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第四章 场效应管及其放大电路11.场效应管根据结构不同分为哪两大类？场效应管根据结构不同分为哪两大类？2.何谓耗尽型？何谓增强型？何谓耗尽型？何谓增强型？VP夹断电压和夹断电压和VT开启电压开启电压分别是何种类型场效应管的重要参数之一？分别是何种类型场效应管的重要参数之一？3.场效应管有哪三个电极？和场效应管有哪三个电极？和BJT管如何对应？管如何对应？4.场效应管的两个电压场效应管的两个电压VGS和和VDS分别起何主要作用？分别起何主要作用？5.场效应管输出特性曲线分为哪几个区？作放大时工作场效应管输出特性曲线分为哪几个区？作放大时工作在哪个区？为什么？在哪个区？为什么？6.场效应管是双极型场效应管是双极型？单极型？电压控制器件还是电流？单极型？电压控制器件还是电流控制器件？它的输入电阻如何？（与控制器件？它的输入电阻如何？（与BJT对比）对比）7.根据场效应管特点作放大时，应如何合理设置根据场效应管特点作放大时，应如何合理设置Q点？点？2场效应管是电压控制器件。场效应管是电压控制器件。它具有输入阻抗高，噪声低的优点。它具有输入阻抗高，噪声低的优点。本章是本课程的难点，但不是本课程的重点。本章是本课程的难点，但不是本课程的重点。由于学时数少，又因为场效应管放大电路与由于学时数少，又因为场效应管放大电路与三极管放大电路有许多相同之处，所以，本章学三极管放大电路有许多相同之处，所以，本章学习采用对比学习法，即将场效应管与三极管放大习采用对比学习法，即将场效应管与三极管放大电路比较，了解相同点，掌握不同点。电路比较，了解相同点，掌握不同点。3三极管特点三极管特点电流控制器件（基极电流控制晶体管导电能力）电流控制器件（基极电流控制晶体管导电能力）输入阻抗不高输入阻抗不高双极型器件（两种载流子：多子少子参与导电）双极型器件（两种载流子：多子少子参与导电）噪声高噪声高场效应管特点场效应管特点电压控制器件（用电压产生电场来控制器件电压控制器件（用电压产生电场来控制器件的导电能力）故称为的导电能力）故称为Field Effect Transistor输入阻抗极高输入阻抗极高单极型器件（一种载流子：多子参与导电）单极型器件（一种载流子：多子参与导电）噪声小噪声小缺点速度慢缺点速度慢4图解法，估算法，微变等效电路法图解法，估算法，微变等效电路法三极管三极管场效应管场效应管三极管放大器三极管放大器场效应管放大器场效应管放大器分析方法分析方法分析方法分析方法5场效应三极管（场效应三极管（FET）只只有有一一种种载载流流子子参参与与导导电电，且且利利用用电电场场效效应应来来控控制制电流的三极管，称为电流的三极管，称为场效应管场效应管，也称，也称单极型三极管。单极型三极管。场效应管分类场效应管分类结型场效应管（结型场效应管（JFET）绝缘栅场效应管（绝缘栅场效应管（MOSFET）特点特点单极型器件单极型器件(一种载流子导电一种载流子导电)；输入电阻高；（输入电阻高；（1071015）工工艺艺简简单单、易易集集成成、功功耗耗小小、体体积积小小、噪声低、成本低等。噪声低、成本低等。6N沟道（相当于沟道（相当于NPN）P沟道（相当于沟道（相当于PNP）增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道（沟道（NPN）P 沟道沟道（PNP）N沟道（沟道（NPN）P沟道沟道（PNP）（耗尽型）（耗尽型）FET 场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型FET分类：分类：7DSGN符符号号结型场效应管（结型场效应管（JFET）一、结构一、结构图图N 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N型型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+P 型区型区耗尽层耗尽层(PN 结结)在在漏漏极极和和源源极极之之间间加加上上一一个个正正向向电电压压，N 型型半半导导体体中中多多数数载载流流子子电电子子可可以导电。以导电。导导电电沟沟道道是是 N 型型的的，称称 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管。8P 沟道场效应管沟道场效应管图图 P沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N+N+P型型沟沟道道GSD P 沟沟道道场场效效应应管管是是在在 P 型型硅硅棒棒的的两两侧侧做做成成高高掺掺杂杂的的 N 型型区区(N+)，导导电电沟沟道道为为 P 型型，多多数数载载流流子子为为空空穴。穴。符号符号GDS9N沟道沟道MOSFET耗尽型耗尽型增强型增强型P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道绝缘栅型场效应管的类别绝缘栅型场效应管的类别4.3 4.3 绝缘栅型场效应管（绝缘栅型场效应管（MOSFETMOSFET）结型场效应管的输入电阻虽然可达结型场效应管的输入电阻虽然可达106109，在使用中，在使用中若要求输入电阻更高，仍不能满足要求。绝缘栅型场效应管若要求输入电阻更高，仍不能满足要求。绝缘栅型场效应管又称为金属又称为金属-氧化物氧化物-半导体场效应管（半导体场效应管（MOSFET）具有更高输）具有更高输入电阻，可高达入电阻，可高达1015 。且有制造工艺简单、适于集成等优。且有制造工艺简单、适于集成等优点。点。增强型增强型MOS管在管在vGS=0时，无导电沟道。时，无导电沟道。耗尽型耗尽型MOS管在管在vGS=0时，已有导电沟道存在。时，已有导电沟道存在。10PN+SGDN+以以P型半导体作衬底型半导体作衬底形成两个形成两个PN结结SiO2保护层保护层Al金属电极金属电极从衬底引出电极从衬底引出电极两边扩散两个两边扩散两个高浓度的高浓度的N区区Al金属电极金属电极Al金属电极金属电极N沟道增强型沟道增强型MOSFET11PN+SGDN+半导体半导体Semiconductor氧化物氧化物Oxide金属金属Metal表示符号表示符号GSDMOSFET12NP+SGDP+P沟道增强型沟道增强型MOSFET的结构的结构表示符号表示符号GSD13PN+SGDN+N沟道增强型沟道增强型MOSFET的工作原理的工作原理+与与JFET相似，相似，MOSFET的工作原的工作原理同样表现在：理同样表现在：栅压栅压vGS对沟道导对沟道导电能力的控制，电能力的控制，漏源电压漏源电压vDS对漏对漏极电流的影响。极电流的影响。14PN+SGDN+N沟道增强型沟道增强型MOSFET的工作原理的工作原理+(1)vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用 当当vGS=0时，时，漏源极间是两个背靠漏源极间是两个背靠背的背的PN结，无论漏源结，无论漏源极间如何施加电压，极间如何施加电压，总有一个总有一个PN结处于反结处于反偏状态，漏偏状态，漏-源极间没源极间没有导电沟道，将不会有导电沟道，将不会有漏电流出现有漏电流出现iD0。15 N沟道增强型沟道增强型MOSFET的工作原理的工作原理vDS=0vGS增加，作用于半导增加，作用于半导体表面的电场就越强，体表面的电场就越强，吸引到吸引到P衬底表面的电衬底表面的电子就越多，导电沟道子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。越厚，沟道电阻越小。PN+SGDN+开始形成沟道时的栅开始形成沟道时的栅源极电压称为源极电压称为开启电开启电压，用压，用VT表示表示。导电沟道增厚导电沟道增厚沟道电阻减小沟道电阻减小16PN+SGDN+N沟道增强型沟道增强型MOSFET的工作原理的工作原理+(1)vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用,vDS=0当当vGSVT时，电场增强时，电场增强将将P衬底的电子吸引到表衬底的电子吸引到表面，这些电子在栅极附面，这些电子在栅极附近的近的P衬底表面便形成一衬底表面便形成一个个N型薄层，称为型薄层，称为反型层反型层形成导电沟道形成导电沟道出现反型层出现反型层且与两个且与两个N+区相连通，区相连通，在漏源极间形成在漏源极间形成N型导电型导电沟道沟道。17 N沟道增强型沟道增强型MOSFET的工作原理的工作原理综上所述：综上所述：N沟道沟道MOS管在管在vGSVT时，时，不能形成导电沟道，管子不能形成导电沟道，管子处于截止状态。处于截止状态。这种必须在这种必须在vGSVT时才能形时才能形成导电沟道的成导电沟道的MOS管称为管称为增强型增强型MOS管管。只有当只有当vGSVT时，方能形成时，方能形成沟道。沟道。PN+SGDN+沟道形成以后，在漏沟道形成以后，在漏-源极源极间加上正向电压间加上正向电压vDS，就有，就有漏极电流产生。漏极电流产生。18MOS管的伏安特性用管的伏安特性用输出特性输出特性和和转移特性转移特性描述描述 MOSFET的特性曲线的特性曲线输出特性输出特性 转移特性转移特性 输出特性输出特性当栅源电压当栅源电压|vGS|=C为常量时，漏极电流为常量时，漏极电流iD与漏源电压与漏源电压vDS之之间的关系。间的关系。与与BJT类似，输出特性曲线也分为类似，输出特性曲线也分为可变电阻区可变电阻区、饱和区饱和区、截止区截止区和和击击穿区穿区几部分。几部分。+19输出特性输出特性 MOSFET的特性曲线的特性曲线24061020可变电阻区可变电阻区放大区放大区截止区截止区击穿区击穿区20024061020转移特性曲线转移特性曲线输出特性曲线输出特性曲线 MOSFET的特性曲线的特性曲线21 耗尽型耗尽型NMOS管管1).耗尽型耗尽型NMOS管结构示意图管结构示意图sgdN+N+SiO2 Alb耗尽层耗尽层（导电沟道）（导电沟道）反型层反型层P耗尽型耗尽型NMOS管管在在vGS=0时，漏源极间时，漏源极间已有导电沟道产生，已有导电沟道产生，通过施加负的栅源电通过施加负的栅源电压（夹断电压）使沟压（夹断电压）使沟道消失，而道消失，而增强型增强型NMOS管管在在vGSVT时时才出现导电沟道。才出现导电沟道。22 耗尽型耗尽型NMOS管管1).耗尽型耗尽型NMOS管结构示意图管结构示意图sgdN+N+SiO2 Alb耗尽层耗尽层（导电沟道）（导电沟道）反型层反型层PN沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管符号符号 P沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管符号符号 GSDGSD23 耗尽型耗尽型MOS管管sgdN+N+SiO2 Alb耗尽层耗尽层（导电沟道）（导电沟道）反型层反型层PN沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管当当vGS为负时，沟道变窄，为负时，沟道变窄，沟道电阻变大，沟道电阻变大，iD减小。减小。当当vGS负向增加到某一数负向增加到某一数值时，导电沟道消失，值时，导电沟道消失，iD趋于零，管子截止；趋于零，管子截止；使沟道消失时的栅源电使沟道消失时的栅源电压称为压称为夹断电压，用夹断电压，用VP表示。表示。2).耗尽型耗尽型MOS管原理管原理24耗尽型耗尽型MOS管管在饱和区内，耗尽型在饱和区内，耗尽型MOS管的电流方程与结型场效应管的电管的电流方程与结型场效应管的电流方程相同，即流方程相同，即 3).耗尽型耗尽型MOS管电流方程（管电流方程（增强型增强型MOS管见书管见书）25 场效应管与三极管的性能比较场效应管与三极管的性能比较 1场效应管的源极场效应管的源极s、栅极、栅极g、漏极、漏极d分别对应于三极管分别对应于三极管的发射极的发射极e、基极、基极b、集电极、集电极c，它们的作用相似。，它们的作用相似。2场效应管是电压控制电流器件，由场效应管是电压控制电流器件，由vGS控制控制iD，其跨导，其跨导gm一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管是一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控制电流器件，由电流控制电流器件，由iB控制控制iC。3场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。因此场场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。因此场效应管栅极几乎不取电流；而三极管工作时基极总要吸效应管栅极几乎不取电流；而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。取一定的电流。26 场效应管与三极管的性能比较场效应管与三极管的性能比较 4场效应管场效应管多子参与导电；三极管有多子和少子两种多子参与导电；三极管有多子和少子两种载流子参与导电；所以场效应管比三极管的噪声小，在低载流子参与导电；所以场效应管比三极管的噪声小，在低噪声放大电路的输入级应选用场效应管。噪声放大电路的输入级应选用场效应管。5场效应管源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大；场效应管源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大；而三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大，而三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大，b b值将减小很多。值将减小很多。6场效应管制造工艺简单，且具有功耗低等优点；因而场场效应管制造工艺简单，且具有功耗低等优点；因而场效应管易于集成，被广泛用于大规模和超大规模集成电路效应管易于集成，被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。中。27DSGN符符号号结型场效应管结型场效应管一、结构一、结构图图N 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N型型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+P 型区型区耗尽层耗尽层(PN 结结)在在漏漏极极和和源源极极之之间间加加上上一一个个正正向向电电压压，N 型型半半导导体体中中多多数数载载流流子子电电子子可可以导电。以导电。导导电电沟沟道道是是 N 型型的的，称称 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管。28P 沟道场效应管沟道场效应管图图 P沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N+N+P型型沟沟道道GSD P 沟沟道道场场效效应应管管是是在在 P 型型硅硅棒棒的的两两侧侧做做成成高高掺掺杂杂的的 N 型型区区(N+)，导导电电沟沟道道为为 P 型型，多多数数载载流流子子为为空空穴。穴。符号符号GDS29MOSFET符号符号增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道GSDP沟道沟道GSDGSDGSDJFET符号符号dgsdgs耗尽型耗尽型30 场效应管放大电路的三种组态场效应管放大电路的三种组态 场效应管放大电路场效应管放大电路 根据场效应管在放大电路中的连接方式，场效应管放大根据场效应管在放大电路中的连接方式，场效应管放大电路分为三种组态：共源极电路、共栅极电路和共漏极电路电路分为三种组态：共源极电路、共栅极电路和共漏极电路共源极电路（对应共射电路）：共源极电路（对应共射电路）：栅极是输入端，漏极是输出端，源极是输入输出的公共电极。栅极是输入端，漏极是输出端，源极是输入输出的公共电极。共栅极电路（对应共基电路）共栅极电路（对应共基电路）：源极是输入端，漏极是输出端，栅极是输入输出的公共电极。源极是输入端，漏极是输出端，栅极是输入输出的公共电极。共漏极电路（对应共集电极电路）共漏极电路（对应共集电极电路）：栅极是输入端，源极是输出端，漏极是输入输出的公共电极。栅极是输入端，源极是输出端，漏极是输入输出的公共电极。314.5 4.5 场效应管（场效应管（FETFET）放大电路）放大电路 根据前面讲的场效应管的根据前面讲的场效应管的结构结构和和工作原理工作原理，和双，和双极性三极管比较可知，场效应管极性三极管比较可知，场效应管具有放大作用具有放大作用。场效应管的三个极和双极性三极管的三个极存在场效应管的三个极和双极性三极管的三个极存在着着对应关系对应关系即：即：G(栅极栅极)b(基极基极)S(源极源极)e(发射极发射极)D(漏极漏极)c(集电极集电极)所以根据双极性三极管放大电路，可组成相应的所以根据双极性三极管放大电路，可组成相应的场效应管放大电路。场效应管放大电路。32IDGRDSBUDSUGS输输入入输输出出共源组态：共源组态：输入：输入：GS输出：输出：DS场效应管（场效应管（场效应管（场效应管（FETFET）放大电路的）放大电路的）放大电路的）放大电路的三种工作组态三种工作组态以以NMOS（E）为例：）为例：GRDDBUDSUGS输输入入输输出出共漏组态：共漏组态：输入：输入：GD输出：输出：SDIDGRDSBUDS输输入入输输出出共栅组态：共栅组态：输入：输入：SG输出：输出：DGID33(1)静态：适当的静态工作点，使场效应管工作静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区，场效应管的偏置电路相对在恒流区，场效应管的偏置电路相对简单。简单。(2)动态：能为交流信号提供通路。动态：能为交流信号提供通路。场效应管（场效应管（场效应管（场效应管（FETFET）放大电路的）放大电路的）放大电路的）放大电路的组成原则：组成原则：静态分析：静态分析：估算法、图解法。估算法、图解法。动态分析：动态分析：微变等效电路法。微变等效电路法。场效应管（场效应管（场效应管（场效应管（FETFET）放大电路的）放大电路的）放大电路的）放大电路的分析方法：分析方法：34 但由于两种放大器件但由于两种放大器件各自的特点各自的特点，故不能将双极，故不能将双极性三极管放大电路的三极管简单地用场效应管取代，性三极管放大电路的三极管简单地用场效应管取代，组成场效应管放大电路。组成场效应管放大电路。双极性三极管是双极性三极管是电流控制器件电流控制器件，组成放大电路时，组成放大电路时，应给双极性三极管应给双极性三极管设置偏置偏流设置偏置偏流。而场效应管是而场效应管是电压控制器件电压控制器件，故组成放大电路时，故组成放大电路时，应给场效应管应给场效应管设置偏置偏压设置偏置偏压：合适的栅极电压（简称合适的栅极电压（简称合适的栅极电压（简称合适的栅极电压（简称栅压，为栅压，为栅压，为栅压，为QQ点电压）点电压）点电压）点电压），保证放大电路具有合适的工作保证放大电路具有合适的工作点，避免输出波形产生严重的非线性失真点，避免输出波形产生严重的非线性失真。4.5.1 静态工作点与偏置电路静态工作点与偏置电路 35 由于场效应管种类较多，故采用的偏置电路，其由于场效应管种类较多，故采用的偏置电路，其电压极性电压极性必须考虑。必须考虑。以以N沟道为例：沟道为例：N沟道的结型场效应管只能工作在沟道的结型场效应管只能工作在UGS0，而耗尽型工作在，而耗尽型工作在UGS 0UGSQ=0UGSQ 0RL+VDDRDC2CS+uo C1+ui RG2RSGSDRG1RG3 该电路产生的该电路产生的栅源电压可正可负栅源电压可正可负，所以适用于，所以适用于所有的场效应管电路。所有的场效应管电路。42例例 1 耗尽型耗尽型 N 沟道沟道 MOS 管，管，RG=1 M，RS=2 k，RD=12 k ，VDD=20 V。IDSS=4 mA，UGS(off)=4 V，求，求 iD 和和 uO。iG=0 uGS=iDRSRDGDSRGRSiD+uO+VDD43iD1=4 mAiD2=1 mAuGS=8 VUGS则：则：UG US而：而：IG=0所以：所以：UDD=20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10k77uoUDD=20VRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10k二、动态分析二、动态分析sgR2R1RGRLdRLRD微变等效电路微变等效电路78sgR2R1RGRLdRLRDro=RD=10k 79例例2：源极输出器源极输出器uo+UDDRSuiC1R1RGR2RL150k50k1M10kDSC2G一、静态分析一、静态分析US UGUDS=UDD-US=20-5=15V80uo+UDDRSuiC1R1RGR2RL150k50k1M10kDSC2Griro ro gR2R1RGsdRLRS微变等效电路微变等效电路二、动态分析二、动态分析81riro ro gR2R1RGsdRLRS微变等效电路微变等效电路输入电阻输入电阻 ri82输出电阻输出电阻 ro加压求流法加压求流法gd微变等效电路微变等效电路ro ro R2R1RGsRS83 例例3:3:一个场效应管的一个场效应管的输输 出特性如图所示，出特性如图所示，试分析试分析:(1)(1)它是属于何种类型的它是属于何种类型的 场效应管；场效应管；(2)(2)它的开启电压它的开启电压V VT T(或或 夹断电压夹断电压V VP P)大约是多大约是多 少？少？(3)(3)它的饱和漏极电流它的饱和漏极电流 DSSDSS是多少是多少?4812 162680Id(mA)1vVgs=0v-1v-2v4484 解：由场效应管输出特性可看出，解：由场效应管输出特性可看出，(1)V(1)VGSGS在在正负电压正负电压一定范围内变化时，有一定范围内变化时，有 D D输出，所以为输出，所以为N N沟道耗尽型沟道耗尽型场效应管。场效应管。(2)(2)V VGSGS=-3V=-3V时，时，D D=0,=0,所以所以V VP P=-3V=-3V。(3)(3)DSSDSS6mA6mA。4812 162680Id(mA)1vVgs=0v-1v-2v4485讨论：讨论：根据特性曲线中，根据特性曲线中，VGS=0时，时，iD不等于不等于0，而而且，且，VGS可正可负，可正可负，可以判断这个管子时可以判断这个管子时耗尽型绝耗尽型绝缘栅场效应管缘栅场效应管；又根据又根据VGS从负到正改变时，从负到正改变时，iD 相应地有小到相应地有小到大改变大改变，可见它是，可见它是 N 沟道沟道。夹断电压和饱和特性可夹断电压和饱和特性可直接从特性曲线上看出直接从特性曲线上看出。86 例例4:4:增强型增强型MOSMOS管和耗尽型管和耗尽型MOSMOS管的管的主要区别主要区别是什么是什么?增强型的场效应管能否用自给偏压的增强型的场效应管能否用自给偏压的方法的静态工作点？方法的静态工作点？87 答：答：增强型增强型 MOS MOS 管的导电沟道是在管的导电沟道是在V VGS GS 增大到开启增大到开启电压电压V VT T 才接通，即才接通，即有一定的栅源电压之后，才有漏有一定的栅源电压之后，才有漏极电流极电流 d d;耗尽型耗尽型 MOSMOS管的导电沟道管的导电沟道是在是在 V VGSGS=0=0时已经形成，时已经形成，极栅源电压为零时才有较大漏极电流极栅源电压为零时才有较大漏极电流 d d,其其V VGSGS值可正值可正可负可负。增强型增强型的场效应管的场效应管不能用自给偏压不能用自给偏压的方法获得静的方法获得静态工作点。态工作点。88 例例5:5:如图中如图中T T 的的 DSS DSS=2mA,V=2mA,VGS(off)GS(off)=-=-3V,3V,试求：试求：(1)(1)栅源电压栅源电压V VGSGS；(2)(2)漏极电流漏极电流 D D；(3)(3)漏源电压漏源电压V VDSDS；(4)(4)低频跨导低频跨导g gm m；R1300KRD10KR2200KccVDDV5V12VT89 解：解：(1)(1)由电路图可知：由电路图可知：(2)(2)场效应管为场效应管为N N沟道耗尽型，其转移特性曲沟道耗尽型，其转移特性曲线可用近似公式表示为：线可用近似公式表示为：R1300KRD10KR2200KccVDDV5V12VT90 将已知条件代入，可得：将已知条件代入，可得：(3)V(3)VDSDS可通过列出输出回路方程求得：可通过列出输出回路方程求得：91 小结：小结：本题的目的在于本题的目的在于估算估算场效应管放大器的场效应管放大器的 静态工作点静态工作点。与三极管放大器相似，求场效。与三极管放大器相似，求场效 应管放大器的工作点应管放大器的工作点就是解它的直流通路就是解它的直流通路。运用估算法求运用估算法求Q Q点时，必须已知点时，必须已知 DSSDSS及及V VP P。有时题中没有直接给出，这时可通过输出曲有时题中没有直接给出，这时可通过输出曲线间接求得。线间接求得。92