源极 间所加的电压即夹断电压。 (2). 饱和漏极电流IDSS 在vGS=0的条件下，场效应管发生预夹断时的漏极电流。 IDSS是结型场效管管 子所能输出的最大电流。 (3). 直流输入电阻RGS 它是在漏-源极间短路的条件下，栅-源极间加一定电压时，栅-源极间的直流电 阻。 (4). 低频跨导gm 当vDS为常数时，漏极电流的微小变化量与栅-源电压vGS的微小变化量之比为 跨导，即
gm反映了栅-源电压对漏极电流的控制能力，是表征场效应管放大能 力的一个重要参数。单位为西门子(s)，有时也用ms或?s表示。在放大 电路中，场效应管工作在饱和区(恒流区)，gm可由式求得，即
金属-氧化物5.1 金属-氧化物-半导体场效应管

结型场效应管输入电阻：106欧姆～ 109欧姆 金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）输入电阻： 1015欧姆 MOSFET又称MOS管。 MOS管分类：N沟道、P沟道，且每一类又分为增强型、 耗尽型。 增强型MOS管在vGS=0时，没有导电沟道 耗尽型MOS管在vGS=0时，有导电沟道
2. 工作原理（P226）
在vGS、 vDS两个电源的作用下,iD的大小主要受栅-源电压vGS控制， 同时也受漏-源电压vDS的影响。 因此，讨论场效应管的工作原理就是： 讨论栅-源电压vGS对漏极电流iD（或沟道电阻）的控制作用； 讨论漏-源电压vDS对漏极电流iD的影响。
2. 工作原理（P227）
2.N沟道结场效应管原理
（2） vDS对iD的影响（设vGS值固定，且VP<vGS<0。） 的影响（ (b) 当vDS增加到vDS=vGS-VP，即vGD=vGS -vDS=VP(夹断电压)时，沟
道预夹断此时,漏极附近的耗尽层即在A点处合拢，如图(b)所示， 这种状态称为预夹断。与前面讲过的整个沟道全被夹断不同，预夹 断后，漏极电流iD≠0。因为这时沟道仍然存在，沟道内的电场仍 能使多数载流子(电子)作漂移运动，并被强电场拉向漏极。
5.3.1 JFET的结构
N沟道JFET的结构剖面图如图 图中衬底和顶部的中间都是P型半导体，它们连接在一起（图中 未画出）作为栅极g。两个N区分别作为源极s和漏极d。三个电极s、 g、d分别由不同的铝接触层引出。
5.3.1 JFET的结构
P沟道结场效应管
如果在一块P型半导体 的两边各扩散一个高杂 质浓度的N区，就可以 制成一个P沟道的结型 场效应管。P沟道结型 场效应管的结构示意图 和它在电路中的代表符 号如图所示。
2.N沟道结场效应管原理
（2） vDS对iD的影响（设vGS值固定，且VP<vGS<0。） 的影响（ 当漏-源电压vDS从零开始增大时，沟道中有电流iD流过。在vDS的作 用下,导电沟道呈楔形：由于沟道存在一定的电阻，因此，iD沿沟 道产生的电压降使沟道内各点的电位不再相等，漏极端电位最高， 源极端电位最低。这就使栅极与沟道内各点间的电位差不再相等， 其绝对值沿沟道从漏极到源极逐渐减小，在漏极端最大(为 |vGD| )，即加到该处PN结上的反偏电压最大，这使得沟道两侧的耗尽层 从源极到漏极逐渐加宽，沟道宽度不再均匀，而呈楔形，如图(a) 所示。
（1）vGS对iD的控制作用（为便于讨论，先假设漏-源极间所加的电压vDS=0。） (a) 当vGS=0时，沟道较宽，其电阻较小，如图(a)所示。 (b) 当vGS<0，且其大小增加时，在这个反偏电压的作用下，两个PN结耗尽 层将加宽。由于N区掺杂浓度小于P区，因此，随着|vGS| 的增加，耗尽层将 主要向N沟道中扩展，使沟道变窄，沟道电阻增大，如图(b)所示。 (c) |v (c)当|vGS| 进一步增大到一定值|VP| 时，两侧的耗尽层将合拢，沟道被夹断， |V 如图(c)所示。由于耗尽层中没有载流子，因此这时漏-源极间的电阻将趋 于无穷大，即使加上一定的电压vDS，漏极电流iD也将为零。这时的栅-源 电压vGS称为夹断电压，用VP表示。
引言
2.场效应管的分类
根据结构和工作原理的不同，场效应管可分为两大类： (1)结型场效应管(JFET) (2)金属－氧化物－半导体场效应管(MOSFET)。
3.本章内容
(1) JFET的结构、工作原理、特性曲线和主要参数 (2) MOSFET的结构、工作原理、特性曲线和主要参数 (3)场效应管放大电路。
Chap5 场效应管及其放大电路
常熟理工学院 物理与电子科学系 2006.11
场效应管(FET) Field Effect Transistor FET是电压控 制电流型器件 分类
MOSFET JFET 场效应管
引言
1.场效应管的特点
(1)它是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其 导电能力的半导体器件。 (2)它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、 寿命长等优点， (3)还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、 噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。 (4)在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应 用。
(b) 饱和区(恒流区、线性放大区) 当VP＜vGS≤0且vDS≥vGS－VP时，N沟道结型场效应管进入饱和区，即 图中特性曲线近似水平的部分。它表示管子预夹断后，电压vDS与漏极电 流iD间的关系。饱和区的特点是iD几乎不随vDS的变化而变化，iD已趋于 饱和，但它受vGS的控制。 增加，沟道电阻增加，iD减小。场效应管作 线性放大器件用时，就工作在饱和区。 图1中左边的虚线是可变电阻区与饱和区的分界线，是结型场效应管 的预夹断点（vDS=vGS-VP）的轨迹。显然，预夹断点随vGS改变而变化， vGS愈负，预夹断时的vDS越小。 (c) 击穿区 管子预夹断后，若vDS继续增大，当栅-漏极间P+N结上的反偏电压vGD 增大到使P+N结发生击穿时，iD将急剧上升，特性曲线进入击穿区。管 子被击穿后再不能正常工作。 (d) 截止区(又称夹断区) 当栅-源电压 ∣vGS ∣>Vp 时，沟道全部被夹断，iD≈0，这时场效应 管处于截止状态。截止区处于输出特性曲线图的横座标轴附近(图1中未 标注)。
2.N沟道结场效应管原理
（2） vDS对iD的影响（设vGS值固定，且VP<vGS<0。） 的影响（
从结型场效应管正常工作时的原理可知： ① 结型场效应管栅极与沟道之间的PN结是反向偏置的，因此，栅极电 流iG≈0，输入阻抗很高。 ② 漏极电流受栅-源电压vGS控制，所以场效应管是电压控制电流器件。 ③ 预夹断前，即vDS较小时，iD与vDS间基本呈线性关系；预夹断后，iD 趋于饱和。
2.N沟道结场效应管原理
（2） vDS对iD的影响（设vGS值固定，且VP<vGS<0。） 的影响（ (c) 若vDS继续增加，使vDS＞vGS－VP,即vGD＜VP时，耗尽层合拢部分会有增
加，即自A点向源极方向延伸，如图(c)，夹断区的电阻越来越大，但漏极 电流iD不随vDS的增加而增加,基本上趋于饱和，因为这时夹断区电阻很大， vDS的增加量主要降落在夹断区电阻上，沟道电场强度增加不多，因而iD基 本不变。但当vDS增加到大于某一极限值(用V(BR)DS表示)后，漏极一端PN结 上反向电压将使PN结发生雪崩击穿，iD会急剧增加，正常工作时vDS不能超 过V(BR)DS。
6V 4V 2V 0V 6V
导电沟道中电位分布情况
2.N沟道结场效应管原理
（2） vDS对iD的影响（设vGS值固定，且VP<vGS<0。） 的影响（ (a) 在vDS较小时，iD随vDS增加而几乎呈线性地增加；它对iD的影响应从两
个角度来分析：一方面vDS增加时，沟道的电场强度增大，iD随着增加；另 一方面，随着vDS的增加，沟道的不均匀性增大，即沟道电阻增加，iD应该 下降，但是在vDS较小时，沟道的不均匀性不明显，在漏极附近的区域内沟 道仍然较宽，即vDS对沟道电阻影响不大，故iD随vDS增加而几乎呈线性地 增加（如图（a））。随着vDS的进一步增加，靠近漏极一端的PN结上承受 的反向电压增大，这里的耗尽层相应变宽，沟道电阻相应增加，iD随vDS上 升的速度趋缓。
3.结型场效应管的特性曲线 3.结型场效应管的特性曲线 由于结型场效应管的栅极输入电流iG≈0，因此很少应 用输入特性曲线，常用的特性曲线有输出特性曲线和转 移特性曲线。 (1)输出特性曲线 输出特性曲线 输出特性曲线用来描述vGS取一定值时，电流iD和电压 vDS间的关系，即 它反映了漏-源电压vDS对iD的影响。 N沟道结型场效应管的输出特性曲线如图7所示