场效应管工作原理

场效应管工作原理

这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS 场效应管的工作原理。MOS 场效应管也被称为MOS FET，既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor （金属氧化物半导体场效应管）的缩写。它一般有耗尽型和增强型两种。本文使用的为增强型MOS场效应管，其内部结构见图5。它可分为NPN型PNP型。NPN型通常称为N沟道型，PNP型也叫P 沟道型。由图可看出，对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N 型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P 型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。为解释MOS场效应管的工作原理，我们先了解一下仅含有一个P 饱和漏源电流。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，栅极电压U GS=0时的漏源电流。

2、UP 开启电压。是指增强型绝缘栅场效管中，使漏源间刚导通时的栅极电压。

4、gM 对漏极电流I D的控制能力，即漏极电流I D变化量与栅源电压UGS变化量的比值。gM 是衡量场效应管放大能力的重要参数。

5、BUDS 最大耗散功率。也是一项极限参数，是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。使用时，场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量。

7、IDSM UGS=0时的漏极电流。UP —夹断电压，使ID=0对应的UGS的值。P沟道场效应管的工作原理与N沟道类似。我们不再讨论。下面我们看一下各类绝缘栅场效应管(MOS场效应管)在电路中的符号。§3 场效应管的主要参数场效应管主要参数包括直流参数、交流参数、极限参数三部分。

一、直流参数

1、饱合漏极电流IDSSIDSS是耗尽型和结型场效应管的一个重要参数。定义：当栅、源极之间的电压UGS=0，而漏、源极之间的电压UDS大于夹断电压UP时对应的漏极电流。

2、夹断电压UPUP也是耗尽型和结型场效应管的重要参数。定义：当UDS一定时，使ID减小到某一个微小电流(如1μA，

50μA)时所需UGS的值。

3、开启电压UTUT是增强型场效应管的重要参数。定义：当UDS一定时，漏极电流ID达到某一数值(如10μA)时所需加的UGS 值。

4、直流输入电阻RGSRGS是栅、源之间所加电压与产生的栅极电流之比，由于栅极几乎不索取电流，因此输入电阻很高，结型为106Ω以上，MOS管可达1010Ω以上。

二、交流参数

1、低频跨导gm此参数是描述栅、源电压UGS对漏极电流的控制作用，它的定义是当UDS一定时，ID与UGS的变化量之比，即跨导gm的单位是mA/V。它的值可由转移特性或输出特性求得。在转移特性上工作点Q外切线的斜率即是gm。或由输出特性看，在工作点处作一条垂直横坐标的直线(表示UDS=常数)，在Q点上下取一个较小的栅、源电压变化量ΔUGS，然后从纵坐标上找到相应的漏极电流的变化量ΔID/ΔUGS，则gm=ΔID/ΔUGS。此外。对结型场效应管，可由求得只要将工作点处的UGS值代入就可求得gm

2、极间电容场效应管三个极间的电容。包括CGS、CGD和CDS。这些极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个pF。

三、极限参数

1、漏极最大允许耗散功率PDmPDm=IDUDS

2、漏源间击穿电压BUDS在场效应管输出特性曲线上，当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。工作时，外加在漏极、源极之间的电压不得超过此值。

3、栅源间击穿电压BUGS结型场效应管正常工作时，栅、源之间的PN结处于反向偏置状态，若UGS过高，PN结将被击穿。对于MOS管，栅源极击穿后不能恢复，因为栅极与沟道间的SiO2被击穿属破坏性击穿。§4 场效应管的特点场效应管具有放大作

用，可以组成各种放大电路，它与双极性三极管相比，具有以下几个特点：

1、场效应管是一种电压控制器件通过UGS来控制ID。而双极性三极管是电流控制器件，通过IB来控制IC。

2、场效应管输入端几乎没有电流场效应管工作时，栅、源极之间的PN结处于反向偏置状态，输入端几乎没有电流。所以其直流输入电阻和交流输入电阻都非常高。而双极性三极管，发射结始终处于正向偏置，总是存在输入电流，故b、e极间的输入电阻较小。

3、场效应管利用多子导电由于场效应管是利用多数载流子导电的，因此，与双极性三极管相比，具有噪声小、受幅射的影响小、热稳定性好而且存在零温度系数工作点等特性。

4、场效应管的源漏极有时可以互换使用由于场效应管的结构对称，有时漏极和源极可以互换使用，而各项指标基本上不受影响。因此使用时比较方便、灵活对于有的绝缘栅场效应管，制造时源极已和衬底连在一起，则源极和漏极不能互换。

5、场效应管的制造工艺简单，便于大规模集成每个MOS场效应管在硅片上所占的面积只有双极性三极管的5%，因此集成度更高。

6、MOS管输入电阻高，栅源极容易被静电击穿MOS场效应管的输入电阻可高达1015Ω，因此，由外界静电感应所产生的电荷

不易泄漏。而栅极上的SiO2绝缘层双很薄，这将在栅极上产生很高的电场强度，以致引起绝缘层击穿而损坏管子。

7、场效应管的跨导较小组成放大电路时，在相同负载电阻下，电压放大倍数比双极性三极管低。§5 场效应管放大电路根据前面讲的场效应管的结构和工作原理，和双极性三极管比较可知，场效应管具有放大作用，它的三个极和双极性三极管的三个极存在着对应关系即：G(栅极)→b(基极) S(源极)→e(发射极) D(漏极)→c(集电极)所以根据双极性三极管放大电路，可组成相应的场效应管放大电路。但由于两种放大器件各自的特点，故不能将双极性三极管放大电路的三极管简单地用场效应管取代，组成场效应管放大电路。双极性三极管是电流控制器件，组成放大电路时，应给双极性三极管设置偏置偏流，而场效应管是电压控制器件，故组成放大电路时，应给场效应管设置偏压，保证放大电路具有合适的工作点，避免输出波形产生严重的非线性失真。

一、静态工作点与偏置电路由于场效应管种类较多，故采用的偏置电路，其电压极性必须考虑。下面以N沟道为例进行讨论。N沟道的结型场效应管只能工作在UGS<0的区域，MOS管又分为耗尽型和增强型，增强型工作在UGS>0，而耗尽型工作在

UGS<0。

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