第3章

場效應管及其放大電路結型場效應管金屬-氧化物-半導體場效應管場效應管放大電路半導體三極管(場效應管）圖片半導體三極管圖片場效應管【FET——FieldEffectTransistor】雙極型三極管場效應管BJTFET電流控制的元件(iB→iC)電壓控制的元件(vGS→iD)兩種載流子（電子和空穴）同時參與導電——故稱雙極型三極管只有一種載流子（多子電子）參與導電——故也稱單極型三極管對照兩種形式的三極管：功耗低集成度高（單位面積上容納的門電路數量遠大于雙極型三極管）輸入阻抗大（107～1012）熱穩定性好（與環境溫度關系不大）抗干擾能力強缺點：速度低。FET的特點：體積小，重量輕，價格低，壽命長；FET的分類：根據結構不同，可分為：結型場效應管（JFET——JunctiontypeFieldEffectTransistor）金屬－氧化物－半導體場效應管（MOSFET——MetalOxide-SemiconductortypeFieldEffectTransistor）N溝道P溝道P溝道N溝道N溝道P溝道增強型耗盡型3.1結型場效應管(JFET)N溝道結型場效應管符號：柵極【Gate】漏極【Drain】源極【Source】NP+P+3.1.1JFET的結構和工作原理#符號中的箭頭方向!P溝道結型場效應管符號：箭頭：P→N柵極【Gate】漏極【Drain】源極【Source】PN+N+以N溝道JFET為例：柵極漏極源極NP+P+------------------------++++++++++++++++++++++++耗盡層當N溝道JFET工作時，需：vGSvDS+-dgs在柵極和源極間加一個負電壓(vGS<0),使柵極與N溝道間的PN結反偏vGSvDS+-dgs+-在漏極和源極間加一個正電壓(vDS>0),使N溝道中電子在電場作用下由源極向漏極運動，形成電流iD。iD的大小受vGS控制iD柵源電壓vGS對電流iD的控制作用分析工作原理：實際上就是分析vGS對iD的控制作用和vDS對iD的影響。這里要討論的關系是：在柵源間加負電壓vGS，為便于討論，先令vDS=0①當vGS=0時，為平衡PN結，導電溝道最寬。在柵源間加負電壓vGS，為便于討論，先令vDS=0①當vGS=0時，為平衡PN結，導電溝道最寬。②當│vGS│↑時，PN結反偏，耗盡層變寬，導電溝道變窄，溝道電阻增大。對于N溝道JFET，VP<0在柵源間加負電壓vGS，為便于討論，先令vDS=0①當vGS=0時，為平衡PN結，導電溝道最寬。②當│vGS│↑時，PN結反偏，耗盡層變寬，導電溝道變窄，溝道電阻增大。③當│vGS│↑到一定值時，溝道會完全合攏。夾斷電壓VP——使導電溝道完全合攏（消失）所需要的柵源電壓vGS。

注意可以歸納，vDS＝0時vGS對導電溝道的控制作用：(a)vGS=0(b)vGS<0(c)vGS=VP此時，vGS變化雖然導電溝道隨之變化，但漏極電流iD總是等于0。若vDS為一固定正值，則

iD

將受vGS的控制，

│vGS│↑時，溝道電阻↑，iD↓。vDSvDS對iD的影響這里要討論的關系是：

在漏源間加電壓vDS

，為便于討論，先令vGS=0由于vGS=0，所以導電溝道最寬。

①當vDS=0時，iD=0。在漏源間加電壓vDS

，為便于討論，先令vGS=0由于vGS=0，所以導電溝道最寬。

①當vDS=0時，iD=0。②vDS↑→iD↑→靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，呈楔形分布在漏源間加電壓vDS

，為便于討論，先令vGS=0由于vGS=0，所以導電溝道最寬。

①當vDS=0時，iD=0。②vDS↑→iD↑→靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，呈楔形分布③當vDS↑，使vGD=vGS-vDS=-vDS=VP時，在靠漏極A點處夾斷——預夾斷。A此時iD達到了飽和漏電流IDSS表示柵源極間短路當vGS為一固定常數時，VP=vGD=vGS-vDS在漏源間加電壓vDS

，為便于討論，先令vGS=0由于vGS=0，所以導電溝道最寬。

①當vDS=0時，iD=0。②vDS↑→iD↑→靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，呈楔形分布③當vDS↑，使vGD=vGS-vDS=-vDS=VP時，在靠漏極A點處夾斷

——預夾斷。④vDS再↑，預夾斷點下移預夾斷前，

vDS↑→iD↑預夾斷后，

vDS↑→iD幾乎不變總結工作情況①ID受輸入電壓vGS的控制，其iG≈0，輸入電阻很大；②其導電特性是由多子決定的，故其熱噪聲很小，受環境溫度影響很小；③ID受漏源電壓vDS的影響vDS很小時(即預夾斷前)，ID與vDS成正比，呈純阻性預夾斷時，當vDS到一定程度，ID=IDSS(最大飽和電流)vDS繼續增加，ID不變vDS再增加，當vDS＝V(BR)DS時擊穿，

ID↑↑(a)vGS=0,vDS=0時iD=0(b)vGS=0,vDS<│VP│時iD迅速增大(c)vGS=0,vDS=│VP│時iD趨于飽和iD飽和(d)vGS=0,vDS>│VP│時圖示：改變vDS時JFET導電溝道的變化vGS和vDS同時作用時當VP<vGS<0時，導電溝道更容易夾斷，對于同樣的vDS，

ID的值比vGS=0時的值要小。在預夾斷處vGD=vGS-vDS=VP綜上分析可知：（a）

JFET溝道中只有一種類型的多數載流子參與導電，所以場效應管也稱為單極型三極管；

（b）

JFET

柵極與溝道間的PN結是反向偏置的，因此輸入電阻很高；

（c）

JFET是電壓控制電流器件，iD受vGS控制；

（d）預夾斷前iD與vDS呈近似線性關系；預夾斷后，iD趨于飽和。

3.1.2JFET的特性曲線轉移特性

輸出特性

uDS=uGS－uGS（off）動畫（2-6）

動畫（2-7）uGS=0VuGS=-1V3.1.2JFET的特性曲線輸出特性曲線恒流區的特點：△iD

/△vGS=gm≈常數

即：△iD=gm△vGS

（放大原理）①可變電阻區（預夾斷前）

②恒流區或飽和區（預夾斷后），也稱線性放大區③夾斷區（截止區）④擊穿區可變電阻區恒流區截止區擊穿區分四個區：轉移特性曲線可根據輸出特性曲線作出轉移特性曲線。例：作uDS=10V的一條轉移特性曲線AABBCCDD通過實驗可以得到iD的經驗公式：VP只要給出IDSS和VP就可以把轉移特性中的其他點近似計算出來。判斷工作區域(類似BJT)方法:UGS>UGS(off)且UGD>UGS(off),未夾斷,可變電阻區;UGS>UGS(off)且UGD<UGS(off),夾斷,恒流區;UGS≤UGS(off),全夾斷,夾斷區;例3.1P583.1.3場效應管的主要參數【翻看教材P58】（1）夾斷電壓VP（2）飽和漏電流IDSS（3）低頻互導（跨導）gm其余請同學們自己看！3.2金屬－氧化物－半導體場效應管MOSFETP溝道N溝道N溝道P溝道增強型耗盡型分類：所謂“增強型”：指vGS=0時，沒有導電溝道，即iD=0，而必須依靠柵源電壓vGS的作用，才形成感生溝道的FET，稱為增強型FET。所謂“耗盡型”：指vGS=0時，也會存在導電溝道，iD≠0的FET，稱為耗盡型FET。符號：3.2.1.N溝道增強型MOSFET結構SiO2絕緣層鋁電極半導體工作原理①柵源電壓vGS的控制作用

當vGS=0V時：N+PN+sdB任意極性sdBiD=0當vGS＞0V時→認為金屬極板（鋁）與P型襯底間構成一個平板電容

現假設vDS=0V，在s、g間加一電壓vGS＞0V+-→形成由柵極指向P型襯底的縱向電場→將靠近柵極下方的空穴向下排斥→形成耗盡層。

現假設vDS=0V，在s、g間加一電壓vGS＞0V當vGS增大時→耗盡層增寬，并且該大電場會把襯底的自由電子吸引到耗盡層與絕緣層之間，形成一N型薄層，構成漏-源之間的導電溝道，稱為反型層（也稱感生溝道）。vGS↑→反型層越厚→溝道電阻↓→兩個N+區被感生溝道連在一起∵vDS=0

∴iD≡0剛剛產生溝道所需的柵源電壓vGS，用VT表示

。vGS越大，反型層越寬，導電溝道電阻越小。N溝道增強型MOS管的基本特性：

vGS

＜VT，管子截止，

vGS

＞VT，管子導通。

vGS

越大，溝道越寬，在漏源電壓vDS＝0時，漏極電流ID始終為0。關于“開啟電壓”的定義②漏源電壓vDS對漏極電流id的控制作用假設vGS＞VT且為一固定值時，并在漏－源之間加上正電壓vDS:(b)外加vDS較小時vDS<vGS-VT，即vGD=vGS-vDS>VT(a)vDS=0時，iD=0②漏源電壓vDS對漏極電流id的控制作用假設vGS＞VT且為一固定值時，并在漏－源之間加上正電壓vDS:vDS↑→id↑；同時溝道靠漏區變窄(b)外加vDS較小時vDS<vGS-VT，即vGD=vGS-vDS>VT(a)vDS=0時，iD=0②漏源電壓vDS對漏極電流id的控制作用（c）當vDS增加到使vGD=VT時，溝道靠漏區夾斷，稱為預夾斷。②漏源電壓vDS對漏極電流id的控制作用（c）當vDS增加到使vGD=VT時，溝道靠漏區夾斷，稱為預夾斷。（d）vDS再增加，預夾斷區加長，vDS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上，id基本不變。總結N溝道增強型MOSFET的工作原理：2.特性曲線輸出特性曲線①截止區當vGS＜VT時，導電溝道尚未形成，iD＝0，為截止工作狀態。②可變電阻區

vDS≤（vGS－VT）③飽和區（恒流區又稱放大區）vGS>VT

，且vDS≥（vGS－VT）圖02.14VGS對漏極電流的控制特性——轉移特性曲線

轉移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。gm

的量綱為mA/V，所以gm也稱為跨導?？鐚У亩x式如下gm=ID/VGSVDS=const(單位mS)

ID=f(VGS)VDS=const轉移特性曲線

在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當vGS=0時，這些正離子已經感應出反型層，形成了溝道。符號3.2.2N溝道耗盡型MOSFET可以在正或負的柵源電壓下工作，而且基本上無柵流當vGS=0時，就有溝道，加入vDS，就有iD。當vGS＞0時，溝道增寬，iD進一步增加。當vGS＜0時，溝道變窄，iD減小。

夾斷電壓（VP）——溝道剛剛消失所需的柵源電壓vGS。特點：(b)轉移特性曲線2.特性曲線絕緣柵場效應管N溝道增強型P溝道增強型各種FET的比較與使用注意事項絕緣柵場效應管

N溝道耗盡型P

溝道耗盡型結型場效應管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型vivo【參見教材P63】3.3場效應管放大電路3.3.1FET電路組成ID

源極電阻在vGS=0時，耗盡型FET也會有漏源電流流過電阻Rs，而柵極是經電阻Rg接地，所以在靜態時VGS=-IDRs自身可提供一個電壓，稱 為自偏壓。源極旁路電容 該電路只適用于耗盡型FET，對于增強型FET不能適用！注意啦vivoID

計算Q點：即求出VGS

、ID

、VDS已知VP，由VGS=-IDR可解出Q點的VGS

、IDVDS

=VDD-ID(Rd+R)再求：聯立求解3.3.2FET放大電路的分析FET的低頻小信號模型【參見教材P64】＋-vGSiD＋-vDSJFET低頻小信號等效模型簡化后的實用模型例3.2分壓式自偏壓電路漏極電源VDD經分壓電阻Rg1和Rg2分壓后，通過Rg3供給柵極電壓Vg，則vivoVg2MΩ47MΩ10MΩ2kΩ30kΩ4.7μF0.01μFiDVSAIg3思考：為何Vg與Rg3無關？∵Rg3＝10MΩ≈∞又∵Rg1<<Rg2，則V