场效应管及其应用

i
iD / mA 12 10 12 10 8 6 IDSS 4 2 0 0 uGS / V 2 4 6 －3 V 0V －1 V －2 V 8 10 12 14 16 uDS/V 1V
D

I
DSS
(1
u U
GS
)2
GS ( off )
(3. 5)
iD / mA uGS= 2 V
uD S= 常数
8 6 4
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结型场效应管 1. 结型场效应管的结构及工作原理 1) 基本结构及符号 如图3.1(a)所示, 在一块N型硅半导体两侧制作
g
m

di du
D
GS
uDS 常数
(3. 6)
2． 检测及使用注意事项 1） 检测 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。 （3） 使用场效应管时各极必须加正确的工作电压。
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。
d 漏极
耗尽层 d d g s s
g 栅极
P N
P
g
s 源极 (a) (b) (c)
图 3.1结型场效应管结构与符号图 (a) 结构; (b) N沟道结型场效应管符号; (c) P沟道结型场效应
UGS(off) －5 －4 －3 －2 －1
2
(a)
(b)
图3.9N沟道耗尽型场效应管特性曲线 （a） 转移特性; （b） 输出特性
3.1.3场效应管的主要参数及使用注意事项 1． 主要参数 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
图3.2 N沟道结型场效应管工作原理
iD / mA
IDSS
5 4 3
uDS=12 V
2 1
UGS(off) －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
在UGS(off)≤uGS≤0的范围内, 漏极电流iD与栅极电 压uGS的关系为
iD
I DSS (1
u U
2
4
6
8
uGS / V
0
2
4
6
12
14
16
18
uDS / V
UGS(th) ＝3 V (a) (b)
图3.7N沟道增强型场效应管特性曲线 （a） 转移特性; （b） 输出特性
2. 耗尽型绝缘栅场效应管的结构及工作原理 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,
U
U
GS
GS
I D RS
(3. 7)
I D Rs
U G U S
U Rg1 Rg 2 DD
R
g2
(3. 8)
Rg 1，Rg 2：栅极 分压电阻使栅极获 得合适的工作电压
C1 ＋
＋UDD
Rg1 ＋ Rg3
Rd
C ＋ 2 ＋
ui Rg2 －
Rs
＋
Cs
uo
－
栅极电阻：用来 提高输入电阻
i
D
I
( DO
u U
GS
1) 2
(3. 4)
GS ( th )
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 / mA iD / mA 4 4 3 3 5 6V
2
uDS＝10 V
2
5V
1
1 4V 3V 8 10
0
ro Rs //
1
g
m
r R
i
g3
( Rg1 // Rg 2)
(3. 11)
（3） 输出电阻:
r R
o
d
(3. 12)
g ＋ Rg3 ui Rg1 － ri Rg2 － s ugs ＋
d ＋ gmugs Rd RL uo
－ ro
图 3.13 共源放大电路的微变等效电路
3.2.2 共漏放大电路 共漏放大电路又称源极输出器。 电路如图3.15所示。 由图3.15（b）可得:
2) 工作原理 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) 转移特性 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
i
D
f (ugs )
uds 常数
(3. 1)
iD d ＋ Rd g － － UGG ＋ uGS ＋ S － P N P uDS ＋ U － DD
击 穿 区
6
8
10
12
14
16
18
uD S / 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绝缘栅型场效应管 1. 增强型绝缘栅场效应管的结构及工作原理 1) 结构及符号 2) 工作原理
s g d
SiO2 N＋ N＋
d
d
P型硅衬底
g s
g s
衬底引线 (a) (b) (c)
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uo id ( RS // RL) g
i gs o ' o i m L
U R u u u (1 g R ) u g R u A u 1 g R r ( R // R ) R
m gs ' m L gs u ' m L i g1 g2 g3
' L
(3. 13) (3. 14) (3. 15)
图 3.5增强型MOS管结构及符号图 (a) N沟道结构图; (b) N沟道符号; (c) P沟道符号
UDD
d
iD
s
UGG
g
N＋
N＋
P型硅衬底
图 3.6 N沟道增强型MOS管工作原理
3) 特性曲线 （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:
就在二氧化硅绝缘层中掺入了大量的正离子。
s
g
d
＋＋ ＋ ＋＋＋＋＋＋＋ ＋ N＋ N＋ P型硅衬底 g
d
d
g s s
衬底引线 (a) (b) (c)
图3.8耗尽型MOS管结构及符号图 (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:
GS
)2
(3. 2)
GS ( off )
2) 输出特性 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
D
f (uDS )
uGS 常数
(3. 3)
iD / mA 5 4 3 2 1 0 2 4
恒流区(放大区)
uDS＝0 V
可 变 电 阻 区
－1 V
－2 V －3 V －4 V
id
d ＋ uds
id g ＋ ugs gmugs
d ＋ uds －
g
＋ ugs － s
－
－ s
s
图3.12场效应管微变等效电路
（1） 电压放大倍数:
Au uo u
i
id ( Rd // RL) u
gs
gu R u
m gs gs
' L
g
m
R
' L
(3. 10)
（2） 输入电阻:
（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共源放大电路 1. 电路组成及直流偏置
栅极电阻：将Rs压降 加至栅极
Rd
＋UDD
漏极电阻：将漏 极电流转换成漏 极电压，并影响 放大倍数Au
＋
＋ ＋ ＋ ui － C1 Rg Rs C2 ＋
uo Cs －
源极电阻：利用 ID Q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
图3.11
图 3.11分压偏置式共源放大电路
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:
U
DSQ
U DD I DQ ( Rd Rs)
(3. 9)
2. 动态分析 放大电路的动态参数可由微变等效电路求出。 1） 场效应管的微变等效电路 2） 共源放大电路的微变等效电路