模电第四章 场效应晶体管及其放大电路

uGS 越大，沟道电阻越 小，故曲线越陡。在这个 区域中，沟道电阻由 uGS 决定，故称为可变电阻区。
图4-4 b)
2) 输出特性曲线 I D f (U DS ) UGS常数
② 恒流区
图中所示曲线近似水平的
部分即是恒流区，它表示当 uDS uGS U GS(th) 时，uDS
与漏极电流 ID 间的关系。
0.1~1pF。
（2）极限参数
① 最大漏极电流 I DM ：是管子正常工作时漏极电流的上限值。
② 漏源击穿电压U ： (BR)DS 管子进入恒流区后，使 iD 骤然增大的 uDS 。 ③ 栅源击穿电压U (BR)GS ：
对于结型场效应管，栅极与沟道间PN结反向击穿电压；对于绝缘 栅型场效应管，使绝缘层击穿时的电压。
4.1.1 场效应管的结构和外部特性
1. N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构
图4-1
（1）工作原理
1) 导电沟道的形成
当 uGS 足够大时，由于静电场作用，管子的漏极
和源极之间将产生一个导电通道(称为沟道)，极间等 效电阻较小。
uGS 越大，导电沟道宽度越宽，等效电阻越小。
产生导电沟道所需的最小栅源电压我们称为开启电 压 U GS(th)。改变栅源电压，就可以改变导电沟道的宽度。
用RP来微调可联立求解：
U

GS
I

D
RG2 RG1 RG2
VDD

I
D

I
DO
( uGS U GS(th)
1)2
RS
U DS VDD I D (RD RS )
4.2.2 场效应管的交流等效模型 场效应管也是非线性器件，在输入信号电压很
小的条件下，也可将用小信号模型等效。与建立晶 体管小信号模型相似，将场效应管也看成一个两端 口网络，以结型场效应管为例，栅极与源极之间为 输入端口，漏极与源极之间为输出端口。无论是哪 种类型的场效应管，均可以认为栅极电流为零，输 入端视为开路，栅-源极间只有电压存在。在输出
第四章
场效应晶体管及其放大电路
1
4.1 单极型晶体管 4.2 场效应管基本放大电路 4.3 应用电路介绍
简介
场效应管属于另一种半导体器件，尤为突出的 是：场效应管具有高达107～1015的输入电阻，几乎 不取用信号源提供的电流，因而具有功耗小、噪声 小、体积小、抗幅射、热稳定性好、制造工艺简单 且易于集成化等优点。
端口，漏极电流 iD是 ugs和 uds的函数。
图4-11
4.2.3 共源放大电路的动态分析 应用微变等效电路法来分析计算场效应管放
ID

I
DSS
(1

U GS U GS(off)
)
2
P126
3. 结型场效应管
结型场效应管的特性和耗尽型绝
缘栅场效应管类似。图 a)、 b)分
别为Ｎ沟道和Ｐ沟道的结型场效应
管图形符号。
图4-7
使用结型场效应管时，应使栅极与源极间加反偏电压，漏
极与源极间加正向电压。对于Ｎ沟道的管子来说，栅源电压应
工作于恒流区中时，结型场效 应管的转移特性也可用下式表示：
ID

I
DSS
(1

uGS U GS(off)
)
2
结型场效应管正常使用时，g、s间是反偏的，故输入电阻
也较高。
4.1.2 场效应管的主要参数、特点以及使用注意事项
1. 场效应管的主要参数
（1）性能参数
① 开启电压 U GS(th)：它是增强型MOS管的参数。
为负值，漏源电压为正值。
在漏源电压 uDS 作用下，形成了漏极电流 iD 。栅源电压 uGS 增 大时，导通沟道变窄，从而在一定的uDS 作用下iD 变小。所以， 改变 uGS 也可实现对 iD 的控制。
当 uGS 增大到一定值时，导通沟道被夹断，此时iD 0 。
夹断时的栅源电压用 U 表示。 GS(off)
④ 最大耗散功率 PDM ： PD=UDS·ID，该数值决定于管子允许的温升。
2. 使用MOS管的注意事项
1）MOS管栅源之间的电阻很高，使得栅极的感应电荷不易泄 放，因极间电容很小，故会造成电压过高使绝缘栅击穿。
●保存MOS管应使三个电极短接，避免栅极悬空。
●焊接时，电烙铁的外壳应良好的接地，或烧热电烙铁后切 断电源再焊。
4.2.1 场效应管放大电路的静态工作点设置
场效应管是电压控制器件，因此它没有偏流，关键 是要有合适的栅偏压。
常用的偏置电路有两种
1. 自给偏压
当耗尽型管的栅源回路接通时，在漏极电源作用下，就有电流通 过，并在源极电阻上产生静态负栅偏压，通常称为自偏压，其值 为 U GS I D RS
图4-9
称为夹断电压，用表示 U 。 GS(off)
图4-6
可见，耗尽型绝缘栅场效应管不论栅－源电压是uGS 正是
负或零，都能控制漏极电流 iD ，这个特点使它的应用具有较 大的灵活性。
一般情况下，这类管子还是工作在负栅－源电压的状态。
实验表明，在 U GS(off) uGS 0 范围内，耗尽型场效应管的转 移特性可近似用下式表示
图4-8为N沟道结型场效应管转移特性曲线。当 U GS 时， U GS(off) 沟道被夹断， iD； 0 减uG小S ， 增大iD ； UG时S 的0 漏极电流为 零偏漏极电流 。I D对SS于P沟道管子来说， U为GS正(off)值。
图4-8
图4-9为N沟道结型场效应管输出特性曲线。管子的工作状态 也划分三个区域：可变电阻区、恒流区、击穿区。
与增强型相比，它的结 构变化了，使其控制特性有 明显变化。
在uDS为常数的条件下，当
uGS 0时，漏、源极间已经导通， 流过的是原始导电沟道的漏极电流 I DSS 。
图4-5
当uGS 0 时，即加反向电压时，导电沟道变窄，iD 减小；uGS 负值愈高、沟道愈窄，iD也就愈小。
当uGS达到一定负值时，导电沟道被夹断，iD 0，这时的 uGS
。 ID 0
2. 分压式偏置电路
U GS
UG
US

RG2 RG1 RG2
VDD

I D RS
适当选择 RG1或 RG2 值，就可 获得正、负及零三种偏压。图 中 RG3 阻值很大，用以隔离 、
对信R号G1 的R分G2 流作用，以保持高 的输入电阻。
图4-10
静态分析也可以采用公式估算法，并在实际应用时，
（6）场效应管和晶体管均可用于放大电路和开关电路，它 们构成了品种繁多的集成电路。但由于场效应管集成工艺 更简单，且具有耗电省、工作电源电压范围宽等优点，因 此更加广泛地应用于大规模和超大规模集成电路之中。
Hale Waihona Puke 模拟电子技术基础习题4.2 场效应管基本放大电路
三种基本放大电路：共源极、共漏极和共栅极电路。 必须设置合适的静态工作点，以保证在信号的整个 周期内，场效应管均工作于放大区。
方向逐渐变窄，如图4-3 a)所示。
一旦 uDS增大到使 uDS uGS U GS(th) 时，沟道在漏极一侧出现 夹断点，称为预夹断，如果 uDS 继续增大，夹断区随之延长，
如图(b)所示。
图4-3
2）漏源间电压好栅源电压 uDS对漏极电流 iD 的影响
在 uDS uGS U GS(th)时，对应于每一个uGS 就有一个确定 的 iD 。此时，可将 iD 视为电压 uGS 控制的电流源。
该区的特点是 iD几乎不随 uDS
的变化而变化，iD 已趋于饱和， 具有恒流性质。所以这个区域 又称饱和区。
③ 截止区
uGS UGS(th)时以下的区域。
（夹断区）
图4-4 b)
当uDS增大一定值以后，漏源之间会发生击穿，漏极电流 iD急剧增大。
2. N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的结构
上述的增强型绝缘栅场效应管只有当 uGS U GS(th) 时才能形成导电沟道，如果在制造时就使它具有一个原始 导电沟道，这种绝缘栅场效应管称为耗尽型。
② 夹断电压U GS(off)：它是结型场效应管和耗尽型MOS管的参数。 ③ 饱和漏极电流 I DSS ：当 uDS为一常量时，栅源电压为零时的漏极电流。 ④ 直流输入电阻 RGS(DC)：等于栅-源电压与栅极电流之比。
结型管的 RGS(DC) 大于107 ，而MOS管的 RGS(DC) 大于1010 。
（2）场效应管几乎只有多子参与导电。晶体管内既有多子又 有少子参与导电，而少子数目受温度、辐射等因素影响较大， 因而场效应管比晶体管的温度稳定性好、抗辐射能力强。所 以在环境条件变化很大的情况下应选用场效应管。
（3）场效应管噪声系数很小，所以低噪声放大器的输入级及 要求信噪比较高的电路应选用场效应管。当然也可选用特制 的低噪声晶体管。
4.1.3 场效应管与晶体管的比较（续）
（4）场效应管的漏极与源极可以互换使用，互换后特性变 化不大。而晶体管的发射极与集电极互换后特性差异很大， 因此只在特殊需要时才互换。
（5）场效应管比晶体管的种类多，特别是耗尽型MOS管， 栅-源电压可正、可负、可零，均能控制漏极电流；因而 在组成电路时比晶体管有更大的灵活性。
而且uDS 的增大部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流 的阻力。
此时，iD几 乎不因 uDS的增大 而变化，管子进
入恒流区， 几iD
乎仅决定于 。 uGS
工作原理
（2）特性曲线与电流方程
1) 转移特性曲线 I D f (UGS ) UDS常数
转移特性曲线是描述当 uDS保持不变时，输入电压 uGS对输出电流 iD 的控制关系，所以称为转移特性，如图4-4 a)所示。
适当调整源极电阻 ，RS可以得到合适的静态工作点，通过 下列关系式可求得工作点上的有关电流和电压：