第三章 场效应管及其放大电路,3.1 场效应管（Field Effect Transistor简称FET）,场效应管利用输入回路的电场效应（电压）来控制输出回路电流的一种半导体器件。 主要特点： 输入电压控制输出电流 输入内阻高（1071012欧姆） 仅靠多数载流子导电，即单极型晶体管。 优点： 易于集成、功耗小、噪声低、热稳定性好、输入内阻高,3.1 绝缘栅场效应三极管,绝缘栅型场效应管 ( Metal Oxide Semiconductor FET)，简称MOS管。分为： 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道,一、N沟道增强型MOS管 1.结构 4个电极：漏极D (drain)，源极S (source)，栅极G (gate)和 衬底B (base)。,符号：,当uGS0V时纵向电场 将靠近栅极下方的空穴向下排斥，剩下不能移动的负离子区耗尽层。,2.工作原理,当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。,栅源电压uGS的控制作用,2.工作原理,再增加uGS纵向电场 将P区少子电子在电场的作用下聚集到P区表面，薄层的导电类型由原来的P型变成N型（叫做反型层），且与两个N+区相通 形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，源区中的电子将沿着这个反型层漂移到漏区，就可以形成漏极电流id。 这种由电子形成的沟道，称为N沟道,定义： 开启电压（ UGS(th)）刚刚产生导电沟道所需的栅源电压UGS。,N沟道增强型MOS管的基本特性： uGS UGS(th) ，管子截止， uGS UGS(th) ，管子导通。 uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作用下，漏极电流ID越大。,漏源电压uDS对漏极电流id的控制作用,当uGSUGS(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电 压uDS对漏极电流iD的影响。（设UGS(th) =2V， uGS=5V）,（a）uDS=0时， iD=0。,（b） uDS iD ； 由于iD流经沟道，形成自漏极到源极方向的电压降，从而使沟道中各点与栅极间电压不再相等，近源极一端的电压值最大，近漏极一端的电压值最小，造成沟道靠漏区变窄。,漏源电压uDS对漏极电流id的控制作用,（c）当uDS增加到使uGD= UGS(th)（即uDS=uGS-uGS(th)）时， 沟道靠漏区夹断，称为预夹断。,（d） uDS再增加，预夹断区 加长， uDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，相应产生自漏极指向夹断点的电场。这个电场将自源区到达夹断点的电子拉到漏极。而夹断点到源极之间的电压为定值，所以产生的电流 iD基本不变。,（3）特性曲线,三个区： （a）可变电阻区（预夹断前）。,输出特性曲线,（b）恒流区（预夹断 后）。,（c）夹断区（截止区）。,可变电阻区,恒流区,夹断区,当uDSuGS-uGS(th)产生预夹断后 ，iD几乎不因uDS的增大而变化，管子进入恒流区，iD仅由uGS决定。对于每一个uGS就有一个确定的iD.,没有电流流过栅极，输入电流为零，没有输入特性曲线,转移特性曲线： iD=f(uGS)uDS=const,可根据输出特性曲线作出转移特性曲线。 例：作uDS=10V的一条转移特性曲线：,UGS(th),小结,增强型MOS管象双极型三极管一样有一个开启电压UGS(th) ， （相当于三极管BE结开启电压）。,当 |UGS| 低于 |UGS(th) | 时，漏源之间无沟道，ID=0。,|UGS|高于 |UGS(th) | 时，形成反型层，漏源之间加电压后,结型场效应管的工作原理类似耗尽型MOS管,一个重要参数跨导gm：,gm=iD/uGS uDS=const (单位mS) gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 在转移特性曲线上， gm为的曲线的斜率。,3.2 场效应管的主要参数,3.2 场效应管的主要参数,2）开启电压UGS(th) 在UDS为一常量时，使iD0所需的最小|uGS|值。是增强型管的参数。 3）夹断电压UGS(off) 在UDS为一常量时, iD为规定的微小电流时的uGS。是结型场效应管和耗尽型MOS管的参数。,3.3、N沟道耗尽型MOSFET,特点： 当uGS=0时，就有沟道，加入uDS，就有iD。 当uGS0时，沟道增宽，iD进一步增加。 当uGS0时，沟道变窄，iD减小。,在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。,定义： 夹断电压（ UGS(off)）沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS。,N沟道耗尽型MOSFET的特性曲线,输出特性曲线,转移特性曲线,UGS(off),P沟道耗尽型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。,N沟道：,P沟道：,双极型和场效应型三极管的比较,【例1.4.2】试分析uI为0V、8V和10V时，uO分别为多少？,解：uGSuI0V，管子处于夹断状态，iD0，uOuDSVDDiDRD=15V。 uGSuI8V,假设管子处于恒流区状态， iD1mA， uOuDSVDDiDRD=10V；可以看到（ uGS ， uDS ）（8，10）仍在恒流区 。 （需要反向复核，即恒流和可变电阻区是由uGS和 uDS共同确定，需先假设一种状态，再验证） uGSuI10V, 假设工作在恒流区， iD2.2mA 。则uOuDSVDDiDRD=4V .而 uGS10V时的预夹断电压uDS uGSUGS(th)=10-4=6V， （ uGS ， uDS ）（10，6）说明应在可变电阻区。,2.2,以P沟道增强型MOS管为例：,2.7 场效应管放大电路,一、基本共源放大电路双电源,静态工作点包括：UGSQ ,IDQ , UDSQ 利用场效应管的电流方程，求出IDQ。,2.7.2 场效应管放大电路静态工作点的设置,2.7.3 场效应管放大电路的动态分析,以N沟道增强型MOS管为例。,令,gm、rds近似为常数,用有效值（带方向的交流值）来表示,求gm、rds,rds很大，几十千欧几百千欧,可忽略rds，将rds断开。 场效应管内部输出回路只剩下受控电流源,小信号作用时，iD IDQ，得到,gm与Q点紧密相关,二、基本共源放大电路的动态分析,与共射放大电路的比较,具有电压放大能力（较小） 输入电阻较大,