场效应管的应用和分类
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第3章 场效应管及其应用
• 3.1 场效应管及其应用 • 3.2 场效应及其放大电路
3.1 场效应管
场效应管按结构分为结型场效应管和绝缘栅型场 效应管两类。
3.1.1 1. 结型场效应管的结构及工作原理
1) 如图3.1( a )所示, 在一块N型硅半导体两侧制作 两个P型区域, 形成两个PN结, 把两个P型区相连后引出 一个电极, 称为栅极, 用字母G(或g)表示。
在UGS(off)≤uGS≤0的范围内, 漏极电流iD与栅极电
压uGS的关系为
u (1
i I U D
DSS
GS )2
GS(off )
(3. 2)
2) 输出特性是指栅源电压uGS一定, 漏极电流iD与 漏极电压uDS之间的关系, 即
i u f ( D
) u DS
常数
GS
(3. 3)
iD / m A 5
g s
g s
衬底引线
(a)
(b)
(c)
图 3.5增强型MOS
(a) N沟道结构图; (b) N沟道符号; (c) P沟道符号
UDD
d
s
UGG
g
iD
N＋
N＋
P型 硅 衬 底
图 3.6 N沟道增强型MOS管工作原理
3)
（1） N沟道增强型绝缘栅场效应管的转移特性曲线 如图3.7(a)所示。 在uGS≥UGS（th）时, iD与uGS的关系可用 下式表示:
恒流区(放大区)
uDS＝ 0 V
4可 变 电
3阻 区
2
－1 V
击
穿
－2 V
区
－3 V
1
－4 V
0
2 4 6 8 10 12 14 16 18
uDS / V
夹断区
图 3.4 N沟道结型场效应管输出特性曲线
3.1.2 1. 增强型绝缘栅场效应管的结构及工作原理
1)
2)
s
g
d
SiO2
N＋
N＋
d
d
P型硅衬底
s
g
d
＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋
N＋
N＋
P型硅衬底
d
g s
d
g s
衬底引线 (a)
(b)
(c)
图3.8耗尽型MOS (a) N沟道结构图; （b） N沟道符号; （c） P沟道符号
在uGS≥ UGS（off）时, iD与uGS的关系可用下式表示:
u (1
i I U D
DSS
GS )2
GS(off )
（3） 使用场效应管时各极必须加正确的工作电压。
（4） 在使用场效应管时, 要注意漏源电压、 漏源 电流及耗散功率等, 不要超过规定的最大允许值。
3.2 场效应管及其放大电路
与三极管一样, 根据输入、 输出回路公共端选 择不同, 将场效应管放大电路分成共源、 共漏和共 栅三种组态。 本节主要介绍常用的共源和共漏两种 放大电路。
3.2.1 1.
栅极电阻：将Rs压降 加至栅极
＋
＋
C1
ui
Rg
－
＋UDD
Rd ＋
漏极电阻：将漏 极电流转换成漏 极电压，并影响 放大倍数Au
＋
C2
＋
uo
Rs
Cs
－
源极电阻：利用 IDQ在其上的压降为 栅源极提拱偏压
旁路电容：消除Rs对 交流信号的衰减
图 3.10 场效应管共源放大电路
由于栅极电阻上无直流电流, 因而
(3. 5)
iD / m A
iD / m A
12
12
uGS= 2 V
10
10
uDS= 常数
源自文库
8
6
4 IDSS
2 UG S(o ff ) －5 －4 －3 －2 －1 0
(a)
uGS / V
8
1V
6
0V 4
2
－3 V
－1 V －2 V
0 2 4 6 8 10 12 14 16
(b)
图3.9N （a） 转移特性; （b） 输出特性
uDS/V
3.1.3
1．
1） 夹断电压UGS（off）或开启电压UGS（th
2） 饱和漏极电流IDSS
3） 漏源击穿电压U（BR）DS
4) 栅源击穿电压U（BR）GS
5） 直流输入电阻RGS
6） 最大耗散功率PDM
7） 跨导gm
在uDS为定值的条件下, 漏极电流变化量与引起这个 变化的栅源电压变化量之比, 称为跨导或互导, 即
g 栅极
d 漏极 耗尽层
d
P
P
N
g
g
s
s 源极
(a)
(b)
图 3.1
(a) 结构; (b) N沟道结型场效应管符号; (c) P沟道结型场效应
d s (c)
2) 图3.2表示的是结型场效应管施加偏置电压后的接 线图。
2． 特性曲线 场效应管的特性曲线分为转移特性曲线和输出特 性曲线。
1)
在uDS一定时, 漏极电流iD与栅源电压uGS之间的关系 称为转移特性。 即
g di m
D
u 常数 DS
duGS
(3. 6)
2． 1） 结型效应管可用万用表判别其管脚和性能的优劣。
（1） 管脚的判别 （2） 质量判定
2） 注意事项 （1） MOS管栅、 源极之间的电阻很高, 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 高使绝缘层击穿。
（2） 有些场效应晶体管将衬底引出, 故有4个管脚, 这种管子漏极与源极可互换使用。
u (
i I U D
DO
GS 1)2
GS(th )
(3. 4)
其中ID0是uGS=2UGS（th）时的iD值。 （2） N沟道增强型绝缘栅场效应管的输出特性曲线
如图3.7（b）所示。
iD / m A 4 3
2 uDS＝ 10 V
1
0
2
4
6
UGS(th)＝ 3 V
(a)
iD / m A 5
6V 4
场效应管放大电路的静态工作点可用式（3.4）或 式（3.5）与式（3.7）或式（3.8）联立求出UGSQ和IDQ, 漏源电压UDSQ由下式求得:
3
2
1
8 uGS / V
0
5V
24
4V
3V 6 8 10 12 14 16 18 uDS / V
(b)
图3.7N （a） 转移特性;
（b） 输出特性
2.
图3.8为N沟道耗尽型场效应管的结构图。 其结构与增 强型场效应管的结构相似, 不同的是这种管子在制造时, 就在二氧化硅绝缘层中掺入了大量的正离子。
i u f ( D
) u gs
常数
ds
(3. 1)
iD d
－ UGG
＋
g
－
P
uGS ＋
P N
S
＋
Rd
＋
uDS
－ UDD
－
图3.2 N沟道结型场效应管工作原理
iD / m A
IDSS 5 4
3
uDS=12 V 2
1 UGS(o ff )
－4 －3 －2 －1 0
uGS/V
图3.3 N沟道结型场效应管转移特性曲线
U I R
GS
DS
R
g2
U U U U I R GS
G
S
DD
Ds
R R g1
g2
(3. 7) (3. 8)
Rg1，Rg2：栅极 分压电阻使栅极获 得合适的工作电压
Rg1
C1 ＋ ＋
Rg3
ui Rg2
－
Rd ＋C2
＋UDD ＋
＋
Rs
Cs
uo
－
栅极电阻：用来 提高输入电阻
图 3 .1 1
图 3.11分压偏置式共源放大电路
• 3.1 场效应管及其应用 • 3.2 场效应及其放大电路
3.1 场效应管
场效应管按结构分为结型场效应管和绝缘栅型场 效应管两类。
3.1.1 1. 结型场效应管的结构及工作原理
1) 如图3.1( a )所示, 在一块N型硅半导体两侧制作 两个P型区域, 形成两个PN结, 把两个P型区相连后引出 一个电极, 称为栅极, 用字母G(或g)表示。
在UGS(off)≤uGS≤0的范围内, 漏极电流iD与栅极电
压uGS的关系为
u (1
i I U D
DSS
GS )2
GS(off )
(3. 2)
2) 输出特性是指栅源电压uGS一定, 漏极电流iD与 漏极电压uDS之间的关系, 即
i u f ( D
) u DS
常数
GS
(3. 3)
iD / m A 5
g s
g s
衬底引线
(a)
(b)
(c)
图 3.5增强型MOS
(a) N沟道结构图; (b) N沟道符号; (c) P沟道符号
UDD
d
s
UGG
g
iD
N＋
N＋
P型 硅 衬 底
图 3.6 N沟道增强型MOS管工作原理
3)
（1） N沟道增强型绝缘栅场效应管的转移特性曲线 如图3.7(a)所示。 在uGS≥UGS（th）时, iD与uGS的关系可用 下式表示:
恒流区(放大区)
uDS＝ 0 V
4可 变 电
3阻 区
2
－1 V
击
穿
－2 V
区
－3 V
1
－4 V
0
2 4 6 8 10 12 14 16 18
uDS / V
夹断区
图 3.4 N沟道结型场效应管输出特性曲线
3.1.2 1. 增强型绝缘栅场效应管的结构及工作原理
1)
2)
s
g
d
SiO2
N＋
N＋
d
d
P型硅衬底
s
g
d
＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋
N＋
N＋
P型硅衬底
d
g s
d
g s
衬底引线 (a)
(b)
(c)
图3.8耗尽型MOS (a) N沟道结构图; （b） N沟道符号; （c） P沟道符号
在uGS≥ UGS（off）时, iD与uGS的关系可用下式表示:
u (1
i I U D
DSS
GS )2
GS(off )
（3） 使用场效应管时各极必须加正确的工作电压。
（4） 在使用场效应管时, 要注意漏源电压、 漏源 电流及耗散功率等, 不要超过规定的最大允许值。
3.2 场效应管及其放大电路
与三极管一样, 根据输入、 输出回路公共端选 择不同, 将场效应管放大电路分成共源、 共漏和共 栅三种组态。 本节主要介绍常用的共源和共漏两种 放大电路。
3.2.1 1.
栅极电阻：将Rs压降 加至栅极
＋
＋
C1
ui
Rg
－
＋UDD
Rd ＋
漏极电阻：将漏 极电流转换成漏 极电压，并影响 放大倍数Au
＋
C2
＋
uo
Rs
Cs
－
源极电阻：利用 IDQ在其上的压降为 栅源极提拱偏压
旁路电容：消除Rs对 交流信号的衰减
图 3.10 场效应管共源放大电路
由于栅极电阻上无直流电流, 因而
(3. 5)
iD / m A
iD / m A
12
12
uGS= 2 V
10
10
uDS= 常数
源自文库
8
6
4 IDSS
2 UG S(o ff ) －5 －4 －3 －2 －1 0
(a)
uGS / V
8
1V
6
0V 4
2
－3 V
－1 V －2 V
0 2 4 6 8 10 12 14 16
(b)
图3.9N （a） 转移特性; （b） 输出特性
uDS/V
3.1.3
1．
1） 夹断电压UGS（off）或开启电压UGS（th
2） 饱和漏极电流IDSS
3） 漏源击穿电压U（BR）DS
4) 栅源击穿电压U（BR）GS
5） 直流输入电阻RGS
6） 最大耗散功率PDM
7） 跨导gm
在uDS为定值的条件下, 漏极电流变化量与引起这个 变化的栅源电压变化量之比, 称为跨导或互导, 即
g 栅极
d 漏极 耗尽层
d
P
P
N
g
g
s
s 源极
(a)
(b)
图 3.1
(a) 结构; (b) N沟道结型场效应管符号; (c) P沟道结型场效应
d s (c)
2) 图3.2表示的是结型场效应管施加偏置电压后的接 线图。
2． 特性曲线 场效应管的特性曲线分为转移特性曲线和输出特 性曲线。
1)
在uDS一定时, 漏极电流iD与栅源电压uGS之间的关系 称为转移特性。 即
g di m
D
u 常数 DS
duGS
(3. 6)
2． 1） 结型效应管可用万用表判别其管脚和性能的优劣。
（1） 管脚的判别 （2） 质量判定
2） 注意事项 （1） MOS管栅、 源极之间的电阻很高, 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 高使绝缘层击穿。
（2） 有些场效应晶体管将衬底引出, 故有4个管脚, 这种管子漏极与源极可互换使用。
u (
i I U D
DO
GS 1)2
GS(th )
(3. 4)
其中ID0是uGS=2UGS（th）时的iD值。 （2） N沟道增强型绝缘栅场效应管的输出特性曲线
如图3.7（b）所示。
iD / m A 4 3
2 uDS＝ 10 V
1
0
2
4
6
UGS(th)＝ 3 V
(a)
iD / m A 5
6V 4
场效应管放大电路的静态工作点可用式（3.4）或 式（3.5）与式（3.7）或式（3.8）联立求出UGSQ和IDQ, 漏源电压UDSQ由下式求得:
3
2
1
8 uGS / V
0
5V
24
4V
3V 6 8 10 12 14 16 18 uDS / V
(b)
图3.7N （a） 转移特性;
（b） 输出特性
2.
图3.8为N沟道耗尽型场效应管的结构图。 其结构与增 强型场效应管的结构相似, 不同的是这种管子在制造时, 就在二氧化硅绝缘层中掺入了大量的正离子。
i u f ( D
) u gs
常数
ds
(3. 1)
iD d
－ UGG
＋
g
－
P
uGS ＋
P N
S
＋
Rd
＋
uDS
－ UDD
－
图3.2 N沟道结型场效应管工作原理
iD / m A
IDSS 5 4
3
uDS=12 V 2
1 UGS(o ff )
－4 －3 －2 －1 0
uGS/V
图3.3 N沟道结型场效应管转移特性曲线
U I R
GS
DS
R
g2
U U U U I R GS
G
S
DD
Ds
R R g1
g2
(3. 7) (3. 8)
Rg1，Rg2：栅极 分压电阻使栅极获 得合适的工作电压
Rg1
C1 ＋ ＋
Rg3
ui Rg2
－
Rd ＋C2
＋UDD ＋
＋
Rs
Cs
uo
－
栅极电阻：用来 提高输入电阻
图 3 .1 1
图 3.11分压偏置式共源放大电路