第三章授课教案

第三章场效应管放大电路

〖本章主要内容〗

本章重点讲述场效应管的基本结构和工作原理，由场效应管构成的放大电路的分析方法。

〖学时分配〗

本章有6讲，每讲两个学时。

第十讲场效应管

一、主要内容

１、效应管及其类型

效应管FET是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。根据结构不同可分为两大类：结型场效应管（JFET）和金属－氧化物－半导体场效应管（MOSFET简称MOS管）。每一类又有N沟道和P沟道两种类型。其中MOS管又可分为增强型和耗尽型两种。

2、N沟道增强型MOS管结构

N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层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型区引出两个电极，漏极D，和源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。因为这种MOS管在V GS=0V时I D=0；只有当U GS＞U GS(th) 后才会出现漏极电流，所以称为增强型MOS管。如P42图1.44所示。

3、N沟道增强型MOS管的工作原理

1）夹断区工作条件

U GS=0时，D与S之间是两个PN结反向串联，没有导电沟道，无论D与S之间加什么极性的电压，漏极电流均接近于零；当0﹤U GS﹤U GS(th时，由柵极指向衬底方向的电场使空穴向下移动，电子向上移动，在P型硅衬底的上表面形成耗尽层，仍然没有漏极电流。工作条件

U GS> U GS(th) 时，栅极下P型半导体表面形成N型导电沟道(反型层)，若D、S间加上正向电压后可产生漏极电流I D。若u DS＜u GS- U GS(th)，则沟道没夹断，对应不同的u GS，ds间等效成不同阻值的电阻，此时，FET相当于压控电阻。

3）恒流区（或饱和区）工作条件

当u DS=u GS- U GS(th) 时，沟道预夹断；若u DS＞u GS- U GS(th)，则沟道已夹断，i D仅仅决定于u GS，而与u DS无关。此时，i D近似看成u GS控制的电流源，FET相当于压控流源。

可见，对于N沟道增强型MOS管，栅源电压V GS对导电沟道有控制作用，即U GS> U GS(th)时，才能形成导电沟道将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流

I D。

当场效应管工作在恒流区时，利用栅－源之间外加电压u GS所产生的电场来改变导电沟道的宽窄，从而控制多子漂移运动所产生的漏极电流I D。此时，可将I D看成电压u GS控制的电流源。

4、N沟道耗尽型MOSFET

N沟道耗尽型MOSFET是在栅极下方的S i O2绝缘层中掺入了大量的金属正离子，所以当U GS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。如P45图1.48所示。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。当U GS＞0时，将使I D进一步增加。U GS＜0时，随着U GS 的减小漏极电流逐渐减小，直至I D=0。对应I D=0的U GS称为夹断电压，用符号U GS(off)表示，5、P沟道增强型和耗尽型MOSFET

P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。

6、场效应管的伏安特性

场效应三极管的特性曲线类型比较多，根据导电沟道的不同以及是增强型还是耗尽型可

有四种转移特性曲线和输出特性曲线，其电压和电流方向也有所不同。

以增强型N沟MOSFET为例，

输出特性：i D＝f (u DS)︱U GS =常数反映U GS＞U GS(th) 且固定为某一值时，U DS对I D的影响；

转移特性：i D＝f (u GS)︱U DS =常数反映U GS对漏极电流的控制关系；

输出特性和转移特性反映了场效应管工作的同一物理过程，因此，转移特性可以从输出特性上用作图法一一对应地求出。

场效应管的输出特性可分为四个区：夹断区、可变阻区、饱和区（或恒流区）和击穿区。在放大电路中，场效应管工作在饱和区。

7、场效应管的主要参数：

1）直流参数

（1）开启电压U GS(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U GS(off)：夹断电压是耗尽型FET的参数，当U GS=U GS(off) 时，漏极电流为零。

（3）饱和漏极电流I DSS：I DSS是耗尽型FET的参数，当U GS=0时所对应的漏极电流。

（4）直流输入电阻R GS（DC）：FET的栅源输入电阻。对于JFET，反偏时R GS约大于107Ω；对于MOSFET，R GS约是109～1015Ω。交流参数

（1）低频跨导g m：低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用十分相像。g m可以在转移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。

（2）级间电容：FET的三个电极间均存在极间电容。通常C gs和C gd约为1～3pF,而C ds 约为0.1～1pF。在高频电路中，应考虑极间电容的影响。极限参数

（1）最大漏极电流I DM：是FET正常工作时漏极电流的上限值。

（2）漏--源击穿电压U(BR)DS：FET进入恒流区后，使i D骤然增大的u DS值称为漏—源击穿电压，u DS超过此值会使管子烧坏。

（3）最大耗散功率P DM：可由P DM= V DS I D决定，与双极型三极管的P CM相当。

8、场效应管FET与晶体管BJT的比较

1）FET是另一种半导体器件，在FET中只是多子参与导电，故称为单极型三极管；而普通三极管参与导电的既有多数载流子，也有少数载流子，故称为双极型三极管（BJT）。由于少数载流子的浓度易受温度影响，因此，在温度稳定性、低噪声等方面FET优于BJT。

2）BJT是电流控制器件，通过控制基极电流达到控制输出电流的目的。因此，基极总有一定的电流，故BJT的输入电阻较低；FET是电压控制器件，其输出电流取决于栅源间的电压，栅极几乎不取用电流，因此，FET的输入电阻很高，可以达到109～１014Ω。高输入电阻是FET的突出优点。

3）FET的漏极和源极可以互换使用，耗尽型MOS管的栅极电压可正可负，因而FET放大电路的构成比BJT放大电路灵活。

4）FET 和BJT都可以用于放大或作可控开关。但FET还可以作为压控电阻使用，可以在微电流、低电压条件下工作，且便于集成。在大规模和超大规模集成电路中应用极为广泛。

二、本讲重点

1、MOS管结构原理；

2、MOS管的伏安特性及其在三个工作区的工作条件；

三、本讲难点：

1、MOS管各工作区的工作条件；

四、教学组织过程

本讲以教师讲授为主。用多媒体演示FET的结构原理、输出与转移特性等，便于学生理解和掌握。FET的工作区、管型的判断方法可以启发讨论。

五、课后习题

见相应章节的“习题指导”。