第3章
场效应管及其放大电路
场效应晶体管(简称场效应管)是一种利用电场效应来控制电流的半导体器件。这种器件不仅具有体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特点,而且还具有输入电阻高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单等优点,因而大大扩展了其应用范围,特别是在大规模和超大规模集成电路中得到了广泛的应用。
根据结构的不同,场效应管可以分为两大类:结型场效应管(JFET )和金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET )。
本章首先介绍场效应管的结构、工作原理、特性曲线及主要参数,然后介绍场效应管放大电路的电路组成及其工作原理。
3.1 结型场效应管
3.1.1 结型场效应管的结构和工作原理
1.结构结型场效应管的结构示意图如图3-1(a )所示。从图中可以看出,在N 型半导体两侧是两个高掺杂的P 区,从而形成两个PN 结。两侧P 区从内部相连后引出一个电极称为栅极,用G 表图3-1 N 沟道结型场效应管
(a )结构 (b )符号示;从N 型半导体两端分别引出的两个电极称为源极和漏极,用S 和D 表示;两个PN 结中间的
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N 型区域称为导电沟道,这种结构称为N 沟道场效应管,图3-1(b )是它的代表符号。场效应管分N 沟道和P 沟道两种,图3-2所示为P 沟道场效应管。从场效应管代表符号中的箭头方向可以区分是N 沟道还是P 沟道。
2.工作原理下面以N 沟道结型场效应管为例,讨论场效应管的工作原理。图3-3表示的是N 沟道结
型场效应管加入偏置电压后的接线图。
图3-2 P 沟道结型场效应管
(a )结构 (b
)符号图3-3 N 沟道结型场效应管
的工作原理
图3-4 u G S 对导电沟道的影响
正常工作时,场效应管中的PN 结必须外加反向电压。对于N 沟道场效应管,当u G S <0,栅极电流几乎为0,场效应管呈现高达几十兆欧以上的输入电阻。如果在漏极(D )和源极(S )之间加一正极性电压u D S ,N 沟道中的多数载流子(电子)将在电场作用下从源极向漏极流动,形成漏极电流i D 。i D 的大小受u G S 的控制,当栅源电压u G S 改变时,由于PN 结的反向电压改变,两个PN 结的耗尽层将改变,导致导电沟道的宽度改变,也即沟道电阻的大小随之改变,从而使电流i D 发
生改变。
为了进一步说明u G S 对i D 的控制作用,先假设u D S =0的情况。从图3-4中可以看出,当u G S ·
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=0时,两个PN结均处于零偏置,因此耗尽层很薄,中间的导电N沟道最宽,沟道电阻最小。当u G S从0向负值增大时,两个PN结的耗尽层将加宽,使导电N沟道变窄,沟道电阻变大。当|u G S|的数值进一步增大到某一定值∣U P∣时,两侧的耗尽层在中间合拢,导电沟道被夹断,此时沟道电阻将趋于无穷大,相应的u G S值称为夹断电压U P。
上述分析表明,u G S起着控制沟道电阻的作用。如果在漏极和源极之间加上固定的u D S,则从漏极流向源极的电流i D将受u G S的控制。当u G S=0,导电沟道最宽,沟道电阻最小,i D最大;当u G S=U P时,沟道被耗尽层夹断,i D近似为0。可见,栅源电压u G S起着控制漏极电流i D大小的作用。场效应管和第2章中介绍的三极管一样,可以看作是一种受控电流源,不过它是一种电压控制电流源。
3.1.2JFET的特性曲线
场效应管的工作性能,可以用它的特性曲线来表示。图3-5是N沟道结型场效应管的转移特性和输出特性曲线。
1.转移特性曲线
由于场效应管的输入电阻特别大,栅极输入端基本上没有电流,所以讨论它的输入伏安特性没有意义。对于场效应管通常用转移特性来表示栅源电压u G S对漏极电流i D的控制特性。图3-5(a)是在u D S为某一固定值时的转移特性曲线。从图中看出,当u G S=0时,i D最大,称为饱和漏电流,并用I D S S表示;随着|u G S|增大,i D变小;当u G S=U P时,i D≈0。
图3-5N沟道JFET的特性曲线
(a)转移特性(b)输出特性
可以用实验证明,在U P≤u G S≤0的范围内,漏极电流i D与栅源电压u G S的关系近似为
i D=I D S S(1-u G S/U P)2(3-1)
2.输出特性曲线
输出特性又称漏极特性,它表示在栅源电压u G S一定的情况下,漏极电流i D和漏源电压u D S 之间的关系。N沟道JFET的输出特性曲线如图3-5(b)所示。输出特性可以分为三个区: (1)可变电阻区
若u G S>U P,在u D S很小时,JFET工作于该区。此时,导电沟道畅通,JFET的D、S之间相当于
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一个电阻,i D 随u D S 增大而线性增大,但沟道电阻是受u G S 控制的可变电阻,|u G S |愈大,沟道电阻愈大,故称为可变电阻区。
(2)截止区
当u G S ≤U P 时,JFET 的导电沟道被耗尽层夹断,i D ≈0,故称为截止区或夹断区。
(3)放大区若u G S >U P ,当u D S 增大到使JFET 脱离可变电阻区时,i D 不再随u D S 的增大而增大,i D 趋向恒图3-6 u D S 对导电沟道的影响定值。在该区,i D 的大小受u G S 的控制,表现出JFET 电压控
制电流的放大作用。从图3-5(b )可以看出,在放大区,
u G S =0时i D 最大,随着|u G S |的增大,i D 将减小。但是在该区域,当u G S 一定时(
比如u Q S =0),i D 不会随u D S 的增大而增大。因为,随着u D S 的增大,栅漏之间的电压u G D 会变得更负,当u G D ≤U P 之后,沟道靠漏极一端会出现
夹断点,如图3-6所示。夹断点A 到源极之间的电压u A S (u A S =u G S +|U P |)是恒定的,而漏极电流i D 的大小由夹断
点到源极之间的电压u A S 来决定,因此,i D 不会随u D S 的增大而增大。有必要说明,在放大区近漏端发生的夹断,称为预
夹断,它与u G S ≤U P 时JFET 处于截止区的全夹断是不同的。
3.1.3 JFET 的主要参数
1.夹断电压U P
在规定了温度和测试电压u D S 的情况下,当漏极电流i D 趋向于0(例如50μA )时,所测得的
栅源反偏电压u G S 就称为夹断电压U P 。对于N 沟道JFET ,U P <0;而P 沟道JFET ,U P >0。有的教材用u G S (o f f )表示夹断电压。
2.饱和漏电流I D S S 在u G S =0条件下,外加漏源电压u D S 使JFET 工作于放大区时的漏极电流称为饱和漏电流
I D S S 。在转移特性上,就是u G S =0时的漏极电流。3.击穿电压U (B R )D S U (B R )D S 表示漏源之间发生击穿,漏极电流从恒流值开始急剧上升时的u D S 值。选用JFET 时,
外加电压u D S 不允许超过该值。4.直流输入电阻R G S R G S 表示栅源之间的直流电阻。由于u G S 为反偏电压,所以R G S 的值很大,一般大于10M Ω。
5.输出电阻r D S 在放大区,r D S 数值很大,一般在几十至几百千欧。在可变电阻区,沟道畅通,其值很小,当u G S =0时,该电阻称为JFET 的导通电阻。
6.低频跨导g m
在u D S 为规定值的条件下,漏极电流变化量与引起这个变化的栅源电压变化量之比,称为跨
导g m (或互导),即·25·
(3-2)
g m=Δi DΔu
G S U D S=常数
跨导g m的单位是S(西门子)常用mS或μS。跨导g m反映了栅源电压对漏极电流的控制能力。
3.2绝缘栅场效应管
JFET的直流输入电阻虽然可达106～109Ω,但由于这个电阻是PN结的反向电阻,PN结反向偏置时总会有一些反向电流存在,这就限制了输入电阻的进一步提高,而且JFET的输入电阻还受温度的影响。绝缘栅场效应管是利用半导体的表面场效应进行工作的,它的栅极和沟道之间是绝缘的,因此它的输入电阻可大于109Ω,最高可达1015Ω。
目前应用最广的绝缘栅场效应管是金属-氧化物-半导体场效应管,称为MOSFET(简称MOS管)。
MOS管除了有N沟道和P沟道之分外,还有增强型和耗尽型之分。所谓增强型,就是在u G S =0时,没有导电沟道;所谓耗尽型,是当u G S=0时,就存在导电沟道。下面主要讨论N沟道增强型的MOSFET,然后比较各种MOSFET的特点。
3.2.1N沟道增强型MOSFET
1.结构
N沟道增强型MOSFET的结构如图3-7(a)所示。它以一块掺杂浓度较低的P型半导体作为衬底B,利用扩散工艺在P型硅片上形成两个高掺杂的N+区,分别作为源极S和漏极D。然后在栅极G(金属铝电极)与衬底P之间生成一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层,称为绝缘栅。图3-7(b)是N沟道增强型MOS管(简称NMOS管)的代表符号,箭头方向是由P(衬底)指向N 沟道。图3-7(c)是P沟道增强型MOS管(简称PMOS管)的代表符号,其箭头方向是由P沟道指向N(衬底)。
图3-7增强型MOS管
(a)结构(b)NMOS管(c)PMOS管
2.工作原理
MOS管的源极S和衬底通常是连在一起的(大多数MOS管在出厂前就已连接好)。若在栅
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源之间加上正向电压,则栅极和衬底之间相当于以SiO2为介质的平板电容器。在u G S作用下,将
在绝缘层中产生指向衬底的电场。这个电场将P区中的自由电子吸引到衬底表面,同时排斥衬底表面的空穴。u G S越大,吸引到P衬底表面层的电子越多,当u G S达到一定数值时,这些电子在
栅极附近的P型半导体表面形成的一个N型薄层,通常把这个在P型衬底表面形成的N型薄层称为反型层,这个反型层实际上就构成了源极和漏极之间的N型导电沟道。若在漏源之间加上电压u D S,就会产生漏极电流i D。显然,在u D S一定时,栅源电压u G S越大,则作用于半导体表面的电场就越强,吸引到衬底表面的电子就越多,导电沟道就越宽,沟道电阻就越小,漏极电流i D就
越大。与JFET类似,可以通过改变u G S的大小,达到控制漏极电流i D的目的。通常把开始形成导电沟道时的栅源电压称为开启电压,用U T表示。图3-8画出了增强型NMOS管在u G S≥U T 时产生导电沟道的情况。
图3-8增强型NMOS产生导电沟道的情况
3.特性曲线和参数
(1)转移特性曲线
图3-9(a)是增强型NMOS管的转移特性曲线。从图中可以看出,当u G SU T时,NMOS管导通,在u D S一定时,i D随着u G S增大而增大。
图3-9NMOS管的特性曲线
(a)转移特性(b)输出特性
(2)输出特性曲线
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图3-9(b)是增强型NMOS管的输出特性曲线。从图中可以看出u D S对i D的影响。NMOS管的输出特性也可分为可变电阻区、放大区和截止区,其基本原理与JFET相似,这里不再赘述。
(3)参数
增强型MOS管的参数大部分与JFET类似,只不过用开启电压U T取代夹断电压U P,此外没有饱和漏电流这一参数。有的教材用U G S(th)表示开启电压。
3.2.2各种场效应管的特性比较及使用注意事项
1.各种场效应管的特性比较
上面以增强型NMOS管为例,讨论了它的结构、工作原理、特性及参数,这些分析也适用于增强型PMOS管。
为了帮助读者学习,特将各类场效应管的特性列于表3-1中。
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MOSFET中还有一种采用特殊工艺制造的垂直沟道VMOS管,VMOS管具有跨导较大、适合大功率使用等特点。VMOS管的漏极电流可达8A,漏极电源电压可达500V。
2.使用注意事项
(1)场效应管的漏极和源极可以互换,但有的MOSFET产品在出厂前已将源极与衬底相连,这时则不能将漏极和源极对调使用。
(2)应当注意,JFET的栅源之间必须加反偏电压,以保证有高的输入电阻。
(3)要防止栅极悬空,在保存时应将栅源间处于短路状态,以免外电场击穿绝缘层而使管子损坏。
3.3场效应管放大电路
对应三极管的共射、共集及共基放大电路,场效应管放大电路也有共源、共漏和共栅三种基本组态。下面以JFET组成的共源极放大电路为例,介绍场效应管放大电路的工作原理。
3.3.1场效应管放大电路的直流偏置电路
1.自偏压电路
自偏压电路如图3-10所示。在图中,场效应管栅极通过栅极电阻R G接地,源极通过源极电阻R S接地。这种偏置方式利用JFET(或耗尽型MOS管)在栅源电压u G S=0时,漏极电流i D≠0的特点,以漏极电流在源极电阻R S上的直流压降,给栅源之间提供反向偏置电压。也就是说,在静态时,源极电位u S=i D R S,由于栅极电流为0,R G上没有压降,栅极电位u G=0,所以栅源之间的偏置电压为
u G S=u G-u S=-i D R S(3-3)要说明的是,自偏压方式不能用于由增强型MOS管组成的放大电路。因为增强型MOS管·65·
只有当u G S达到U T时才有i D产生。
对于图3-10电路的静态工作点,可以利用式(3-1)和式(3-3)求联立方程,即
I D=I D S S(1-U G S/U P)2(3-4)
U G S=-I D R S(3-5)求得I D和U G S之后,则有
U D S=V D D-I D(R D+R S)(3-6)例3-1电路如图3-10所示,已知I D S S=0.5mA,U P=-1V,试确定电路的静态工作点。
解:根据上面分析得到的公式有
I D=0.5(1+U G S)2
U G S=-2I D
将U G S表达式代入I D表达式中,得
I D=0.5(1-2I D)2
解方程得
I D=(0.75±0.56)mA
而I D S S=0.5mA,I D不应大于I D S S,所以
I D Q=0.19mA
U G S Q=0.38V
U D S Q=11.9V
图3-10自偏压电路图3-11分压式自偏压电路
2.分压式自偏压电路
虽然自偏压电路比较简单,但是当静态工作点确定后,u G S和i D就确定了,因而R S选择的范围很小。分压式自偏压电路是在图3-10电路的基础上加接分压电阻后组成的,如图3-11所示。漏极电源V D D经分压电阻R G1和R G2分压后,通过R G3供给栅极电压,u G=R G2V D D/(R G1+ R G2);同时漏极电流在源极电阻R S上也产生压降,u S=i D R S。因此,静态时加在JFET上的栅源电压为
u G S=u G-u S
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=V D D R G2/(R G1+R G2)-i D R S(3-7)同样可根据式(3-1)和(3-7)求联立方程,即
I D=I D S S(1-U G S/U P)2
U G S=V D D R G2/(R G1+R G2)-I D R S
从而求出I D和U G S,并求出
U D S=V D D-I D(R D+R S)
得出电路的静态工作点。
3.3.2场效应管放大电路的动态分析
图3-10自偏压电路可以用图3-12的交流等效电路来表示,图中R L为放大电路外加的负载电阻。从图中不难求出电压放大倍数A u、R i和R o三个性能参数。
图3-12共源放大电路交流等效电路
1.电压放大倍数A u
由图3-12可得出
A u=u o/u i=(-i d R′L)/u gs=-(g m u g s R′L)/u g s
即
A u=-g m R′L(3-8)其中,R′L=R D∥R L。
式(3-8)表明,JFET共源放大电路的电压放大倍数A u与跨导g m成正比,且输出电压与输入电压反相。
2.输入电阻R i和输出电阻R o
由图3-12可得
R i≈R G(3-9)
R o≈R D(3-10)可见,共源放大电路的输入电阻R i主要由偏置电阻R G决定,而输出电阻R o则由漏极电阻R D决定。
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本章小结
第2章讨论的三极管是电流控制电流器件,有两种载流子参与导电,属于双极型器件;而场效应管是电压控制电流器件,参与导电的只有一种载流子,因而称为单极型器件。虽然这两种器件的控制原理有所不同,但组成电路形式极为相似,分析方法也基本相同。
结型场效应管是通过改变PN 结的反偏电压大小来改变导电沟道宽窄的。JFET 有N 沟道和P 沟道两种类型,类型不同,漏极电源的极性也应当不同。
场效应管通常用转移特性来表示输入电压对输出电流的控制性能,用输出特性的三个区来表示它的输出性能。工作于可变电阻区的FET 可作为压控电阻使用,工作于放大区可作为放大器件使用,工作于截止区和导通区(通常指可变电阻区)时可作为开关使用。
绝缘栅场效应管是利用改变栅源电压来改变导电沟道宽窄的。MOS 管分N 沟道和P 沟道两种,每一种还分增强型和耗尽型。MOS 管由于制造工艺简单,十分便于大规模集成,所以在大规模和超大规模数字集成电路中得到极为广泛的应用,同时在集成运算放大器和其他模拟集成电路中已得到迅速发展。
场效应管的直流偏置电路分自偏压和分压式两种,场效应管放大电路也有共源、共漏和共栅三种组态。分析三极管放大电路所用的方法基本上适用于场效应管放大电路,但是要充分考虑到场效应管具有极高的输入电阻并且是一种电压控制器件这两个特点。在应用方面,凡是三极管可以使用的场合,原则上也可以使用场效应管。但必须注意,场效应管的突出优点是输入电阻极高,不足之处是单级增益较低。
思考题与习题
3-1 为什么MOSFET 的输入电阻比JFET 还高?3-2 FET 有许多类型,它们的输出特性及转移特性各不相同,请总结出判断FET 类型及电压极性的规律。
图T3-3
3-3 一个JFET 的转移特性曲线如图T3-3所示,试问:
(1)它是P 沟道还是N 沟道的JFET ?(2)它的夹断电压U P 和饱和漏极电流I D SS 各为多少?
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3-4图T3-4所示为MOSFET的转移特性,请分别说明各属于何种沟道。如是增强型,说明它的开启电压U T为多少;如是耗尽型,说明它的夹断电压U P为多少。(假定图中i D的正方向为流进漏极。)
图T3-4
3-5增强型FET能否用自偏压的方法来设置静态工作点?请说明理由。
3-6电路参数如图T3-6所示,其中R G1=2MΩ,R G2=47kΩ,R D=30kΩ,R S=2kΩ,V D D=18V,FET的U P=-1V,I D SS=0.5mA,请确定静态工作点。
图T3-6图T3-7
3-7如图T3-7所示的自偏压电路,设V D D=20V,R D=4.3kΩ,R S=5kΩ,R L=1MΩ,R G=1MΩ,C S=10μF,C1=C2=0.1μF,管子参数U P=-2V,I D S S=0.5mA,输出电阻忽略不计。试求电路的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。已知g m=-2U P I D SS I D Q mS
3-8为什么场效应管低频放大电路中的耦合电容一般取值较小,例如0.01μF,而普通三极管放大电路耦合电容的取值较大,例如10μF以上?
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第3章场效应管及其基本放大电路 3.1 教学内容与要求 本章介绍了场效应管的结构、类型、主要参数、工作原理及其基本放大电路。教学内容与教学要求如表1.1所示。 表3.1 第3章教学内容与要求 3.2 内容提要 3.1.1场效应晶体管 1．场效应管的结构及分类 场效应管是利用输入电压产生的电场效应来控制输出电流的，是电压控制型器件。工作过程中起主要导电作用的只有一种载流子（多数载流子），故又称单极型晶体管。场效应管有两个PN结，向外引出三个电极：漏极D、栅极G和源极S。 场效应管的分类如下： 2．场效应管的工作原理 (1)栅源控制电压的极性 对JFET，为保证栅极电流小，输入电阻大的特点，栅源电压应使PN结反偏。N沟道JFET：U GS<0；P 沟道JFET：U GS>0。 对增强性MOS管，N沟道增强型MOS管，参加导电的是电子，栅源电压应吸引电子形成反型层构成导
电沟道，所以U GS >0；同理，P 沟道增强型MOS 管，U GS <0。 对耗尽型MOS 管，因二氧化硅绝缘层里已经掺入大量的正离子（或负离子：N 沟道掺入正离子；P 沟道掺入负离子），吸引衬底的电子（或空穴）形成反型层，即U GS =0时，已经存在导电沟道，所以，栅源电压U GS 可正可负。 (2) 夹断电压U GS(off)和开启电压U GS(th) 对JFET 和耗尽型MOS 管，当｜U G S ｜增大到一定值时，导电沟道就消失（称为夹断），此时的栅源电压称为夹断电压U GS(off)。N 沟道场效应管U GS(off ) <0；P 沟道场效应管U GS(off ) >0。 对增强型MOS 管，当?U GS ?增加到一定值时，才会形成导电沟道，把开始形成反型层的栅源电压称为开启电压U GS(th)。N 沟道增强型MOS 管U GS(th ) >0；P 沟道增强型MOS 管U GS(th ) <0。 (3) 栅源电压u GS 对漏极电流i D 的控制作用 场效应管的导电沟道是一个可变电阻，栅源电压u GS 可以改变导电沟道的尺寸和电阻的大小。当u DS =0时，u GS 变化，导电沟道也变化但处处等宽，此时漏极电流i D =0；当u DS ≠0时，产生漏极电流，i D ≠0，沿沟道产生了电位梯度使导电沟道变得不等宽。 当u GS 一定，?u DS ?增大到一定大小时，在漏极一侧导电沟道被夹断，称为预夹断。 导电沟道预夹断前，?u DS ?增大，?i D ?增大，漏源间呈现电阻特性，但u GS 不同，对应的电阻不同。此时，场效应管可看成受u GS 控制的可变电阻。 导电沟道预夹断后，?u DS ?增大，i D 几乎不变。但是，随u GS 变化，i D 也变化，对应不同的u GS ，i D 的值不同。即i D 几乎仅仅决定于u GS ，而与u DS 无关。栅源电压u GS 的变化，将有效地控制漏极电流i D 的变化，即体现了栅源电压u GS 对漏极电流i D 的控制作用。 3．效应管的伏安特性 效应管的伏安特性有输出特性和转移特性。 (1) 输出特性：指当栅源电压u GS 为常量时，漏极电流i D 与漏源电压u DS 之间的关系，即 常数==GS )(DS D u u f i （3-1） 场效应管有四个工作区域： 可变电阻区：导电沟道预夹断前，此时场效应管是一个受u GS 控制的可变电阻。 恒流区：导电沟道预夹断后，此时漏极电流i D 仅决定于u GS ，场效应管相当于一个栅源电压控制的电流源。场效应管作为放大器件应用时，都工作在该区域。 截止区：导电沟道被全部夹断，i D ≈0。 击穿区：?u DS ?太大，靠近漏区的PN 结被击穿，i D 急剧增加，很快会烧毁管子。不允许场效应管工作在击穿区。 (2) 转移特性：指当漏源电压u DS 为常量时，漏极电流i D 与栅源电压u GS 之间的关系，即 常数 ==DS )(GS D u u f i （3-2） 转移特性表示栅源电压u GS 对漏极电流i D 的控制作用。 4．场效应管的主要参数 (1) 直流参数：夹断电压U GS （off ）；开启电压U GS(th)；饱和漏极电流I DSS ；直流输入电阻R GS(DC)。 (2) 交流参数：低频跨导g m ；极间电容。 (3) 极限参数：最大漏极电流I DM ；最大漏源电压U (BR)DS ； 最大栅源电压U (BR)GS ；最大耗散功率P DM 。 3.1.2场效应管放大电路 1. 场效应管的低频小信号模型 场效应管的低频小信号模型，如图3-1(a)所示，简化的低频小信号模型，如图3-1(b)所示。
场效应管放大电路 一、选择填空（只填①、②…字样） 1．晶体管是依靠 ⑤ 导电来工作的 ⑦ 器件；场效应管是依靠 ① 导电来工作的 ⑥ 器件（①多数载流子，②少数载流子，③电子，④空穴，⑤多数载流子和少数载流子，⑥单极型，⑦双极型，⑧无极型）。 2．晶体管是 ② ；场效应管是 ① （①电压控制器件；②电流控制器件） 3．晶体管的输入电阻比场效应管的输入电阻 ③ （①大得多；②差不多；③小得多）。 4．晶体管的集电极电流 ② ；场效应管的漏极电流 ① （①穿过一个PN 结，② 穿过两个PN 结，③不穿过PN 结） 5．放大电路中的晶体管应工作在 ② ；场效应管应工作在 ① （①饱和区，②放大区，③截止区，④夹断区，⑤可变电阻区）。 6．绝缘栅型场效应管是利用改变 栅源两极 的大小来改变 沟道电阻 的大小，从而 达到控制 漏极电流 的目的；根据 栅源两极电压为零 时，有无 漏极电流 的差别，MOS 管可分为 耗尽 型和 增强 型两种类型。 7．NMOS 管最大的优点是 输入电阻较大 ；其栅—源电压的极性 为负 ，漏—源电压的极性 为正 ；对于增强型NMOS 管，这两种电压的极性 为正 ，对增强型PMOS 管这两种电压的极性为 负 。 8．耗尽型场效应管在恒流区的转移特性方程为()D GS DS i f u u ==常数，它们都是反映 栅源两端电 压 对 漏极电流 控制特性的。 9、当场效应管的漏极直流电流I D 从2mA 变为4mA 时，它的低频跨导g m 将 。 A.增大 B.不变 C.减小 答案：A 二、解答题 2.已知场效应管的输出特性曲线如图P1.22所示，画出它在恒流区的转移特性曲线。 图P1.22 解：在场效应管的恒流区作横坐标的垂线〔如解图P1.22（a ）所示〕，读出其与各条曲线交点的纵坐标值及U GS 值，建立i D ＝f （u GS ）坐标系，描点，连线，即可得到转移特性曲线，如解图P1.22（b ）所示。
第3章场效应管放大电路 3-1判断下列说法是否正确，用“√”和“×”表示判断结果填入空内。 （1）结型场效应管外加的栅-源电压应使栅-源间的耗尽层承受反向电压，才能保证其R GS 大的特点。（?） （2）若耗尽型N沟道MOS管的U GS大于零，则其输入电阻会明显变小。（?） 3-2选择正确答案填入空内。 （1）U GS＝0V时，不能够工作在恒流区的场效应管有 B 。 A. 结型管 B. 增强型MOS管 C. 耗尽型MOS管 （2）当场效应管的漏极直流电流I D从2mA变为4mA时，它的低频跨导g m将 A 。 A.增大 B.不变 C.减小 3-3改正图P3-3所示各电路中的错误，使它们有可能放大正弦波电压。要求保留电路的共源接法。 图P3-3 解：（a）源极加电阻R S。 （b）漏极加电阻R D。 （c）输入端加耦合电容。 （d）在R g支路加－V G G，＋V D D改为－V D D 改正电路如解图P3-3所示。
解图P3-3 3-4已知图P3-4(a)所示电路中场效应管的转移特性和输出特性分别如图（b）(c)所示。 A 、R i和R o。（1）利用图解法求解Q点；（2）利用等效电路法求解 u 图P3-4
解：（1）在转移特性中作直线u G S ＝－i D R S ，与转移特性的交点即为Q 点；读出坐标值，得出I D Q ＝1mA ，U G S Q ＝－2V 。如解图P3-4（a ）所示。 解图P3-4 在输出特性中作直流负载线u D S ＝V D D －i D （R D ＋R S ），与U G S Q ＝－2V 的那条输出特性曲线的交点为Q 点，U D S Q ≈3V 。如解图P3-4（b ）所示。 （2）首先画出交流等效电路（图略），然后进行动态分析。 mA/V 12DQ DSS GS(off)GS D m DS =-=??=I I U u i g U Ω ==Ω==-=-=k 5 M 1 5D o i D m R R R R R g A g u & 3-5 已知图P3-5（a ）所示电路中场效应管的转移特性如图（b ）所示。求解 电路的Q 点和u A &。 图P3-5 解：（1）求Q 点： 根据电路图可知， U G S Q ＝V G G ＝3V 。 从转移特性查得，当U G S Q ＝3V 时的漏极电流 I D Q ＝1mA
第3章 场效应管及其放大电路例题解析 例3．1 试将场效应管栅极和漏极电压对电流的控制机理，与双极型晶体管基极和集电极电压对电流的控制机理作一比较。 场效应管栅极电压是通过改变场效应管导电沟道的几何尺寸来控制电流。漏极电压则改变导电沟道几何尺寸和加速载流子运动。双极型三极管基极电压是通过改变发射结势垒高度来控制电流，集电极电压(在放大区)是通过改变基区宽度，从而改变基区少子密度梯度来控制电流。 例3．2 N 沟道JFET 的转移特性如图3．1所示。试确定其饱和漏电流I DSS 和夹断电压V P 。 解 由图3．1可至知，此JFET 的饱和漏电流I DSS ≈4mA ，夹断电压V P ≈-4V 。 例3．3 N 沟道JFET 的输出特性如图3．2所示。漏源电压的V DS ＝15V ，试确定其饱和漏电流I DSS 和夹断电压V P 。并计算V GS ＝-2V 时的跨导g m 。 解 由图3．2可得：饱和漏电流I DSS ≈4mA ，夹断电压V P ≈-4V ，V GS ＝-2V 时，用作图法求得跨导近似为：ms g m 2.1) 2(14.16.2=----≈ 例３．4 在图3．3所示的放大电路中，已知V DD ＝20V ，R D ＝10k Ω，R S ＝10k Ω，R １＝200k Ω，R 2＝51k Ω，R G ＝1M Ω，并将其输出端接一负载电阻R L ＝10 k Ω。所用的场效应管为N 沟道耗尽型，其参数I DSS ＝0．9mA ，V P ＝—4V ，g m ＝1．5mA ／V 。试求：(1)静态值； (2)电压放大倍数。 解 (1) 画出其微变等效电路，如图3．4所示。其中考虑到ｒＧＳ很大，可认为ｒＧＳ开路，由电路图可知， V V V R R R V DD G 42010 )51200(105133 212=??+?=+= 并可列出 D D S G G S I I R V V 310104?-=-= 图3．1 图3． 2
利用场效应管实现放大电路 一、设计题目 设计一个场效应管放大器，要求电压增益大于40，输出阻抗小与500欧姆，电源电压15V，输出信号峰峰值不小于8 V，非线性失真度小于10%。 二、技术参数要求 1, 要求电压增益大于40 2,输出阻抗小与500欧姆 3,电源电压15V 4,输出信号峰峰值不小于8 V 5,非线性失真度小于10% 三、所用设备、仪器及清单 示波器一个、信号发生器一个、直流稳压电源一个、数字万用表一个、3DJ6F场效应管三个、47μF电容五个、面包板一个、电阻若干。 四、电路图 五、原理介绍
(1)转移特性栅极电压对漏极电流的控制作用称为转移特性，若用曲线表示，该曲线就称为转移特性曲线。它的定义是：漏极电压UDS恒定时，漏极电流ID同栅极电压UGS的关系，即结型场效应管的转移特性曲线如图所示。图中的Up为夹断电压，此时源极与漏极间的电阻趋于无穷大，管子截止。在UP电压之后，若继续增大UGS就可能会出现反向击穿现象而损坏管子。 (2)输出特性UDS与ID的关系称为输出特性，若用曲线表示，该曲线就称为输出特性曲线。它的定义是：当栅极电压UGS恒定时，ID随UDS的变化关系，即结型场效应管的输出特性曲线如图所示。结型场效应管的输出特性曲线分为三个区，即可变电阻区、饱和区及击穿区。当UDS较小时，是曲线的上升部分，它基本上是通过原点的一条直线，这时可以把管子看成是一个可变电阻。当UDS增加到一定程度后，就会产生预夹断，因此尽管UDS再增加，但IS基本不变。因此预夹断点的轨迹就是两种工作状态的分界线。把曲线上UDS=UGS-UP的点连接起来，便可得到预夹断时的轨迹。轨迹左边对应不同UGS值的各条直线，通称为可变电阻区；
第四章 场效应管（FET ）及基本放大电路 §4.1 知识点归纳 一、场效应管（FET ）原理 ·FET 分别为JFET 和MOSFET 两大类。每类都有两种沟道类型，而MOSFET 又分为增强型和耗尽型（JFET 属耗尽型），故共有6种类型FET （图4-1）。 ·JFET 和MOSFET 内部结构有较大差别，但内部的沟道电流都是多子漂移电流。一般情况下，该电流与GS v 、DS v 都有关。 ·沟道未夹断时，FET 的D-S 口等效为一个压控电阻（GS v 控制电阻的大小），沟道全夹断时，沟道电流D i 为零；沟道在靠近漏端局部断时称部分夹断，此时D i 主要受控于GS v ，而DS v 影响较小。这就是FET 放大偏置状态；部分夹断与未夹断的临界点为预夹断。 ·在预夹断点，GS v 与DS v 满足预夹断方程： 耗尽型FET 的预夹断方程：P GS DS V v v -=（P V ——夹断电压） 增强型FET 的预夹断方程：T GS DS V v v -=（T V ——开启电压） ·各种类型的FET ，偏置在放大区（沟道部分夹断）的条件由表4-4总结。 表4-4 FET 放大偏置时GS v 与DS v 应满足的关系 ·偏置在放大区的FET ，GS v ~D i 满足平方律关系： 耗尽型： 2 ) 1(P GS DSS D V v I i - =（DSS I ——零偏饱和漏电流） 增强型：2 )(T GS D V v k i -=*
· FET 输出特性曲线反映关系 参变量 G S V DS D v f i )(=，该曲线将伏安平面分为可变电阻区 （沟道未夹断），放大区（沟道部分夹断）和截止区（沟道全夹断）；FET 转移特性曲线反映在放大区的关系)(GS D v f i =（此时参变量DS V 影响很小），图4-17画出以漏极流向源极的沟道电流为参考方向的6种FET 的转移特性曲线，这组曲线对表4-4是一个很好映证。 二、FET 放大偏置电路 ·源极自给偏压电路（图4-18）。该电路仅适用于耗尽型FET 。有一定稳Q 的能力，求解该电路工作点的方法是解方程组： 22() [FET ()]GS D DSS d GS T P GS S D v i I v i k v V V v R i ? =-=-?? ?=-?对于增强型,用关系式 ·混合偏压电路（图4-20）。该电路能用于任何FET ，在兼顾较大的工作电流时，稳Q 的效果更好。求解该电路工作点的方法是解方程组： ??? ??-+=D s CC GS i R R R R V v 212平方律关系式 以上两个偏置电路都不可能使FET 全夹断，故应舍去方程解中使沟道全夹断的根。 三、FET 小信号参数及模型 ·迭加在放大偏置工作点上的小信号间关系满足一个近似的线性模型（图4-22低频模 型，图4-23高频模型）。 ·小信号模型中的跨导 Q GS D m v i g ??= m g 反映信号gs v 对信号电流d i 的控制。m g 等于FET 转移特性曲线上Q 点的斜率。 m g 的估算：耗尽管 D DSS P m I I V g ||2 = 增强管D m kI g 2= ·小信号模型中的漏极内阻 Ds ds D Q v r i ?= ? ds r 是FET “沟道长度调效应”的反映，ds r 等于FET 输出特性曲线Q 点处的斜率的倒 数。 四、基本组态FET 小信号放大器指标 1．基本知识 ·FET 有共源（CS ）共漏（CD ）和共栅（CG ）三组放大组态。 ·CS 和CD 组态从栅极输入信号，其输入电阻i R 由外电路偏置电阻决定，i R 可以很大。 ·CS 放大器在其工作点电流和负载电阻与一个CE 放大器相同时，因其m g 较小，|| V A
南昌大学实验报告 学生姓名：学号：专业班级：生医091 实验类型：□验证□综合□设计□创新实验日期：20110615 实验成绩：实验十三基于Multisim的场效应管放大器电路设计 一、实验目的： 1、场效应管电路模型、工作点、参数调整、行为特征观察方法 2、研究场效应放大电路的放大特性及元件参数的计算 3、进一步熟悉放大器性能指标的测量方法 二、实验原理： 1．场效应管的特点 场效应管与双极型晶体管比较有如下特点： (1)场效应管为电压控制型元件； (2)输入阻抗高(尤其是MOS场效应管)； (3)噪声系数小； (4)温度稳定性好，抗辐射能力强； (5)结型管的源极(S)和漏极(D)可以互换使用，但切勿将栅(G)源(S)极电压的极性接反，以免PN结因正偏过流而烧坏。对于耗尽型MOS管，其栅源偏压可正可负，使用较灵活。 和双极型晶体管相比场效应管的不足之处是共源跨导gm。值较低(只有ms级)，MOS管的绝缘层很薄，极容易被感应电荷所击穿。因此，在用仪器测量其参数或用烙铁进行焊接时，都必须使仪器、烙铁或电路本身具有良好的接地。焊接时，一般先焊S极，再焊其他极。不用时应将所有电极短接。 2．偏置电路和静态工作点的确定 与双极型晶体管放大器一样，为使场效应管放大器正常工作，也需选择恰当的直流偏置电路以建立合适的静态工作点。 场效应管放大器的偏置电路形式主要有自偏压电路和分压器式自偏压电路(增强型MOS管不能采用自偏压电路)两种。 三、实验内容及步骤 1．场效应管共源放大器的调试 (1)连接电路。按图2.4.1在模拟电路实验板上插接好电路，场效应管选用N沟道结型管
3DJ6D，静态工作点的设置方式为自偏压式。直流稳压电源调至18V并接好(注意:共地) (2)测量静态工作点 调节电阻R使V D为2.43V左右，并测量此时的Vg、Vs ，填入表2.4.1，并计算。 表2.4.1静态工作点 将函数发生器的输出端接到电路的输入端。使函数发生器输出正弦波并调=2mV，f=lkHz。用示波器观察输出波形，(若有失真，应重调静态工作点，使波形不失真)，并用示波器测量输出电压Vo，计算Av (4)测量输入及输出阻抗 用换算法测量放大器的输入电阻，在输入回路串接已知阻值的电阻R，但必须注意，由于场效应管放大器的输入阻抗很高，若仍用直接测量电阻R两端对地电Vs 和Vi进行换算的方法，将会产生两个问题： (1)由于场效应管放大器Ri高，测量时会引人干扰； (2)测量所用的电压表的内阻必须远大于放大器的输入电阻Ri，否则将会产生较大的测量误差。为了消除上述干扰和误差，可以利用被测放大器的隔离作用，通过测量放大器输出电压来进行换算得到Ri。图为测量高输入阻抗的原理图。方法是：先闭合开关S(R=0)，输入信号电压Vs，测出相应的输出电压V01，然后断开S，测出相应的输出电压V02，因为两次测量中和是基本不变的，所以 R i=V O2/(V O1-V O2)R 输出电阻测量:在放大器输入端加入一个固定信号电压Vs ，分别测量当已知负载R L断开和接上的输出电压V0和V0L。则 R0=（V0 / V0L -1）R L
* 课程设计报告 题目：场效应管放大电路设计 学生姓名： *** 学生学号： ******** 系别：电气信息工程院 专业：通信工程 届别： 2014届 指导教师： ** 电气信息工程学院制 2013年3月
场效应管放大电路设计 学生：** 指导教师：** 电气信息工程学院通信工程专业 1、课程设计任务和要求： 1.1 场效应管电路模型、工作点、参数调整、行为特征观察方法 1.2 研究场效应放大电路的放大特性及元件参数的计算 1.3 进一步熟悉放大器性能指标的测量方法 2、课程设计的研究基础： 2.1 场效应管的特点 场效应管与双极型晶体管比较有如下特点： (1)场效应管为电压控制型元件； (2)输入阻抗高(尤其是MOS场效应管)； (3)噪声系数小； (4)温度稳定性好，抗辐射能力强； (5)结型管的源极(S)和漏极(D)可以互换使用，但切勿将栅(G)源(S)极电压的极性接反，以免PN结因正偏过流而烧坏。对于耗尽型MOS管，其栅源偏压可正可负，使用较灵活。 场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。场效应管，FET 是一种电压控制电流器件。其特点是输入电阻高，噪声系数低，受温度和辐射影响小。因而特别使用于高灵敏度、低噪声电路中。场效应管的种类很多，按结构可分为两大类：结型场效应管、JFET和绝缘栅型场效应管IGFET。结型场效应管又分为N沟道和P 沟道两种。绝缘栅场效应管主要指金属一氧化物—半导体MOS场效应管。MOS管又分为“耗尽型”和“增强型”两种，而每一种又分为N沟道和P沟道。结型场效应管是利用导电沟道之间耗尽区的宽窄来控制电流的输入电阻105---1015 之间，绝缘栅型是利感应电荷的多少来控制导点沟道的宽窄从而控制电流的大小、其输入阻抗很高(其栅极与其他电极互相绝缘)以及它在硅片上的集成度高，因此在大规模集成电路中占有极其重要的地位。由多数载流子参与导电，也称为单机型晶体管。它属于电压控制型
第四章场效应管放大电路 本章内容简介 场效应管是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，还具有输入电阻高、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。在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。场效应管的分类根据结构和工作原理的不同，场效应管可分为两大类：结型场效应管(JFET)和绝缘栅型场效应管(IGFET)。 4.1 结型场效应管 4.1.1 JFET的结构和工作原理 1. 结构 在一块N型半导体材料的两边各扩散 一个高杂质浓度的P+ 区,就形成两个不对 称的PN结，即耗尽层。把两个P+区并联在 一起，引出一个电极g，称为栅极，在N 型半导体的两端各引出一个电极，分别称 为源极s和漏极d。 场效应管的与三极管的三个电极的对应关系： 栅极g—基极b；源极s—发射极e；漏极d—集电极c夹在两个PN结中间的区域称为导电沟道（简称沟道）。 如果在一块P型半导体的两边各扩散一 个高杂质浓度的N+区，就可以制成一个P沟 道的结型场效应管。P沟道结型场效应管的
结构示意图和它在电路中的代表符号
如图所示。 2. 工作原理 v GS对i D的控制作用 为便于讨论，先假设漏－源极间所加的电压v DS=0。 (a) 当v GS=0时，沟道较宽，其电阻较小。 (b) 当v GS<0，且其大小增加时，在这个反偏电压的作用下，两个PN结耗尽层将加宽。由于N 区掺杂浓度小于P+区，因此，随着|v GS| 的增加，耗尽层将主要向N沟道中扩展，使沟道变窄，沟道电阻增大。当|v GS| 进一步增大到一定值|V P| 时，两侧的耗尽层将在沟道中央合拢，沟道全部被夹断。由于耗尽层中没有载流子，因此这时漏－源极间的电阻将趋于无穷大，即使加上一定的电压v DS，漏极电流i D也将为零。这时的栅－源电压v GS称为夹断电压，用V P表示。在预夹断处：V GD=V GS－V DS =V P 上述分析表明: (a)改变栅源电压v GS的大小，可以有效地控制沟道电阻的大小。 (b)若同时在漏源-极间加上固定的正向电压v DS，则漏极电流i D将受v GS的控制，|v GS|增大时，沟道电阻增大，i D减小。 (c)上述效应也可以看作是栅－源极间的偏置电压在沟道两边建立了电场，电场强度的大小控制了沟道的宽度，即控制了沟道电阻的大小，从而控制了漏极电流i D的大小。 v DS对i D的影响 设v GS值固定，且V P 第三章场效应管放大电路 本章内容简介 场效应管是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，还具有输入电阻高、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。在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。场效应管的分类根据结构和工作原理的不同，场效应管可分为两大类：结型场效应管(JFET)和绝缘栅型场效应管(IGFET)。 （一）主要内容: ?结型场效应管的结构及工作原理 ?金属-氧化物-半导体场效应管的结构及工作原理 ?场效应管放大电路的静态及动态性能分析 （二）教学要点： ?了解结型场效应管和MOS管的工作原理、特性曲线及主要参数 ?掌握用公式法和小信号模型分析法分析其放大电路的静态及动态性能 ?了解三极管及场效应管放大电路的特点 （三）基本要求: 介绍结型场效应管和MOS管的工作原理、特性曲线，重点介绍用公式法和小信号模型分析法分析其放大电路静态及动态性能。 3.1 结型场效应管 3.1.1 JFET的结构和工作原理 1. 结构 在一块N型半导体材料的两边各扩散 一个高杂质浓度的P+ 区,就形成两个不对 称的PN结，即耗尽层。把两个P+区并联在 一起，引出一个电极g，称为栅极，在N 型半导体的两端各引出一个电极，分别称 为源极s和漏极d。 场效应管的与三极管的三个电极的对 应关系： 栅极g—基极b；源极s—发射极e；漏极d —集电极c 夹在两个PN结中间的区域称为导电沟道（简称沟道）。 如果在一块P型半导体的两边各扩散一 个高杂质浓度的N+区，就可以制成一个P沟 道的结型场效应管。P沟道结型场效应管的 结构示意图和它在电路中的代表符号 如图所示。 2. 工作原理 v GS对i D的控制作用 为便于讨论，先假设漏－源极间所加的电压v DS=0。 (a) 当v GS=0时，沟道较宽，其电阻较小。 (b) 当v GS<0，且其大小增加时，在这个反偏电压的作用下，两个PN结耗尽层将加宽。由于N区掺杂浓度小于P+区，因此，随着|v GS| 的增加，耗尽层将主要向N沟道中扩展，使沟道变窄，沟道电阻增大。当|v GS| 进一步增大到一定值|V P| 时，两侧的耗尽层将在沟道中央合拢，沟道全部被夹断。由于耗尽层中没有载流子，因此这时漏－源极间的电阻将趋于无穷大，即使加上一定的电压v DS，漏极电流i D也将为零。这时的栅－源电压v GS称为夹断电压，用V P表示。在预夹断处：V GD=V GS －V DS =V P 上述分析表明: (a)改变栅源电压v GS的大小，可以有效地控制沟道电阻的大小。 * 课程设计报告题目：场效应管放大电路设计 学生姓名：学生学号： *** ******** 系专届别： 业： 别： 电气信息工程院 通信工程 2014届 指导教师：** 电气信息工程学院制 2013年3月 **师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业课程设计报告 场效应管放大电路设计 学生：** 指导教师：** 电气信息工程学院通信工程专业 1、课程设计任务和要求： 1.1 1.2 1.3场效应管电路模型、工作点、参数调整、行为特征观察方法研究场效应放大电路的放大特性及元件参数的计算 进一步熟悉放大器性能指标的测量方法 2、课程设计的研究基础： 2.1场效应管的特点 场效应管与双极型晶体管比较有如下特点： (1)场效应管为电压控制型元件； (2)输入阻抗高(尤其是MOS场效应管)； (3)噪声系数小； (4)温度稳定性好，抗辐射能力强； (5)结型管的源极(S)和漏极(D)可以互换使用，但切勿将栅(G)源(S)极电压的极性接反，以免P N结因正偏过流而烧坏。对于耗尽型MOS管，其栅源偏压可正可负，使用较灵活。 场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。场效应管，FET是一种电压控制电流器件。其特点是输入电阻高，噪声系数低，受温度和辐射影响小。因而特别使用于高灵敏度、低噪声电路中。场效应管的种类很多，按结构可 分为两大类：结型场效应管、JFET和绝缘栅型场效应管IGFET。结型场效应管又分为N沟道和P沟道两种。绝缘栅场效应管主要指金属一氧化物—半导体M OS场效应管。MOS管又分为“耗尽型”和“增强型”两种，而每一种又分为N沟道和P沟道。结型场效应管是利用导电沟道之间耗尽区的宽窄来控制电流的输入电阻105---1015之间，绝缘栅型是利感应电荷的多少来控制导点沟道的宽窄从而控制电流的大小、其输入 阻抗很高(其栅极与其他电极互相绝缘)以及它在硅片上的集成度高，因此在大规模 集成电路中占有极其重要的地位。由多数载流子参与导电，也称为单机型晶体管。 第3章 场效应管及其放大电路 场效应晶体管(简称场效应管)是一种利用电场效应来控制电流的半导体器件。这种器件不仅具有体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特点,而且还具有输入电阻高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单等优点,因而大大扩展了其应用范围,特别是在大规模和超大规模集成电路中得到了广泛的应用。 根据结构的不同,场效应管可以分为两大类:结型场效应管(JFET )和金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET )。 本章首先介绍场效应管的结构、工作原理、特性曲线及主要参数,然后介绍场效应管放大电路的电路组成及其工作原理。 3.1 结型场效应管 3.1.1 结型场效应管的结构和工作原理 1.结构结型场效应管的结构示意图如图3-1(a )所示。从图中可以看出,在N 型半导体两侧是两个高掺杂的P 区,从而形成两个PN 结。两侧P 区从内部相连后引出一个电极称为栅极,用G 表图3-1 N 沟道结型场效应管 (a )结构 (b )符号示;从N 型半导体两端分别引出的两个电极称为源极和漏极,用S 和D 表示;两个PN 结中间的 · 94· N 型区域称为导电沟道,这种结构称为N 沟道场效应管,图3-1(b )是它的代表符号。场效应管分N 沟道和P 沟道两种,图3-2所示为P 沟道场效应管。从场效应管代表符号中的箭头方向可以区分是N 沟道还是P 沟道。 2.工作原理下面以N 沟道结型场效应管为例,讨论场效应管的工作原理。图3-3表示的是N 沟道结 型场效应管加入偏置电压后的接线图。 图3-2 P 沟道结型场效应管 (a )结构 (b )符号图3-3 N 沟道结型场效应管 的工作原理 图3-4 u G S 对导电沟道的影响 正常工作时,场效应管中的PN 结必须外加反向电压。对于N 沟道场效应管,当u G S <0,栅极电流几乎为0,场效应管呈现高达几十兆欧以上的输入电阻。如果在漏极(D )和源极(S )之间加一正极性电压u D S ,N 沟道中的多数载流子(电子)将在电场作用下从源极向漏极流动,形成漏极电流i D 。i D 的大小受u G S 的控制,当栅源电压u G S 改变时,由于PN 结的反向电压改变,两个PN 结的耗尽层将改变,导致导电沟道的宽度改变,也即沟道电阻的大小随之改变,从而使电流i D 发 生改变。 为了进一步说明u G S 对i D 的控制作用,先假设u D S =0的情况。从图3-4中可以看出,当u G S · 05· 3. 场效应管及其放大电路 （文字材料） 本章概要 本章首先介绍结型场效应管和绝缘栅型场效应管的结构、放大原理、伏安特性以及主要电参数，然后讨论了场效应管的微变等效电路，分析了场效应管和晶体管的特点，并讨论了场效应管组成的共源极、共漏极和共栅极三种基本放大电路的工作原理、特性分析及参数计算。 本章内容的组成及结构 结型场效应管 绝缘栅型场效应管 结构、类型（N 沟道、P 沟道）、符号 结型 工作原理 伏安特性、主要参数 按工作方式：增强型、耗尽型 按导电沟道：N 沟道、P 沟道 工作原理 伏安特性、主要参数 场效应管的小信号模型（微变等效电路） 场效应管与晶体管的比较 场效应管的偏置及静态分析 共源极放大电路 三种基本放大电路的动态分析 共漏极放大电路 共栅极放大电路 学习目标 （1）熟练掌握场效应管的伏安特性； （2）熟练掌握场效应管的微变等效电路； （3）熟练掌握场效应管组成的三种基本放大电路的组成、工作原理及静态和动态分析； （4）了解三种放大电路的各自特点及应用场合； （5）了解场效应管与双极型三极管的异同点。 重难点指导 重点: （1）结型及MOS 型场效应管的工作原理及伏安特性； 场效应管 及 其放 大 电路 类型 绝缘栅型 结构、类型 场效应管基本放大电路 场效应管 （FET ） （2）共源极和共漏极放大电路的静态及动态参数计算； 难点： （1）场效应管跨导的概念以及微变等效电路； （2）场效应管放大电路的静态与动态主要指标计算。 本章导学 1. 场效应管 1．场效应管（FET）有结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（IGFET）两大类型。它们都有N沟道和P沟道两类。IGFET又分为增强型和耗尽型；JFET只有耗尽型。IGFET大多制成金属—氧化物—半导体结构，简称为MOSFET。 2．场效应管与半导体三极管的区别 1.半导体三极管（晶体管）是一种电流控制器件，有两种载流子参与导电，属于双极型器件，因此又常称半导体三极管为双极型晶体管；场效应管只靠一种载流子（多数载流子）导电，属于单极型器件，因此又常称场效应管为单极型晶体管，它是一种电压控制器件，i G≈0，具有输入电阻高的特点。 3．场效应管的工作原理 a．控制漏极电流的基本原理：通过控制电压的变化改变场效应管导电沟道的宽度，以改变其电阻的大小来控制漏极电流。 b．JFET和MOSFET在控制漏极电流方式上的区别：JFET通过控制电压的变化改变耗尽层的宽度来控制漏极电流；MOSFET利用半导体表面的电场效应，直接改变作为导电沟道的反型层宽度，以达到控制漏极电流的目的。 4．场效应管的伏安特性 由于FET的i G≈0，所以只给出输出特性和由它派生的转移特性。各类FET的输出特性曲线如表3.1中所示。 a．输出特性i D = f (u DS) | u GS一定由输出特性曲线可见，FET有三个工作区： 可变电阻区——沟道尚未出现予夹断，管子可看作是一个由电压控制的可变电阻。在不同的u GS下，曲线上升的斜率不同，电阻值也不同。 恒流区——沟道出现予夹断，i D只受u GS控制，几乎不随u DS的改变而变化，输出特性曲线几乎成为水平的直线。恒流区又称饱和区或放大区。 夹断区——管子处于沟道完全夹断的情况，i D≈0，夹断区也称为截止区。 b．转移特性：i D = f (u GS) | u DS一定它描述了场效应管的u GS对i D的控制能力。 5．场效应管的主要参数 a．直流参数：开启电压U GS(th)（适用于增强型MOSFET）；夹断电压U GS(off)、零偏漏极电流I DSS（适用于耗尽型FET）。 b．交流参数：极间电容C gs、C ds、C gd；跨导g m（也称互导），它是管子在保持U DS一定时，漏极电流微变量d i D与栅源极间电压微变量d u GS的比值，即：场效应管放大电路.(DOC)
场效应管放大电路设计
场效应管及其放大电路
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