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1、第5章 场效应管及其基本放大电路,5.1 场效应管,1. 特点:,(1)导电能力由电压控制的半导体器件。,(2) 仅靠多数载流子导电,又称单极型晶体管。,(3) 体积小、耗电少、寿命长等优点，,(4) 输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、 噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。,(5)广泛用于大规模及超大规模集成电路。,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,（耗尽型）,2.场效应管分类：,N,基底 ：N型半导体,两边是P区,G栅极,S源极,D漏极,结构:,导电沟道,PN结,5.1.1 结型场效应管:,P 沟道结型场效应管,N沟道结型场效应管,符号：,二、工作原理（以
2、N沟道为例）,当 UDS= 0 V时：,* 若加入UGS 0,PN结反偏，耗尽层变厚,* 若UGS = 0,沟道较宽，沟道电阻小,沟道变窄，沟道电阻增大,* 若UGS = VP （夹断电压）时,沟道夹断，沟道电阻很大,|UGS|越大,则耗尽区越宽，导电沟道越窄。,当|UGS|较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。,沟道夹断时（夹断电压VP）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使UDS 0V，漏极电流ID=0A。,加入UGS使沟道变窄，该类型效应管称为耗尽型,漏源电压VDS对iD的影响,随VDS增大，这种不均匀性越明显。当VDS增加到使VGD=VGS-VDS =VP 时
3、，在紧靠漏极处出现预夹断点。,当VDS继续增加时，预夹断区向源极方向伸长。,* 在栅源间加电压VGS，漏源间加电压VDS。,由于漏源间有一电位梯度VDS,漏端耗尽层所受的反偏电压为VGD=VGS-VDS,源端耗尽层所受的反偏电压为VGD=VGS,漏端的耗尽层比源端的耗尽层厚，使沟道呈楔形。,沟道夹断前，iD 与 vDS 近似呈线性关系。,电阻增大，使VDS增加不能使漏极也增大，漏极电流 iD 趋于饱和。,4.1.2 伏安特性曲线及参数,1、输出特性曲线：,（1）可变电阻区,条件：源端与漏端沟道都不夹断,特点:,1)当vGS 为定值时, 管子的漏源间呈线性电阻，且其阻值受 vGS 控制 。,2)
4、管压降vDS 很小。,用途：做压控线性电阻和无触点电子开关。,（2）恒流区：(又称饱和区或放大区）,条件:,漏端沟道予夹断,源端沟道未夹断, 恒流性：输出电流 i D 基本上不受输出电压 v DS 的影响。,特点:,受控性： 输入电压 vGS 控制输出电流,用途: 可做放大器和恒流源。,恒流区,恒流区,（3）夹断区：,用途：做无触点电子开关。,条件：整个沟道都夹断,特点：,（4）击穿区,当漏源电压增大到 时,V(BR)DS一般为（20 50）V之间。由于VGD=VGS-VDS, 故vGS越负，对应的V(BR)DS就越小。管子不能在击穿区工作。,漏端PN结发生雪崩击穿， iD 剧增,2、转移特性
5、曲线,输入电压VGS对输出漏极电流ID的控制,转移特性曲线的斜率， gm 的大小反映了VGS对ID的控制作用。 其量纲为mA/V。,gm=ID/VGSQ （mS),跨导：,结型场效应管的特性小结,5.1 金属-氧化物-半导体场效应管,绝缘栅型场效应管( Metal Oxide Semiconductor ) MOSFET,N沟道 P沟道 增强型,N沟道 P沟道 耗尽型,增强型 (N沟道、P沟道,耗尽型 (N沟道、P沟道),类型及其符号:,VGS=0 时无导电沟道,VGS=0 时已有导电沟道。,5.1.1 N沟道增强型绝缘栅场效应管NMOS,漏极D,1、结构,栅极G,源极S,金属 栅极和其它电极
6、及硅片之间是绝缘的，称绝缘栅型场效应管。,由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电阻很高，最高可达1014 。,绝缘层目前常用二氧化硅，故又称金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOS场效应管。,2、N沟道增强型MOS场效应管的工作原理,(1). 栅源电压VGS的控制作用,当VGS=0V时,因 PN结的隔离，即使在D、S之间加上电压, 在D、S间也不可能形成电流。,当 0VGSVT (开启电压)时,由栅极和衬底间的电场作用，,将栅极下方P型衬底表层的空穴向下排斥,电子向上吸引，,复合形成一薄层离子耗尽层。,漏源间仍无载流子的通道。管子仍不能导通，处于截止状态。,当VGSVT时，,衬底中的电子进
7、一步被吸至栅极下方的P型衬底表层,使衬底表层中的电子空穴数量，该薄层转换为N型半导体，称为反型层。,形成源区到漏区的N型沟道。,把开始形成反型层的VGS值称为该管的开启电压VT。,VGS越大，沟道越宽，沟道电阻越小,在同样 VDS 电压作用下， I D 越大。这样，就实现了VGS 对于 I D 的控制。,这时，若在漏源间加电压 VDS，就能产生漏极电流 I D，即管子开启。,2 .漏源电压VDS对沟道导电能力的影响,A,当VGSVT且固定为某值的情况下：,加正电压VDS，则形成漏极电流ID,当ID从D S流过沟道时，沿途会产生压降，进而导致沿着沟道长度上栅极与沟道间的电压分布不均匀。,S端电压
8、最大(为VGS )，感生的沟道最宽；D端电压最小（为VGD=VGS-VDS）感生的沟道窄；沟道呈锥形分布。,当VGD=VT，即VGS-VDS=VT时，则漏端沟道消失，出现预夹断点。,当VDS为0或较小时，VGDVT，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。,当VDS增加到使VGD=VT时，预夹断。,当VDS增加到使VGDVT时，预夹断点向源极端延伸成小的夹断区。电阻增大，VDS增加的部分基本上降落在该夹断区内，ID基本不随VDS增加而变化。,MOSFET的特性曲线,1.漏极输出特性曲线,V-I特性表达式不做要求,2.转移特性曲线 VGS对ID的控制特性,转移特性曲线的斜率 gm 的大
9、小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 其量纲为mA/V，称gm为跨导。,ID=f(VGS)VDS=常数,gm=ID/VGSQ （mS),增强型MOS管特性小结,耗尽型MOSFET,N沟道耗尽型MOS管，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子，在管子制造过程中，这些正离子已经在漏源之间的衬底表面感应出反型层，形成了导电沟道。 因此，使用时无须加开启电压（VGS=0），只要加漏源电压，就会有漏极电流。当VGS0 时，将使ID进一步增加。VGS0时，随着VGS 的减小ID 逐渐减小，直至 ID=0。对应ID=0 的 VGS 值为夹断电压 VP 。,耗尽型MOSFET的特性曲线,绝缘
10、栅场效应管,N 沟 道 耗 尽 型,P 沟 道 耗 尽 型,场效应三极管的参数和型号,一、 场效应三极管的参数 1. 开启电压VT 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VP 夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VP时,漏极 电流为零。,3. 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管, 当VGS=0时所对应的漏极电流。,4. 输入电阻RGS,结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107；绝缘栅型场效应三极管, RGS约是1091015。,5. 低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用， gm可以在转 移特性曲线上求取，单
11、位是mS (毫西门子)。,6.最大漏极功耗PDM 最大漏极功耗可由PDM= VDS ID决定，与双极型 三极管的PCM相当。,场效应管与晶体管的比较,类 型 NPN和PNP N沟道和P沟道,放大参数,耗尽型,G、S之间加一定 电压才形成导电沟道,在制造时就具有 原始导电沟道,4.4 场效应管放大电路,4.4.1 直流偏置电路及静态分析,(1) 自偏压电路:,仅适用于耗尽型场效应管，VGS=0 时，沟道已存在。加VDD后, VS=ID R 。,(2) 分压式偏压电路,直流通道,由：VG =VDD Rg2 / (Rg1+Rg2) 及 VS = IDR,2、静态工作点的确定：,4.4.2 小信号模型分析法,低频模型,高频模型,跨导,漏极输出电阻,1. 小信号模型,2.用小信号模型进行交流分析,小信号等效电路,（1）电压放大倍数,(2) 输入电阻,(3) 输出电阻,一、静态分析,USUG,UDS=UDD- US =20-5=15V,例4.4.2 源极输出器,二、动态分析,输入电阻 ri,输出电阻 ro,加压求流法,