场效应管详解

场效应管放大电路结型场效应管（JFET）N沟道、P沟道绝缘栅型场效应管（MOSFET）增强型（N沟道、P沟道）耗尽型（N沟道、P沟道）场效应管¾场效应晶体三极管是由一种载流子导电的、用输入电压控制输出电流的半导体器件。

从参与导电的载流子来划分，它有自由电子导电的N沟道器件和空穴导电的P沟道器件。

按照场效应三极管的结构划分，有结型场效应管和绝缘栅型场效应管两大类。

结型场效应管(Junction type Field Effect Transistor, JFET)1.结构2.工作原理N沟道：自由电子P沟道：空穴N 沟道PN结利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小电压控制型元件单极型①栅源电压V GS 对i D 的控制作用当V GS ＜0时，PN 结反偏，耗尽层变厚，沟道变窄，沟道电阻变大，I D 减小；V GS 更负，沟道更窄，I D 更小；直至沟道被耗尽层全部覆盖，沟道被夹断，I D ≈0。

这时所对应的栅源电压V GS 称为夹断电压V P 。

②漏源电压V DS 对i D 的影响在栅源间加电压V GS ＞V P ，漏源间加电压V DS 。

则因漏端耗尽层所受的反偏电压为V GD =V GS -V DS ，比源端耗尽层所受的反偏电压V GS 大,(如:V GS =-2V, V DS =3V, V P =-9V,则漏端耗尽层受反偏电压为-5V ，源端耗尽层受反偏电压为-2V),使靠近漏端的耗尽层比源端厚，沟道比源端窄，故V DS 对沟道的影响是不均匀的，使沟道呈楔形。

随V DS 增大，这种不均匀性越明显。

当V DS 增加到使V GD =V GS -V DS =V P 时，在紧靠漏极处出现预夹断点。

当V DS 继续增加时，预夹断点向源极方向伸长为预夹断区。

由于预夹断区电阻很大，使V DS 降落在该区，由此产生的强电场力把未夹断区边界上的载流子都扫至漏极，形成漏极饱和电流。

（动画2-6）3.伏安特性曲线①输出特性曲线CVDS D GS V f i ==)(恒流区：(又称饱和区或放大区）特点:(1)受控性：输入电压v GS 控制输出电流()21V v I i PGS DSS D −=(2)恒流性：输出电流i D基本上不受输出电压v DS 的影响。

用途:可做放大器和恒流源。

条件:(1)源端沟道未夹断(2)漏端沟道予夹断V V PGS <V V V PGS DS −≥可变电阻区特点:(1)当v GS为定值时,i D是v DS的线性函数，管子的漏源间呈现为线性电阻，且其阻值受v GS控制。

（2）管压降v DS很小。

用途：做压控线性电阻和无触点的、闭合状态的电子开关。

条件：源端与漏端沟道都不夹断VV PGS<VVV PGSDS−<夹断区用途：做无触点的、断开状态的电子开关。

条件：整个沟道都夹断V V PGS ≥击穿区V V DS BR DS )(=当漏源电压增大到时，漏端PN 结发生雪崩击穿，使i D 剧增的区域。

其值一般为（20—50）V 之间。

由于V GD =V GS -V DS, 故v GS 越负，对应的V P 就越小。

管子不能在击穿区工作。

0≈i D 特点：BJT 输入特性曲线JFET 栅源间加反偏电压，栅极电流为0，故讨论转移特性曲线输入特性曲线—i B =f (v BE )⏐v CE = 常数②转移特性曲线CV GS D DS V f i ==)(输入电压V GS 对输出漏极电流I D 的控制()()()ms g dv di v i m Q GS D Q GS D ==ΔΔ//I D =I DSS [1－(V GS /V P )]2)0(≤≤GS P V VBJT：放大、饱和、截止JFET：恒流、可变电阻、夹断结型场效应管的特性小结结型场效应管N 沟道耗尽型P 沟道耗尽型结型场效应管的主要参数1 夹断电压V P 2饱和漏极电流I DSS 当V GS =0时，V DS 大于|V P |时的漏极电流。

3低频跨导g m 反映了栅源电压对漏极电流的控制作用DS v GS D m v i g ∂∂=p P GS DSS GS P GS DSS m v v v I dv v v I d g )1(2])1([2−−=−=4 输出电阻GS v D DS d i v r ∂∂=5最大漏极功耗P DM P DM =V DS I D相当于β相当于r ce金属-氧化物-半导体场效应管绝缘栅型场效应管Metal Oxide Semiconductor——MOSFET 增强型→N 沟道、P 沟道耗尽型→N 沟道、P 沟道增强型：没有导电沟道，。

时，00==D GS i v 。

时，00≠=D GS i v 耗尽型：存在导电沟道，N 沟道P 沟道增强型N 沟道P 沟道耗尽型N 沟道增强型场效应管的工作原理1. 栅源电压V GS 的控制作用当V GS =0V 时，因为漏源之间被两个背靠背的PN 结隔离，因此，即使在D 、S 之间加上电压,在D 、S 间也不可能形成电流。

当0＜V GS ＜V T (开启电压)时，果在衬底表面形成一薄层负离子的耗尽层。

漏源间仍无载流子的通道。

管子仍不能导通，处于截止状态。

通过栅极和衬底间的电容作用，将栅极下方P 型衬底表层的空穴向下排斥，同时，使两个N 区和衬底中的自由电子吸向衬底表层，并与空穴复合而消失，结续的N 型沟道。

把开始形成反型层的V GS 值称为该管的开启电压V T 。

这时，若在漏源间加电压V DS ，就能产生漏极电流I D ，即管子开启。

V GS 值越大，沟道内自由电子越多，沟道电阻越小，在同样V DS 电压作用下，I D 越大。

这样，就实现了输入电压V GS 对输出电流I D 的控制。

当V GS ＞V T 时，衬底中的电子进一步被吸至栅极下方的P 型衬底表层，使衬底表层中的自由电子数量大于空穴数量，该薄层转换为N 型半导体，称为反型层。

形成N 源区到N 漏区V DS I D2 .漏源电压VDS对沟道导电能力的影响当VGS＞V T且固定为某值的情况下，若给漏源间加正电压VDS则源区的自由电子将沿着沟道漂移到漏区，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。

源极端电压最大，为V GS，由此感生的沟道最深；离开源极端，越向漏极端靠近，则栅—沟间的电压线性下降，由它们感生的沟道越来越浅；直到漏极端，栅漏间电压最小，其值为：V GD=V GS-V DS, 由此感生的沟道也最浅。

可见，在VDS作用下导电沟道的深度是不均匀的，沟道呈锥形分布。

若VDS进一步增大，直至V GD=V T，即V GS-V DS=V T或V DS=V GS-V T 时，则漏端沟道消失，出现预夹断点。

A当V DS 为0或较小时，V GD ＞V T ，此时V DS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。

当V DS 增加到使V GD =V T 时，漏极处沟道将缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。

源区的自由电子在V DS 电场力的作用下，仍能沿着沟道向漏端漂移，一旦到达预夹断区的边界处，就能被预夹断区内的电场力扫至漏区，形成漏极电流。

当V DS 增加到使V GD <V T 时，预夹断点向源极端延伸成小的夹断区。

由于预夹断区呈现高阻，而未夹断沟道部分为低阻，因此，V DS 增加的部分基本上降落在该夹断区内，而沟道中的电场力基本不变，漂移电流基本不变，所以，从漏端沟道出现预夹断点开始，I D 基本不随V DS 增加而变化。

MOSFET 的特性曲线VVVTGSDS−=1.漏极输出特性曲线2.转移特性曲线—V GS 对I D 的控制特性转移特性曲线的斜率g m 的大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g m 为跨导。

I D =f (V GS )⏐V DS =常数g m =ΔI D /ΔV GS ⏐Q （mS)201⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=T GS D D V v I i I D 0是v GS ＝2V T 时的i D 值增强型MOS管特性小结绝缘栅场效应管N 沟道增强型P 沟道增强型耗尽型MOSFETN 沟道耗尽型MOS 管，它是在栅极下方的SiO 2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（V GS =0），只要加漏源电压，就会有漏极电流。

当V GS ＞0 时，将使I D 进一步增加。

V GS ＜0时，随着V GS 的减小I D 逐渐减小，直至I D =0。

对应I D =0 的V GS 值为夹断电压V P 。

耗尽型MOSFET的特性曲线绝缘栅场效应管N 沟道耗尽型P 沟道耗尽型双极型三极管与场效应三极管的比较适宜大规模和超大规模集成不易大规模集成集成工艺易受静电影响不受静电影响静电影响几兆欧姆以上几十到几千欧姆输入电阻受温度影响较小受温度影响较大温度特性较小较大噪声电压控制电流源电流控制电流源控制电压输入电流输入输入量多子漂移多子扩散少子漂移载流子结型(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)NPN 型/ PNP 型C 与E 一般不可倒置使用结构与分类场效应管放大电路（1）偏置电路及静态分析场效应管为电压控制型元件，为了给放大电路设置合适的静态工作点，要预先在栅极回路上加一个偏压正常工作范围内，栅极无电流RI v D GS −=V GS 依靠自身电流I D 产生不适用于增强型FET分压式自偏压电路直流通道V G =V DD R g2/(R g1+R g2)V GS =V G －V S =V G －I D R I D =I DSS [1－(V GS /V P )]2V DS = V DD －I D (R+R d )由此可以解出V GS 、I D 和V DS直流分析场效应管的小信号分析法低频模型DSv GSDm v i g ∂∂=GSv DDSd i v r ∂∂=放大电路的三种组态FET 共源共栅共漏BJT 共射共基共集交流分析（共源）源极接旁路电容)('d Lgs m o r R V g V −=gs i V V =)('d L m io v r R g V V A −==r d 远大于'Lm v Rg A −='LRL d LR R R //=′小信号等效电路)//(g2g1g3i R R R R +=输入电阻do R R ≈输出电阻V o +_+V i-R g1R g3R g2r gs+v gs_g m v gsr dR dg dsR L源极无旁路电容，静态工作点不变交流通路变化，交流指标改变+V DD+－V o+V i -R g1R g2R g3RR LR d小信号等效电路①电压放大倍数R g R g V V A v m L m io 1'+−==&&&R V g V V gs m gs i •••+=)1(R g V m gs +=•Lgs m o R V g V ′−=••L d LR R R //=′②输入电阻)//(g2g1g3i R R R R +=③输出电阻do R R ≈共漏（源极输出器）+V DD+－V o +V i -R g1R g2R g3R类似于双极晶体管中的射极跟随器（共集）Av ＝1Vo ＝Vi Ri 高Ro 小。