场效应管及其基本放大电路

P沟道MOS管和N沟道MOS管的主要区别在于作为衬底 的半导体材料的类型不同，PMOS管是以N型硅作为衬底，而 漏极和源极从P区引出，形成的反型层为P型，相应的沟道
为P型沟道。对于耗尽型PMOS管，在二氧化硅绝缘层中掺入
的是负离子。
使用时，uGS的极性与NMOS管相反。增强型PMOS管的开
启电压UGS（th）是负值，而耗尽型的P沟道场效应管的夹断电 压UGS(off)是正值。
3.3 场效应管的主要参数、特点及注意事项
3.3.1 场效应管的主要参数
一、性能参数 1. 开启电压UGS(th) 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。 2. 夹断电压UGS(off) 夹断电压是耗尽型FET的参数，当uGS=UGS(pff)时,漏极 电 流为零。
作为载流子的P沟道器件。
3.1.1结型场效应管（JFET）的结构
结型场效应管是一种利用耗尽层宽度改变导电沟道的宽窄 来控制漏极电流的大小的器件。它是在N型半导体硅片的两侧 各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。P区 即为栅极g(G)，N型硅的一端是漏极d(D)，另一端是源极s(S)。
N沟道增强型MOSFET特性曲线
i i
U u
u
u u u
u
u u
转移特性曲线
u
输出特性
uGS 在恒流区， i D I D0 ( - 1) 2 UGS ( th)
I D 0是uGS 2UGS(th)时的i D 值
3.2.2 N沟道耗尽型MOSFET
N沟道耗尽型MOSFET的结构 和符号如图所示，制造时在栅极 下方的绝缘层中掺入了大量的金 属正离子。所以当uGS=0时，这 些正离子已经在感应出反型层，
增强型：uGS=0时，漏源之间没有导电沟道，
在uDS作用下无iD。
耗尽型：uGS=0时，漏源之间有导电沟道，
在uDS作用下有iD。
3.2.1 N沟道增强型MOSFET
一、结构和符号
N沟道增强型MOSFET拓扑结构左右对称，是在一 块浓度较低的P型硅上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后
用光刻工艺扩散两个高掺杂
漏、源极间所能承受的最高电压。
3.3.2 场效应管的主要特点及使用注意事项
一、特点和选管原则 1、电压控制器件，栅极基本上不取电流，输入电阻高。所以，
常用在那些只允许信号源戏曲小电流的高精度、高灵敏度
的测量仪器、仪表等。 2、参与导电的只是多子。所以不易受温度、辐射等外界因素 影响，用在环境条件变化较大的场合。 3、噪声较小。对于低噪声、稳定性要求高的线性放大电路宜 采用。 4、制造工艺简单，所占的芯片面积小，功耗很小，使用于 大规模集成。 5、 源极和漏极结构对称，可以互换使用。
数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可
能形成漏极电流iD。
(c)进一步增加uGS，当uGS＞UGS(th) 这时，若在漏源间加电压 uDS， 时，由于此时的栅极电压已经比较 就能产生漏极电流 iD，即管子开 强，栅极下方的P型半导体表层中 启。 聚集较多的电子，将漏极和源极沟
UDS
通，形成沟道。如果此时uDS>0， uGS值越大，沟道内自由电子越多， 就可以形成漏极电流ID。在栅极下 沟道电阻越小，在同样 uDS 电压 方导电沟道中的电子，因与P型区 作用下， i D 越大。这样，就实 的载流子空穴极性相反，故称为反 把开始形成反型层的 现了输入电压 uGS 对输出电流 i D uGS值称为该管的开启电 型层。随着 u 的继续增加，反型 GS 的控制。 压UGS(th)。 层变厚，iD增加
i u
uDS=uGS-UGS(off)。
u
特点：
1、iD几乎与uDS成线性关系，管子相当于线性电阻。 2、改变uGS时，特性曲线斜率变化，因此管子漏极欲源极之间 可以看成一个由uGS控制的线性电阻，即压控电阻。uGS愈负,特 性曲线斜率愈小,等效电阻愈大。
（2）恒流区（饱和区）
i u
特性曲线近似水平的部分，
D
则栅偏压
UGS UDD Rg 2 IDRS Rg1 Rg 2
+ uo －
而
U DS U DD I D ( RD RS )
耗尽型
增强型 耗尽型
MOS型
场效应管的特点：
1. 输入端基本上不取电流，一次输入电阻非常高， 一般可 达108~1015 ； 2. 具有噪声低，受温度、辐射影响小，制造工艺简单，便 于大规模集成等优点，已被广泛应用于集成电路中。
3.场效应管都是仅由一种载流子（多数载流子）参与导电
的半导体器件，故又称为单极型三极管。从参与导电的 载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴
在转移特性曲线上， gm 是曲线在某点上的斜率，也可由iD
的表达式求导得出，单位为 S 或 mS。
二、极限参数 1、最大漏极电流IDM
是指管子在工作时允许的最大漏极电流。
2、最大耗散功率PDM
PDM=uDSiD，它受管子的最高工作温度的限制。
3、漏源击穿电压U（BR）DS 漏、源极间所能承受的最大电压。 4、栅源击穿电压U（BR）GS
一、uGS对导电沟道的影响
当uGS＜0时，PN结反 偏，耗尽层变厚，沟道变
窄，沟道电阻变大，iD减
小； uGS更负，沟道更窄，iD 更小；直至沟道被耗尽 层全部覆盖，沟道被夹
断， iD≈0。这时所对应
的栅源电压uGS称为夹断 电压UGS(off)。
动画动作： 播放
在栅源间加电压uGS＞UGS(off)， 夹断点向源极方向伸长为预 漏源间加电压uDS。则因漏端耗尽 夹断区。由于预夹断区电阻 层所受的反偏电压为uGD=uGS很大，使主要uDS降落在该 uDS，比源端耗尽层所受的反偏电 区，由此产生的强电场力能 压uGS大,使靠近漏端的耗尽层比 把未夹断区漂移到其边界上 源端厚，沟道比源端窄，故uDS对 的载流子都扫至漏极，形成 沟道的影响是不均匀的，使沟道 漏极饱和电流。 呈楔形。 随u 增大，这种
第3章 场效应管及其基本 放大电路
内容导航
3.0 教学基本要求 3.1 结型场效应管
3.2 绝缘栅场效应管
3.3 场效应管的主要参数、 特点及使用注意事项 3.4 场效应管基本放大电路 习题解答
教学基本要求
单极型半导体三极管的外特性；共源、
共漏放大电路的工作原理，静态工作 掌握: 点估算继永建华笑信号模型电路分析 电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。
特性曲线上翘部分。
uDS>U(BR)DS，管子不允许工作在 这个区域。
i
u
（4）夹断区（截止区）
u
输出特性曲线靠近横轴的部分。它是发生在uGS≤ UGS（off） 时，管子的导电沟道完全被夹断。
特点：
iD≈0
三、转移特性曲线
指JFET漏源电压uGS一定时，输出电流iD与输入电压uGS的 关系曲线，即
二、使用注意事项
1、使用时，各极电源极性应按规定接入;各极限参数规定的 数值绝对不能超过。
2、MOS管的衬底和源极通常连接在一起，若需分开，则衬源 间的电压要保证衬源间PN结反向偏置。
3、贮存时，应将管子的三个电极短路；把管子焊接到电路上 或取下时，应先用导线将各电极绕在一起；焊接管子，最好 断电利用余热焊接。
i
D
f (uGS ) u
DS
C
下图为一条uDS=10V时的转移特性曲线
当管子工作在恒流区，uDS对iD的影响很小。
实验证明，当管子工作在恒流区，iD可近似表示 为：
uGS 2 iD I DSS (1 ) UGS ( off )
IDSS是在uGS = 0， uDS > |UGS(off) |时的漏极电流
的N型区，从N型区引出电极 作为D和S，在绝缘层上镀一 层金属铝并引出一个电极作为G
二、工作原理与特性曲线
(a) uGS=0时，漏源之间相当两个背 靠背的 二极管，在D、S之间加上
电压，不管VDS极性如何，其中总
有一个PN结反向，所以不存在导电 沟道。 uGS =0， iD =0 (b) 当 0＜uGS＜UGS(th) (开启电压)时， 但由于电场强度有限，
它是JFET预夹断后所对应的工 作区域。
特点：
故特性曲线是一族近乎平行于uDS轴的水平线。
u
1、输出电流iD 基本上不受输出电压uDS的影响，仅取决于uGS，
2、输入电压uGS控制输出电流
u GS 1 i D I DSS U GS ( off )
2
（3）击穿区
4、JFET可在栅源极开路状态下贮存，用万用表检查；MOS管 必须用测试仪，良好接地。
3.4
场效应管基本放大电路
3.5.1 FET的偏置电路及静态分析
一、自偏压电路
耗尽型NMSFET的栅偏压是依靠自身电流ID产生的，故称为 自偏压电路。
UGS IDRS ID IDSS (1 UGS ) 2 UGS ( off )
DS
二、uDS对导电沟道的影响
当uDS继续增加时，预
不均匀性越明显。 动画动作：
播放
当uDS增加到使uGD=uGS-uDS =UGS(off) 时，在紧靠漏极处出现 预夹断点，
一般情况下，夹断区仅占沟道长度的很小部分，因此UDS的 增大而引起夹断点的移动可忽略，夹断点到源极间的沟道长度 可以认为近似不变，同时，夹断点到源极间的电压又为一定值，
3. 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管, 当uGS=0时所对应的漏极电流。 4.直流输入电阻RGS
结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω ；绝缘栅型场效应
三极管, RGS约是109～1015Ω 。
5.低频跨导 gm ：表示uGS对iD的控制作用。