场效应管及其基本放大电路

共源极放大电路 求ID、VDS、VGS
直流通路
30
§3.2 场效应管单管放大电路
1. 直流偏置及静态工作点的计算
（1）简单的共源极放大电路（N沟道）
VGS Rg2 Rg1 Rg2 VDD
须满足VGS > VT ，否则工作在截止区 假设工作在饱和区，即 VDS (VGS VT )
I D Kn (VGS VT )2
g
p+
vGD=vGS-vDS =VP
结型场效应管的缺点：
VGG
p+
VDD
1. 栅源极间的电阻虽然可达107以上， 但在某些场合仍嫌不够高。
2. 在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的 电阻会显著下降。 3. 栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的 栅极电流。
s
18
iD=0
iD迅速增大
图 示 ： 改 变 vDS 时 导 电 沟 道 的 变 化
§3.2 场效应管单管放大电路
例3.2.1： 设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k， VDD=5V， VT=1V， Kn 0.2mA / V 2
试计算电路的静态漏极电流IDQ和
漏源电压VDSQ 。
Rg2 VDD 40 5V 2V Rg1 Rg2 60 40
二、 图解分析
§3.2 场效应管单管放大电路
VGSQ = VGG
iD f ( vDS ) vGS Q
v VDD i D Rd
DS
Q
负载开路，交流负载线 与直流负载线相同
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三、小信号模型分析
（1）模型 场效应管输出特性表达式：i D f ( vGS , v DS )
其中： i D
(a) vGS=0, vDS=0时
iD趋于饱和
(b) vGS=0, vDS<│VP│时
iD饱和
JFET
(c) vGS=0, vDS=│VP│时
(d) vGS=0, vDS>│VP│时 19
三、JFET的特性曲线及参数
1. 输出特性
iD f (vDS ) vGS const.
2. 转移特性 iD f (vGS ) vDS const. vGS 2 iD I DSS (1 ) VP
rds vDS iD
VGS
饱和区rds→∞
⑵ 低频互导gm
iD gm vGS
VDS
反映了栅源电压vGS对漏极电流iD的控制作用。 21
四、FET的主要参数
3.极限参数
⑴ 最大漏极电流IDM
⑵ 最大耗散功率PDM ⑶ 最大漏源电压V（BR）DS ⑷ 最大栅源电压V（BR）GS
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绝缘栅型场效应管特性曲线
VGG
N沟道增强型MOSFET
i D f (v DS ) vGS const.
① 截止区 当vGS＜VT时，导电沟道尚未形 成，iD＝0，为截止工作状态。 ② 可变电阻区 vDS≤（vGS－VT）
iD 2Kn ( vGS VT ) vDS
Kn电导常数 单位：mA/V2 ③ 饱和区 （恒流区又称放大区）
vGS iD I DO ( 1)2 VT
IDO是vGS＝2VT时的iD
8
3. V-I 特性曲线及大信号特性方程 （2）转移特性 i D f (vGS ) vDS const.
ID /mA
4 3 2 1 6V
N沟道增强型MOSFET
ID /mA
3 2 1
转移特性
VGS =5V
4V 3V 2V
§3.1 场效应管
一、金属氧化物-半导体（MOS）场效应管 1.N沟道增强型MOSFET
1）结构（N沟道）L ：沟道长度 通常 W > L
W ：沟道宽度 tox ：绝缘层厚度
3
N沟道增强型MOSFET
2）工作原理
s 二氧化硅 N
＋
g d
iD＝0 铝
s
VGG g d
iD＝0
N
＋
N
＋
N
＋
耗尽层 P B 衬底引线
(VP vGS 0)
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四、场效应管的主要参数
1.直流参数 ⑴ 开启电压VT （增强型参数）
V 夹断电压VP （耗尽型参数） ⑵ DS为一固定数值时，能产生ID所需要的最小 |VGS | 值。
⑶ 饱和漏电流IDSS （耗尽型参数） VDS为一固定数值时，使 ID对应一微小电流时的 |VGS | 值。 ⑷直流输入电阻R |VP |时的漏极电流。 VGS = 0时， VDS >GS （109Ω～1015Ω ） 2.交流参数 ⑴ 输出电阻rds
ID
--- ---
5
N沟道增强型MOSFET
2）工作原理
（1）栅源电压vGS的控制作用
控制导电沟道电阻。
（2）vDS对沟道的控制作用
当vGS一定（vGS >VT ）时， vDS iD 沟道电位梯度
靠近漏极d处的电位升高 电场强度减小 沟道变薄 整个沟道呈楔形分布
当vDS增加到使vGD=VT 时，在紧靠漏 极处出现预夹断。 在预夹断处：vGD=vGS-vDS =VT 预夹断后，vDS 夹断区延长 沟道电阻 ID基本不变 vDS/V 6
VDD s VGG g d iD 迅 速 增 大
耗尽层 N 型(感生)沟道 P B 衬底引线
VDD s VGG g d iD 饱 和
N
＋
N
＋
N
＋
N
＋
N 型(感生)沟道 P B 衬底引线
夹断区 P B 衬底引线
4
N沟道增强型MOSFET
2）工作原理
（1）栅源电压vGS的控制作用
a.当vGS≤0时 无导电沟道， d、s间加电压 时，也无电流产生。 b.当0<vGS <VT 时 产生电场，但未形成导电沟道 （感生沟道），d、s间加电压后，没 有电流产生。 c.当vGS >VT 时 反型层，也叫感生沟道。 •VT 称为开启电压：刚刚产生沟道 所需的栅源电压vGS。vGS越大，反 型层越宽，导电沟道电阻越小。 VDD VGG
1
§3.1 场效应管
一、金属氧化物-半导体（MOS）场效应管 1.N沟道增强型MOSFET
1）结构 源极 S
（N沟道）
符号
D 漏极
G 栅极
SiO2绝缘层
N+
N+
D(Drain):漏极，相当c G(Gate):栅极，相当b P型衬底 S(Source):源极，相当e B(Substrate):衬底 B 符号中箭头的方向表示由P(衬底)指向N(沟道)，三条垂 直短线表示在未加适当栅压前漏极与源极之间无导电沟道。 由于栅极与源极、漏极均无电接触，故称绝缘栅极。
当沟道夹断时，对应的栅源电压 vGS称为夹断电压VP 。
gg g
V VGGGG VGG
p+p+ p+ NN N
+ p+p p+
ss s
16 N沟道的JFET，VP <0。
N沟道JFET工作原理
② vDS对iD的影响 （vGS =0）
1）当vDS=0时，iD=0。 2） vDS iD G、D间PN结的反向电压增加， 使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道 变窄，从上至下呈楔形分布。 3）当vDS↑，使vGD=vGS- vDS=-vDS= VP时， 在靠漏极A点处夹断—预夹断。 此时iD达到了饱和漏电流IDSS vDS 夹断区延长 沟道电阻
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2.N沟道耗尽型MOSFET
2） V-I 特性曲线及大信号特性方程
vGS 2 饱和区：iD I DSS ( 1 ) VP
IDSS :零栅压的漏极电流。 饱和漏极电流。
12
P沟道MOSFET
vGS < 0
vGS可正可负
13
§3.1 场效应管
二、结型场效应管（JFET） 1. 结构
漏极D(d)
0
5
10
15
0
VT 2
4
6
VGS / V
9
2.N沟道耗尽型MOSFET
1） 结构和工作原理（N沟道）
二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子 可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流
10
2.N沟道耗尽型MOSFET
特点： 当vGS=0时，就有沟道， 加入vDS，就有iD。 当vGS＞0时，沟道增宽， iD进一步增加。 当vGS＜0时，沟道变窄， iD减小。 夹断电压（ VP）——沟道刚刚消失所需的栅 源电压vGS。
vDS极性的规律：使载流子向漏极做漂移运动。
增强型
耗尽型
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vGS 可正、可负、可为零
双极型和场效应型三极管的比较
双极型三极管 单极型场效应管
载流子
输入量 控制
多子扩散少子漂移
电流输入 电流控制电流源
一种载流子漂移
电压输入 电压控制电流源
输入电阻
热噪声 静电影响
几十到几千欧
较大 不受静电影响
几兆欧以上
d d di
d iidd
A
g g
p+ p+ p+ p+ N N N p+ + p+ p
VDD VDD VDD
s s s
ID基本不变
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N沟道JFET工作原理
③ vGS和vDS同时作用时
当VP <vGS<0 时，导电沟道更容易夹断，
d
id
对于同样的vDS ， ID的值比vGS=0时的值要小。
在预夹断处
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三、小信号模型分析
1 id gm v gs vds rds