场效应管放大电路(精)
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第四章 场效应管放大电路 场效应管是一种利用电场效应来控制电流的一种半导体器 件，是仅由一种载流子参与导电的半导体器件。从参与导电的 载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为 载流子的P沟道器件。
结型
场效应管：
N沟道
P沟道
增强型 N沟道 MOS型 P沟道 耗尽型 增强型 耗尽型
§4.1 绝缘栅型场效应管( Insulated Gate Field Effect Transister)
VDS ID
（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用
（b）当VDS增加到使VGD=VT 时，沟道如图所示，靠近漏 极的沟道被夹断，这相当于 VDS增加使漏极处沟道缩减到 刚刚开启的情况，称为预夹 断。
（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用
（c）当VDS增加到VGDVT时，沟 道如图所示。此时预夹断区域加 长，向S极延伸。 VDS增加的部分 基本降落在随之加长的夹断沟道 上， ID基本趋于不变
几种常用的场效应三极管的主要参数见表
参 数 型号 3DJ2D 3DJ7E 3DJ15H 3DO2E CS11C
PDM mW 100 100 100 100 100
IDSS mA <0.35 <1.2 6～11 0.35～1.2 0.3～1
VRDS V >20 >20 >20 >12
VRGS V >20 >20 >20 >25 -25
(4) 极间电容 ：漏源电容CDS约为 0.1~1pF，栅源电容CGS和栅 漏极电容CGD约为1~3pF。
场效应管的主要参数
(5) 低频跨导 gm ：表示vGS对iD的控制作用。
d iD gm = VDS d vGS
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。 (6) 最大漏极电流 IDM (7) 最大漏极耗散功率 PDM (8) 漏源击穿电压 V(BR)DS 栅源击穿电压 V(BR)GS
场效应三极管的型号
场效应三极管的型号, 现行有两种命名方法。其一是与双 极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表 绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型 层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场 效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。 第二种命名方法 是CS××#，CS代表 场效应管，××以数 字代表型号的序号，# 用字母代表同一型号 中的不同规格。例如 CS14A、CS45G等。
绝缘栅型场效应管IGFET有称金属氧化物场效应管 MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)是一种利用半导体
表面的电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极 电流的器件，它的栅极与半导体之间是绝缘的，其电阻大于 109。
增强型：VGS=0时，漏源之间没有导电沟道， 在VDS作用下无iD。 耗尽型：VGS=0时，漏源之间有导电沟道， 在VDS作用下iD。
（b）当栅极加有电压时，若 0＜VGS＜VGS(th) （ VT 称为开 启电压)时，在Sio2介质中产生 一个垂直于半导体表面的电场， 排斥P区多子空穴而吸引少子电 子。 但由于电场强度有限，吸 引到绝缘层的少子电子数量有 限，不足以形成沟道，将漏极 和源极沟通，所以不可能以形 成漏极电流ID。 0＜VGS＜VT ， ID=0
N 沟 道 绝 增 缘 强 栅 型 场 效 P 应 沟 管 道 增 强 型
各种类型MOS管的特性曲线
绝 缘 栅 场 效 应 管
N 沟 道 耗 尽 型
P 沟 道 耗 尽 型
5. 场效应管的主要参数
(1) 开启电压VT ：在VDS为一固定数值时，能产生ID所需要的 最小 |VGS | 值。（增强） (2) 夹断电压VP ：在VDS为一固定数值时，使 ID对应一微小电流 时的 |VGS | 值。（耗尽） (3) 饱和漏极电流IDSS ：在VGS = 0时， VDS > |VP |时的漏 极电流。（耗尽）
Vo Vo
Vi=+Vdd时： Tp:VGSp=0>VT ，截止 Tn:VGSn=Vdd>VT ，导通 Vo= 0
Vi= 0时： Tp:VGSp=-Vdd<VT ，导通 Tn:VGSn=0<VT ，截止 Vo= +Vdd
s
Tn Tn
场效应管应用
例2：压控电阻
vi vo
场效应管工作在可变电阻区时，iD随vDS的增加几乎成 线性增大，而增大的比值受vGS控制。所以可看成是受vGS控制 的电阻。
当|vGS - vDS | | vP |后，管子工作在恒流区，vDS对iD的影响 很小。实验证明，当|vGS - vDS | | VP | 时，iD可近似表示为：
vGS 2 iD I DSS (1 ) VP
IDSS是在VGS = 0， VDS > |VP | 时的漏极电流
场效应管总结
VGS<VP 时工作 PMOS 耗尽 VGS 可正可负 PMOS 增强 VGS>VP 时工作 NMOS 耗尽 VGS 可正可负 NMOS 增强 结型 P 结型 N VGS<VP 时工作 VP >0 VGS>VP 时工作 VP <0 VP VGS>VP 时工作 VT >0 相当于 PMOS 耗尽型 相当于 NMOS 耗尽型 VT VGS<VT 时工作 VT <0
结构动画
2. 工作原理（以N沟道增强型为例）
（1）栅源电压VGS的控制作用
(a) VGS=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。 VGS =0， ID =0
VGS必须大于0 管子才能工作。
（1）栅源电压VGS的控制作用
VGS >0g吸引电子反型层导电沟道 栅源电压VGS的 VGS 反型层变厚 VDS ID
控制作用动画
（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用
（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用
（a）如果VGS＞VT且固定为某一值， VDS=VDG＋VGS=－VGD＋VGS VGD=VGS－VDS VDS为0或较小时， VGD=VGS－VDS ＞VT，沟道分布如图 ，此时VDS 基本均匀降落在沟道中， 沟道呈斜线分布。 这时，ID随VDS增大。
vDS /V
4.其它类型MOS管
（1）N沟道耗尽型： 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VGS=0时，这些正离子已经 在感应出反型层，在漏源之间形 成了沟道。于是只要有漏源电压， 就有漏极电流存在。
各种类型MOS管的特性曲线
1 diD g m dvGS dvDS rds
变化量
iD 求全微分: diD vGS
VDS
dvGS
dvDS
1 I d g m V gs V ds rds
场效应管的小信号模型
一般rds很大，可忽略，得 简化小信号模型:
双极型和场效应型三极管的比较
双极型三极管
结构 NPN型 PNP型
C与E一般不可倒置使用 载流子 控制 噪声 温度特性 输入电阻 静电影响 集成工艺 多子扩散少子漂移 电流控制电流源CCCS(β) 较大 受温度影响较大 几十到几千欧姆 不受静电影响 不易大规模集成
场效应三极管
结型耗尽型 N沟道 P沟道 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道 绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道
工作原理
(b) | VGS- VDS | = | VP |时， 导电沟道在a点相遇， 沟道被夹断。 VGS=0时，产生夹断时 的ID称为漏极饱和电流 IDSS
ID
工作原理
(c) VDS夹端长度 场强 ID=IDSS基本不变。
ID
J型场效应管的 工作原理动画
3. 特性曲线
VDS=10V时的 转移特性曲线
1. 结构和符号（以N沟道增强型为例）
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 D(Drain):漏极，相当c G(Gate):栅极，相当b S(Source):源极，相当e B(Substrate):衬底
D与可倒置使用 多子漂移 电压控制电流源VCCS(gm) 较小 较小，可有零温度系数点 几兆欧姆以上 易受静电影响 适宜大规模和超大规模集成
4.3 场效应管应用
例1：作反相器用。|Vp1|=|Vp2|=VT 0<|VT|<Vdd Tp:p沟道增强型，Tn:n沟道增强型
s
Vi Vi
+Vdd
Tp Tp
ID=f(VDS)VGS=const
输出特性曲线
vGS 在恒流区，iD I D 0 ( - 1) 2 VT
I D 0是vGS 2VT时的iD值
输出特性曲线
(1) 截止区（夹断区） VGS< VT以下区域就是截止区 VGS VT ID=0
iD
(2) 放大区（恒流区） 产生夹断后，VDS增大，ID不变的 区域，VGS -VDS VP VDSID不变 处于恒流区的场效应管相当于一 个压控电流源 (3)饱和区（可变电阻区） 未产生夹断时，VDS增大，ID随着增大的区域 VGS -VDS VP VDSID 处于饱和区的场效应管相当于一个压控可变电阻
§4.4 场效应管放大电路
场效应管的小信号模型 共源极放大电路 共漏极放大电路 共栅组态基本放大电路
4.4.1 场效应管的小信号模型
已知场效应管输出特性表达式： iD
= f (vGS , vDS )
iD vDS
VGS
iD VDS g m 其中： 低频跨导, 可从输出曲线上求出 vGS iD 1 VGS 漏极与源极间等效电阻 vDS rds
（1）栅源电压VGS的控制作用
(c)进一步增加VGS，当VGS＞VT时， 由于此时的栅极电压已经比较强， 栅极下方的P型半导体表层中聚集 较多的电子，将漏极和源极沟通， 形成沟道。如果此时VDS>0，就可 以形成漏极电流ID。在栅极下方导 电沟道中的电子，因与P型区的载 流子空穴极性相反，故称为反型 层。随着VGS的继续增加，反型层 变厚，ID增加
工作原理
(b) 0< VGS < VP VGS 耗尽层变宽
(c) |VGS | = VP ， 导电沟道被全夹断
VGS控制导电沟道的宽窄，即控制ID的大小。
工作原理
（2）VDS>0 但|VGS-VDS| < | VP | ，时
ID
(a) VDS增加，d端电位 高，s端电位低，导电 沟道内存在电位梯度， 所以耗尽层上端变宽。 VDS ID
VDS ID 不变
漏源电压VDS对wk.baidu.com沟道的影响动画
3. 特性曲线（以N沟道增强型为例）
iD
iD
转移特性曲线的斜率gm的大小反
映了栅源电压VGS对漏极电流ID
的控制作用。 gm 的量纲为mA/V
，称为跨导。
gm=ID/VGS VDS=const
vGS /V vDS /V
ID=f(VGS)VDS=const 转移特性曲线
VP V -4 -4 -5.5 -4
gm mA/ V ≥2 ≥3 ≥8 ≥2
fM MHz 300 90 1000
§4. 2 结型场效应管(Junction type Field Effect Transister)
1. N沟道结型场效应管的结构和符号 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)。 箭头方向表示栅结正偏 或正偏时栅极电流方向。 N沟道结型场效 应管的结构动画
2. 工作原理
结型场效应管没有绝缘层，只 能工作在反偏的条件下。N沟道结 型场效应管只能工作在负栅压区， P沟道的只能工作在正栅压区，否 则将会出现栅流。
ID
N沟道结型场效应管工作原理：
（1）VGS对导电沟道的影响：
(a) VGS=0，VDS=0，ID=0
VP(VGS(OFF) )：夹断电压 栅源之间是反偏的PN结， RGS>107，所以IG=0
结型
场效应管：
N沟道
P沟道
增强型 N沟道 MOS型 P沟道 耗尽型 增强型 耗尽型
§4.1 绝缘栅型场效应管( Insulated Gate Field Effect Transister)
VDS ID
（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用
（b）当VDS增加到使VGD=VT 时，沟道如图所示，靠近漏 极的沟道被夹断，这相当于 VDS增加使漏极处沟道缩减到 刚刚开启的情况，称为预夹 断。
（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用
（c）当VDS增加到VGDVT时，沟 道如图所示。此时预夹断区域加 长，向S极延伸。 VDS增加的部分 基本降落在随之加长的夹断沟道 上， ID基本趋于不变
几种常用的场效应三极管的主要参数见表
参 数 型号 3DJ2D 3DJ7E 3DJ15H 3DO2E CS11C
PDM mW 100 100 100 100 100
IDSS mA <0.35 <1.2 6～11 0.35～1.2 0.3～1
VRDS V >20 >20 >20 >12
VRGS V >20 >20 >20 >25 -25
(4) 极间电容 ：漏源电容CDS约为 0.1~1pF，栅源电容CGS和栅 漏极电容CGD约为1~3pF。
场效应管的主要参数
(5) 低频跨导 gm ：表示vGS对iD的控制作用。
d iD gm = VDS d vGS
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。 (6) 最大漏极电流 IDM (7) 最大漏极耗散功率 PDM (8) 漏源击穿电压 V(BR)DS 栅源击穿电压 V(BR)GS
场效应三极管的型号
场效应三极管的型号, 现行有两种命名方法。其一是与双 极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表 绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型 层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场 效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。 第二种命名方法 是CS××#，CS代表 场效应管，××以数 字代表型号的序号，# 用字母代表同一型号 中的不同规格。例如 CS14A、CS45G等。
绝缘栅型场效应管IGFET有称金属氧化物场效应管 MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)是一种利用半导体
表面的电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极 电流的器件，它的栅极与半导体之间是绝缘的，其电阻大于 109。
增强型：VGS=0时，漏源之间没有导电沟道， 在VDS作用下无iD。 耗尽型：VGS=0时，漏源之间有导电沟道， 在VDS作用下iD。
（b）当栅极加有电压时，若 0＜VGS＜VGS(th) （ VT 称为开 启电压)时，在Sio2介质中产生 一个垂直于半导体表面的电场， 排斥P区多子空穴而吸引少子电 子。 但由于电场强度有限，吸 引到绝缘层的少子电子数量有 限，不足以形成沟道，将漏极 和源极沟通，所以不可能以形 成漏极电流ID。 0＜VGS＜VT ， ID=0
N 沟 道 绝 增 缘 强 栅 型 场 效 P 应 沟 管 道 增 强 型
各种类型MOS管的特性曲线
绝 缘 栅 场 效 应 管
N 沟 道 耗 尽 型
P 沟 道 耗 尽 型
5. 场效应管的主要参数
(1) 开启电压VT ：在VDS为一固定数值时，能产生ID所需要的 最小 |VGS | 值。（增强） (2) 夹断电压VP ：在VDS为一固定数值时，使 ID对应一微小电流 时的 |VGS | 值。（耗尽） (3) 饱和漏极电流IDSS ：在VGS = 0时， VDS > |VP |时的漏 极电流。（耗尽）
Vo Vo
Vi=+Vdd时： Tp:VGSp=0>VT ，截止 Tn:VGSn=Vdd>VT ，导通 Vo= 0
Vi= 0时： Tp:VGSp=-Vdd<VT ，导通 Tn:VGSn=0<VT ，截止 Vo= +Vdd
s
Tn Tn
场效应管应用
例2：压控电阻
vi vo
场效应管工作在可变电阻区时，iD随vDS的增加几乎成 线性增大，而增大的比值受vGS控制。所以可看成是受vGS控制 的电阻。
当|vGS - vDS | | vP |后，管子工作在恒流区，vDS对iD的影响 很小。实验证明，当|vGS - vDS | | VP | 时，iD可近似表示为：
vGS 2 iD I DSS (1 ) VP
IDSS是在VGS = 0， VDS > |VP | 时的漏极电流
场效应管总结
VGS<VP 时工作 PMOS 耗尽 VGS 可正可负 PMOS 增强 VGS>VP 时工作 NMOS 耗尽 VGS 可正可负 NMOS 增强 结型 P 结型 N VGS<VP 时工作 VP >0 VGS>VP 时工作 VP <0 VP VGS>VP 时工作 VT >0 相当于 PMOS 耗尽型 相当于 NMOS 耗尽型 VT VGS<VT 时工作 VT <0
结构动画
2. 工作原理（以N沟道增强型为例）
（1）栅源电压VGS的控制作用
(a) VGS=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。 VGS =0， ID =0
VGS必须大于0 管子才能工作。
（1）栅源电压VGS的控制作用
VGS >0g吸引电子反型层导电沟道 栅源电压VGS的 VGS 反型层变厚 VDS ID
控制作用动画
（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用
（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用
（a）如果VGS＞VT且固定为某一值， VDS=VDG＋VGS=－VGD＋VGS VGD=VGS－VDS VDS为0或较小时， VGD=VGS－VDS ＞VT，沟道分布如图 ，此时VDS 基本均匀降落在沟道中， 沟道呈斜线分布。 这时，ID随VDS增大。
vDS /V
4.其它类型MOS管
（1）N沟道耗尽型： 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VGS=0时，这些正离子已经 在感应出反型层，在漏源之间形 成了沟道。于是只要有漏源电压， 就有漏极电流存在。
各种类型MOS管的特性曲线
1 diD g m dvGS dvDS rds
变化量
iD 求全微分: diD vGS
VDS
dvGS
dvDS
1 I d g m V gs V ds rds
场效应管的小信号模型
一般rds很大，可忽略，得 简化小信号模型:
双极型和场效应型三极管的比较
双极型三极管
结构 NPN型 PNP型
C与E一般不可倒置使用 载流子 控制 噪声 温度特性 输入电阻 静电影响 集成工艺 多子扩散少子漂移 电流控制电流源CCCS(β) 较大 受温度影响较大 几十到几千欧姆 不受静电影响 不易大规模集成
场效应三极管
结型耗尽型 N沟道 P沟道 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道 绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道
工作原理
(b) | VGS- VDS | = | VP |时， 导电沟道在a点相遇， 沟道被夹断。 VGS=0时，产生夹断时 的ID称为漏极饱和电流 IDSS
ID
工作原理
(c) VDS夹端长度 场强 ID=IDSS基本不变。
ID
J型场效应管的 工作原理动画
3. 特性曲线
VDS=10V时的 转移特性曲线
1. 结构和符号（以N沟道增强型为例）
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 D(Drain):漏极，相当c G(Gate):栅极，相当b S(Source):源极，相当e B(Substrate):衬底
D与可倒置使用 多子漂移 电压控制电流源VCCS(gm) 较小 较小，可有零温度系数点 几兆欧姆以上 易受静电影响 适宜大规模和超大规模集成
4.3 场效应管应用
例1：作反相器用。|Vp1|=|Vp2|=VT 0<|VT|<Vdd Tp:p沟道增强型，Tn:n沟道增强型
s
Vi Vi
+Vdd
Tp Tp
ID=f(VDS)VGS=const
输出特性曲线
vGS 在恒流区，iD I D 0 ( - 1) 2 VT
I D 0是vGS 2VT时的iD值
输出特性曲线
(1) 截止区（夹断区） VGS< VT以下区域就是截止区 VGS VT ID=0
iD
(2) 放大区（恒流区） 产生夹断后，VDS增大，ID不变的 区域，VGS -VDS VP VDSID不变 处于恒流区的场效应管相当于一 个压控电流源 (3)饱和区（可变电阻区） 未产生夹断时，VDS增大，ID随着增大的区域 VGS -VDS VP VDSID 处于饱和区的场效应管相当于一个压控可变电阻
§4.4 场效应管放大电路
场效应管的小信号模型 共源极放大电路 共漏极放大电路 共栅组态基本放大电路
4.4.1 场效应管的小信号模型
已知场效应管输出特性表达式： iD
= f (vGS , vDS )
iD vDS
VGS
iD VDS g m 其中： 低频跨导, 可从输出曲线上求出 vGS iD 1 VGS 漏极与源极间等效电阻 vDS rds
（1）栅源电压VGS的控制作用
(c)进一步增加VGS，当VGS＞VT时， 由于此时的栅极电压已经比较强， 栅极下方的P型半导体表层中聚集 较多的电子，将漏极和源极沟通， 形成沟道。如果此时VDS>0，就可 以形成漏极电流ID。在栅极下方导 电沟道中的电子，因与P型区的载 流子空穴极性相反，故称为反型 层。随着VGS的继续增加，反型层 变厚，ID增加
工作原理
(b) 0< VGS < VP VGS 耗尽层变宽
(c) |VGS | = VP ， 导电沟道被全夹断
VGS控制导电沟道的宽窄，即控制ID的大小。
工作原理
（2）VDS>0 但|VGS-VDS| < | VP | ，时
ID
(a) VDS增加，d端电位 高，s端电位低，导电 沟道内存在电位梯度， 所以耗尽层上端变宽。 VDS ID
VDS ID 不变
漏源电压VDS对wk.baidu.com沟道的影响动画
3. 特性曲线（以N沟道增强型为例）
iD
iD
转移特性曲线的斜率gm的大小反
映了栅源电压VGS对漏极电流ID
的控制作用。 gm 的量纲为mA/V
，称为跨导。
gm=ID/VGS VDS=const
vGS /V vDS /V
ID=f(VGS)VDS=const 转移特性曲线
VP V -4 -4 -5.5 -4
gm mA/ V ≥2 ≥3 ≥8 ≥2
fM MHz 300 90 1000
§4. 2 结型场效应管(Junction type Field Effect Transister)
1. N沟道结型场效应管的结构和符号 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)。 箭头方向表示栅结正偏 或正偏时栅极电流方向。 N沟道结型场效 应管的结构动画
2. 工作原理
结型场效应管没有绝缘层，只 能工作在反偏的条件下。N沟道结 型场效应管只能工作在负栅压区， P沟道的只能工作在正栅压区，否 则将会出现栅流。
ID
N沟道结型场效应管工作原理：
（1）VGS对导电沟道的影响：
(a) VGS=0，VDS=0，ID=0
VP(VGS(OFF) )：夹断电压 栅源之间是反偏的PN结， RGS>107，所以IG=0