模电4场效应管Word文件下载.docx
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这时的栅-源电压称为夹断电压，用VP表示。
（2）vDS对iD的影响
在vDS较小时，它对iD的影响应从两个角度来分析：
一方面vDS增加时，沟道的电场强度增大，iD随着增加；
另一方面，随着vDS的增加，沟道的不均匀性
增大，即沟道电阻增加，iD应该下降，但是在vDS较小时，沟道的不均匀性不明显，在漏极附近的区域内沟道仍然较宽，即vDS对沟道电阻影响不大，故iD随vDS增加而几乎呈线性地增加。
随着vDS的进一步增加，靠近漏极一端的P+N结上承受的反向电压增大，这里的耗尽层相应变宽，沟道电阻相应增加，iD随vDS上升的速度趋缓。
当vDS增加到vDS=vGS-VP，即vGD=vGS-vDS=VP（夹断电压）时，漏极附近的耗尽层即在A点处合拢，如图所示，这种状态称为预夹断。
与前面讲过的整个沟道全被夹断不同，预夹断后，漏极电流iD≠0。
因为这时沟道仍然存在，沟道内的电场仍能使多数载流子（电子）作漂移运动，并被强电场拉向漏极。
若vDS继续增加，使vDS＞vGS－VP,即vGD＜VP时，耗尽层合拢部分会有增加，即自A点向源极方向延伸，如图，夹断区的电阻越来越大，但漏极电流iD却基本上趋于饱和，iD不随vDS的增加而增加。
因为这时夹断区电阻很大，vDS的增加量主要降落在夹断区电阻上，沟道电场强度增加不多，因而iD基本不变。
但当vDS增加到大于某一极限值（用V（BR）DS表示）后，漏极一端P+N结上反向电压将使P+N结发生雪崩击穿，iD会急剧增加，正常工作时vDS不能超过V（BR）DS。
从结型场效应管正常工作时的原理可知：
①结型场效应管栅极与沟道之间的P+N结是反向偏置的，因此，栅极电流iG≈0，输入阻抗很高。
②漏极电流受栅-源电压vGS控制，所以场效应管是电压控制电流器件。
③预夹断前，即vDS较小时，iD与vDS间基本呈线性关系；
预夹断后，iD趋于饱和。
沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。
4.1.2JFET的特性曲线及参数
由于结型场效应管的栅极输入电流iG≈0，因此很少应用输入特性曲线，常用的特性曲线有输出特性曲线和转移特性曲线。
1．输出特性曲线
输出特性曲线用来描述vGS取一定值时，电流iD和电压vDS间的关系，即
它反映了漏-源电压vDS对iD的影响。
由此图可见，结型场效应管的工作状态可划分为四个区域。
（1）可变电阻区
它表示vDS较小、管子预夹断前，电压vDS与漏极电流iD间的关系。
在此区域内有VP＜vGS≤0，vDS＜vGS－VP。
当vGS一定，vDS较小时，vDS对沟道影响不大，沟道电阻基本不变，iD与vDS之间基本呈线性关系。
若|vGS|增加，则沟道电阻增大，输出特性曲线斜率减小。
所以，在vDS较小时，源-漏极间可以看作是一个受vGS控制的可变电阻，故称这一区域为可变电阻区。
这一特点常使结型场效应管被作为压控电阻而广泛应用。
（2）饱和区（也称恒流区）
当VP＜vGS≤0且vDS≥vGS－VP时，N沟道结型场效应管进入饱和区，即图中特性曲线近似水平的部分。
它表示管子预夹断后，电压vDS与漏极电流iD间的关系。
饱和区的特点是iD几乎不随vDS的变化而变化，iD已趋于饱和，但它受vGS的控制。
增加，沟道电阻增加，iD减小。
场效应管作线性放大器件用时，就工作在饱和区。
预夹断点随vGS改变而变化，vGS愈负，预夹断时的vDS越小。
（3）击穿区
管子预夹断后，若vDS继续增大，当栅-漏极间P+N结上的反偏电压vGD增大到使P+N结发生击穿时，iD将急剧上升，特性曲线进入击穿区。
管子被击穿后再不能正常工作。
（4）截止区（又称夹断区）
当栅-源电压
≥
时，沟道全部被夹断，iD≈0，这时场效应管处于截止状态。
截止区处于输出特性曲线图的横座标轴附近。
2.转移特性曲线
转移特性曲线用来描述vDS取一定值时，iD与vGS间的关系的曲线，即
它反映了栅-源电压vGS对iD的控制作用。
由于转移特性和输出特性都是用来描述vGS、vDS及iD间的关系的，所以转移特性曲线可以根据输出特性曲线绘出。
作法如下：
在图1所示的输出特性中作一条vDS=10V的垂线，将此垂线与各条输出特性曲线的交点所对应的iD、vGS的值转移到iD-vGS直角坐标系中，即可得到转移特性曲线
，如图所示。
改变vDS的大小，可得到一族转移特性曲线，当vDS≥
（图中为vDS≥5V）后，不同vDS下的转移特性曲线几乎重合，这是因为在饱和区内iD几乎不随vDS而变。
因此可用一条转移特性曲线来表示饱和区中iD与vGS的关系。
在饱和区内iD可近似地表示为
（VP＜vGS≤0）
式中IDSS为vGS=0，vDS≥
时的漏极电流，称为饱和漏极电流。
3、主要参数：
1.夹断电压VP
当vDS为某一固定值（例如10V），使iD等于某一微小电流（例如50mA）时，栅-源极间所加的电压即夹断电压。
2.饱和漏极电流IDSS
在vGS=0的条件下，场效应管发生预夹断时的漏极电流。
IDSS是结型场效管管子所能输出的最大电流。
3.直流输入电阻RGS
它是在漏-源极间短路的条件下，栅-源极间加一定电压时，栅-源极间的直流电阻。
4.低频跨导gm
当vDS为常数时，漏极电流的微小变化量与栅-源电压vGS的微小变化量之比为跨导，即
gm反映了栅-源电压对漏极电流的控制能力，是表征场效应管放大能力的一个重要参数。
单位为西门子（s），有时也用ms或μs表示。
需要指出的是，gm与管子的工作电流有关，iD越大，gm就越大。
在放大电路中，场效应管工作在饱和区（恒流区），gm可由式和
求得，即
5.输出电阻rd
当vGS为常数时，漏-源电压的微小变化量与漏极电流iD的微小变化量之比为输出电阻rd，即
rd反映了漏-源电压vDS对iD的影响。
在饱和区内，iD几乎不随vDS而变化，因此，rd数值很大，一般为几十千欧~几百千欧。
6.极间电容Cgs、Cgd、Cds
Cgs是栅-源极间存在的电容，Cgd是栅-漏极间存在的电容。
它们的大小一般为1~3pF，而漏-源极间的电容Cds约为0.1~1pF。
在低频情况下，极间电容的影响可以忽略，但在高频应用时，极间电容的影响必须考虑。
7.最大漏-源电压V（BR）DS
指管子沟道发生雪崩击穿引起iD急剧上升时的vDS值。
V（BR）DS的大小与vGS有关，对N沟道而言，|vGS|的值越大，则V（BR）DS越小。
8.最大栅-源电压V（BR）GS
指栅-源极间的PN结发生反向击穿时的vGS值，这时栅极电流由零而急剧上升。
9.漏极最大耗散功率PDM
漏极耗散功率PD（=vDSiD）变为热能使管子的温度升高，为了限制管子的温度，就需要限制管子的耗散功率不能超过PDM。
PDM的大小与环境温度有关。
除了以上参数外，结型场效应管还有噪声系数，高频参数等其他参数。
结型场效应管的噪声系数很小，可达1.5dB以下。
作业：
4.3.1；
4.3.4
4．3金属-氧化物-半导体场效应管概述
结型场效应管的输入电阻虽然可达106～109，但在高温时，反偏电阻的阻值明显下降。
结型场效应管（MOSFET）的栅极与半导体之间隔有二氧化硅（SiO2）绝缘介质，它的输入电阻可高达1015。
制造工艺简单，适于制造大规模及超大规模集成电路。
4．3．1N沟道增强型MOS管
1、结构和符号
N沟道增强型MOS管它的栅极与其它电极间是绝缘的。
下图分别是它的结构示意图和代表符号。
代表符号中的箭头方向表示由P（衬底）指向N（沟道）。
P沟道增强型MOS管的箭头方向与上述相反，
在
MOS管也有N沟道和P沟道之分，而且每一类又分为增强型和耗尽型两种，二者的区别是增强型MOS管在栅-源电压vGS=0时，漏-源极之间没有导电沟道存在，即使加上电压vDS（在一定的数值范围内），也没有漏极电流产生（iD=0）。
而耗尽型MOS管在vGS=0时，漏-源极间就有导电沟道存在。
2、N沟道增强型MOS管的工作原理
（1）、vGS对iD及沟道的控制作用
MOS管的源极和衬底通常是接在一起的，增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。
当栅-源电压vGS=0时，即使加上漏-源电压vDS，而且不论vDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流iD≈0。
若在栅-源极间加上正向电压，即vGS＞0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电子，因而使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子（负离子），形成耗尽层，同时P衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面。
当vGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图所示。
vGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当vGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个N+区相连通，在漏-源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称为反型层，如图所示。
vGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。
我们把开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压，用VT表示。
由上述分析可知，N沟道增强型MOS管在vGS＜VT时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。
只有当vGS≥VT时，才有沟道形成，此时在漏-源极间加上正向电压vDS，才有漏极电流产生。
而且vGS增大时，沟道变厚，沟道电阻减小，iD增大。
这种必须在vGS≥VT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。
（2）、vDS对iD的影响
当vGS>
VT且为一确定值时，漏-源电压vDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似。
漏极电流iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大，这里沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为vGD=vGS
但当vDS较小（vDS<
vGS–VT）时，它对沟道的影响不大，这时只要vGS一定，沟道电阻几乎也是一定的，所以iD随vDS近似呈线性变化。
随着vDS的增大，靠近漏极的沟道越来越薄，当vDS增加到使vGD=vGS-vDS=VT（或vDS=vGS-VT）时，沟道在漏极一端出现预夹断，再继续增大vDS，夹断点将向源极方向移动，如图所示。
由于vDS的增加部分几乎全部降落在夹断区，故iD几乎不随vDS增大而增加，管子进入饱和区，iD几乎仅由vGS决定。
3、N沟道增强型MOS管的特性曲线、电流方程及参数
（1）、特性曲线和电流方程
N沟道增强型MOS管的输出特性曲线如图所示。
与结型场效应管一样，由于场效应管作放大器件使用时是工作在饱和区（恒流区）,此时iD几乎不随vDS而变化,即不同的vDS所对应的转移特性曲线几乎是重合的,所以可用vDS大于某一数值（vDS＞vGS-VT）后的一条转移特性曲线代替饱和区的所有转移特性曲线,与结型场效应管相类似。
在饱和区内,iD与vGS的近似关系式为
（vGS＞VT）
式中IDO是vGS=2VT时的漏极电流iD。
（2）、参数
MOS管的主要参数与结型场效应管基本相同，只是增强型MOS管中不用夹断电压VP，而用开启电压VT表征管子的特性
4．3．2N沟道耗尽型MOS管
结构上N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管基本相似,其区别仅在于栅－源极间电压vGS=0时，耗尽型MOS管中的漏－源极间已有导电沟道产生，而增强型MOS管要在vGS≥VT时才出现导电沟道。
原因是制造N沟道耗尽型MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+（制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子），如图所示，因此即使vGS=0时，在这些正离子产生的电场作用下，漏－源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道（称为初始沟道），只要加上正向电压vDS，就有电流iD。
如果加上正的vGS，栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子，沟道加宽，沟道电阻变小，iD增大。
反之vGS为负时，沟道中感应的电子减少，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。
当vGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，iD趋于零，管子截止，故称为耗尽型。
沟道消失时的栅-源电压称为夹断电压，仍用VP表示。
与N沟道结型场效应管相同，N沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP也为负值，但是，前者只能在vGS<
0的情况下工作。
而后者在vGS=0，vGS>
0，VP<
vGS<
0的情况下均能实现对iD的控制，而且仍能保持栅-源极间有很大的绝缘电阻,使栅极电流为零。
这是耗尽型MOS管的一个重要特点。
图是P沟道耗尽型MOS管的代表符号。
在饱和区内，耗尽型MOS管的电流方程与结型场效应管的电流方程相同，即
4．3．3各种场效应管特性比较及使用注意事项
1、特性比较：
上面以N沟道MOS管为例，讨论了它的工作原理、特性及参数。
这些分析也基本上适用于P沟道MOSFET，但由于后者工作的载流子是空穴，故衬底材料及各电极电源极性都要改变。
为帮助读者学习，将各类FET的特性列于表中。
表
1
结构种类
工作方式
符
号
电压极性
转移特性
iD=f（vGS）
输出特性
iD=f（vDS）
VP或VT
VDS
N沟道
MOSFET
耗
尽
型
（-）
（+）
增
强
P沟道
JFET
GaAs
MESFET
2、使用场效应管的注意事项
．从场效应管的结构上看，其源极和漏极是对称的，因此源极和漏极可以互换。
但有些场效应管在制造时已将衬底引线与源极连在一起，这种场效应管的源极和漏极就不能互换了。
．场效应管各极间电压的极性应正确接入，结型场效应管的栅-源电压vGS的极性不能接反。
．当MOS管的衬底引线单独引出时，应将其接到电路中的电位最低点（对N沟道MOS管而言）或电位最高点（对P沟道MOS管而言），以保证沟道与衬底间的PN结处于反向偏置，使衬底与沟道及各电极隔离。
．MOS管的栅极是绝缘的，感应电荷不易泄放，而且绝缘层很薄，极易击穿。
所以栅极不能开路，存放时应将各电极短路。
焊接时，电烙铁必须可靠接地，或者断电利用烙铁余热焊接，并注意对交流电场的屏蔽
3、场效应管与三极管的性能比较
．场效应管的源极s、栅极g、漏极d分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似。
．场效应管是电压控制电流器件，由vGS控制iD，其放大系数gm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iB控制iC。
．场效应管栅极几乎不取电流（ig≈0）；
而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。
因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。
．场效应管只有多子参与导电；
三极管有多子和少子两种载流子参与导电，因少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，所以场效应管比三极管的温度稳定性好、抗辐射能力强。
在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管。
．场效应管在源极未与衬底连在一起时，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，值将减小很多。
．场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管。
．场效应管和三极管均可组成各种放大电路和开关电路，但由于前者制造工艺简单，且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。
4.4.1FET的直流偏置电路及静态分析
1.直流偏置电路
（1）自偏压电路
所以栅源偏置电压VGS=VG–VS=–IDR
（2）分压式自偏压电路
分压式偏置电路是在自偏压电路的基础上加接分压电路后构成的，如图2加接分压电路后构成的，如图所示。
静态时，由于栅极电流为零，Rg3上没有电压降，所以栅极电位由Rg2与Rg1对电源VDD分压得到，
即
。
源极电位VS=IDR，因此栅源直流偏置电压
这种偏置方式同样适用于结型场效应管或耗尽型MOS管组成的放大电路。
2.静态工作点
工作在饱和区时，结型场效应管和耗尽型MOS管的漏极电流
，增强型MOS管的漏极电流
求静态工作点时，对于图所示电路，可求解方程组
得到ID和VGS。
管压降
对于所示电路，可求解方程组
管压降VDS=VDD–ID（Rd+R）
4.4.2FET放大电路的小信号模型分析法
1.FET小信号模型
（1）低频模型
（2）高频模型
当场效应管工作在高频小信号条件下时，其极间电容的影响不能忽略，这时场效应管要用右图所示的高频小信号模型等效。
2.动态指标分析
（1）中频小信号模型
与双极型三极管放大电路相对应，场效应管放大电路也有三种基本组态，即共源极、共漏极和共栅极放大电路。
用场效应管小信号模型分析其放大电路的步骤，与三极管小信号模型分析法的步骤相同。
（2）．中频电压增益
场效应管的输出电阻rd通常在几百千欧数量级，比电阻Rd、RL大得多，因此可将rd作开路处理，于是图1（b）中
式中负号表示共源极放大电路的输出电压与输入电压相位相反，即共源极放大电路属于反相电压放大电路。
（3）．输入电阻
由于场效应管栅极几乎不取信号电流，栅-源极间的交流电阻可视为无穷大，因此，图所示共源极放大电路的输入电阻为
（4）．输出电阻
应用前面介绍过的求放大电路输出电阻的方法，可求得图所示电路的输出电阻为
由上述分析可知，与共射极放大电路类似，共源极放大电路具有一定的电压放大能力，且输出电压与输入电压反相，故被称为反相电压放大器。
共源极放大电路的输入电阻很高，输出电阻主要由漏极电阻Rd决定。
适用于作多级放大电路的输入级或中间级
例题:
共漏极放大电路
1．中频电压增益
所以
由此式可知，共漏极放大电路的中频电压增益
，输出电压与输入电压相位相同。
当
时，
，因此，共漏极放大电路又称为源极电压跟随器。
2．输入电阻Ri
3．输出电阻Ro
在此电路中，由于栅极电流
，栅极回路的电阻上均无信号电压，所以
，于是有
即共漏极电路的输出电阻Ro等于源极电阻R和跨导的倒数
相并联，所以，输出电阻Ro较小。
不过，由于一般情况下gm较小，因而使共漏电路的输出电阻比共集电极电路的输出电阻高
3、场效应管放大电路与BJT放大电路的性能比较
场效应管放大电路的共源电路、共漏电路、共栅电路分别与三极管放大电路的共射电路、共集电路、共基电路相对应。
共源电路与共射电路均有电压放大作用，即
，而且输出电压与输入电压相位相反。
因此，这两种放大电路可统称为反相电压放大器，用图1（a）所示的示意图表示。
（a）
（b）
（c）
图
共漏电路与共集电路均没有电压放大作用，即
在一定条件下可认为
，即
，而且输出电压与输入电压同相位。
因此，可将这两种放大电路称为电压跟随器，用图1（b）所示的示意图表示。
共栅电路和共基电路均有输出电流与输入电流接近相等（
）。
为此，可将它们称为电流跟随器，用图1（c）所示的示意图表示。
而且，由于这两种放大电路的输入电流都比较大，因此，它们的输入电阻都比较小。
场效应管放大电路最突出的优点是，共源、共漏和共栅电路的输入电阻高于相应的共射、共集和共基电路的输入电阻。
此外，场效应管还有噪声低、温度稳定性好、抗辐射能力强等优于三极管的特点，而且便于集成。
必须指出，由于场效应管的低频跨导一般比较小，所以场效应管的放大能力比三极管差，如共源电路的电压增益往往小于共射电路的电压增益。
另外，由于MOS管栅-源极之间的等效电容Cgs只有几皮法~几十皮法，而栅-源电阻rgs又很大，若有感应电荷，则不易释放，从而形成高电压，以至于将栅-源极间的绝缘层击穿，造成管子永久性损坏。
使用时应注意保护。
实际应用中可根据具体要求将上述各种组态的电路进行适当的组合，以构成高性能的放大电路。
本章小结
∙由于结构和工作原理的不同，使得场效应管具有一些不同于
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