场效应管工作原理介绍.pdf

场效应管放大器场效应管放大器 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 结型场效应管结型场效应管 2 2 场效应管放大电路场效应管放大电路 效应管放大器的静态偏置效应管放大器的静态偏置 效应管放大器的交流小信号模型效应管放大器的交流小信号模型 效应管放大电路效应管放大电路 1 1 场效应管场效应管 1 场效应管 BJT是一种电流控制元件是一种电流控制元件(iB~ iC)，，工作时工作时，，多数载流多数载流 子和少数载流子都参与运行子和少数载流子都参与运行，，所以被称为双极型器件所以被称为双极型器件 场效应管场效应管（（Field Effect Transistor简称简称FET））是一种是一种 电压控制器件电压控制器件(uGS~ iD) ，，工作时工作时，，只有一种载流子参与只有一种载流子参与 导电导电，，因此它是单极型器件因此它是单极型器件 FET因其制造工艺简单因其制造工艺简单，，功耗小功耗小，，温度特性好温度特性好，，输入输入 电阻极高等优点电阻极高等优点，，得到了广泛应用得到了广泛应用 FET分类：分类： 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 结型场效应管结型场效应管 增强型增强型 耗尽型耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道 N沟道沟道 P沟道沟道 N沟道沟道 P沟道沟道 一. 绝缘栅场效应管 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 ( Metal Oxide Semiconductor FET)，， 简称简称MOSFET。

分为：分为： 增强型增强型  N沟道、沟道、P沟道沟道 耗尽型耗尽型  N沟道、沟道、P沟道沟道 1.1.N沟道增强型沟道增强型MOS管管 （（1 1））结构结构 4个电极：漏极个电极：漏极D，， 源极源极S，栅极，栅极G和和 衬底衬底B ----gsdb符号：符号： - ---N++NP衬 底衬 底sgdb源 极源 极栅 极栅 极漏 极漏 极衬 底衬 底当当uGS＞＞0V时时→纵向电场纵向电场 →将靠近栅极下方的空穴向将靠近栅极下方的空穴向 下排斥下排斥→耗尽层 （（2 2）工作原理）工作原理 当当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在二极管，在 d、、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止之间加上电压也不会形成电流，即管子截止 再增加再增加uGS→纵向电场纵向电场↑ →将将P区少子电子聚集到区少子电子聚集到 P区表面区表面→形成导电沟道，形成导电沟道， 如果此时加有漏源电压，如果此时加有漏源电压， 就可以形成漏极电流就可以形成漏极电流id ①①栅源电压栅源电压uGS的控制作用的控制作用 - --P衬 底衬 底sgN+bdVDD二氧化硅+N---s二氧化硅P衬 底衬 底gDDV+Nd+bNVGG id定义：定义： 开启电压（开启电压（ UT））——刚刚产生沟道所需的刚刚产生沟道所需的 栅源电压栅源电压UGS。

N沟道增强型沟道增强型MOS管的基本特性：管的基本特性： uGS ＜＜ UT，管子截止，，管子截止， uGS ＞＞UT，管子导通管子导通 uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作作用下，漏极电流用下，漏极电流ID越大 ②②转移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可根据输出特性曲线作出移特性曲线移特性曲线 例：作例：作uDS=10V的一条的一条转移特性曲线：转移特性曲线： i(mA)DGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGS uDS(V)Di(mA)10V12341432(V)uGS246 UT 一个重要参数一个重要参数——跨导跨导gm：： gm= iD/ uGS  uDS=const (单位单位mS) gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用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，在转移特性曲线上， gm为的曲线的斜率为的曲线的斜率 在输出特性曲线上也可求出在输出特性曲线上也可求出gm 1(mA)DSu=6V=3VuuGS(V)1D624i43 =5V(mA)243iDGS210V(V)△uGSi△DGSu△i△D2.N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET 特点：特点： 当当uGS=0时，就有沟道，时，就有沟道， 加入加入uDS，，就有就有iD。

当当uGS＞＞0时，沟道增宽，时，沟道增宽， iD进一步增加进一步增加 当当uGS＜＜0时，沟道变窄，时，沟道变窄， iD减小 在栅极下方的在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子所以当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，形成了沟道时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道 定义：定义： 夹断电压（夹断电压（ UP））——沟道刚刚消失所需的栅源电压沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS ----g漏 极漏 极s+N衬 底衬 底P衬 底衬 底源 极源 极d栅 极栅 极bN+++++++++++ +----sbgd3、、P沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET P沟道沟道MOSFET的工作原理与的工作原理与N沟道沟道 MOSFET完全相同，只不过导电的载流完全相同，只不过导电的载流 子不同，供电电压极性不同而已这如子不同，供电电压极性不同而已这如 同双极型三极管有同双极型三极管有NPN型和型和PNP型一样 4. MOS4. MOS管的主要参数管的主要参数 （（1）开启电压）开启电压UT （（2）夹断电压）夹断电压UP （（3）跨导）跨导gm ：：gm= iD/ uGS  uDS=const （（4）直流输入电阻）直流输入电阻RGS ——栅源间的等效栅源间的等效电阻。

由于电阻由于MOS管管栅源间有栅源间有sio2绝缘层，绝缘层，输入电阻可达输入电阻可达109～～1015 二二. . 结型场效应管结型场效应管 1. 1. 结型场效应管的结构（以结型场效应管的结构（以N N沟为例）：沟为例）： 两个两个PN结夹着一个结夹着一个N型沟道 三个电极：三个电极： g：栅极：栅极 d：漏极：漏极 s：源极：源极 符号：符号： ---p++pd漏 极漏 极源 极源 极s栅 极栅 极gN--- gsdN沟道沟道 ---gds P沟道沟道 2. 2. 结型场效应管的工作原理结型场效应管的工作原理 （（1）栅源电压对沟道的控制作用）栅源电压对沟道的控制作用 在栅源间加负电压在栅源间加负电压uGS ，令，令 uDS =0 ①①当当uGS=0时，为平衡时，为平衡PN结，导电结，导电 沟道最宽沟道最宽 ②②当当│uGS│↑时，时，PN结反偏，耗尽层结反偏，耗尽层 变宽，导电沟道变窄，沟道电阻变宽，导电沟道变窄，沟道电阻 增大 ③③当当│uGS│↑到一定值时到一定值时 ，沟道会完，沟道会完 全合拢 定义：定义： 夹断电压夹断电压UP——使导电沟道完全使导电沟道完全 合拢（消失）所需要的栅源电压合拢（消失）所需要的栅源电压 uGS。

Ngds+pVGG+ppsd+gGGNV+pNGGg +sdpVp+（（2 2）漏源电压对沟道的控制作用）漏源电压对沟道的控制作用 在漏源间加电压在漏源间加电压uDS ，令，令uGS =0 由于由于uGS =0，所以导电沟道最宽所以导电沟道最宽 ①当①当uDS=0时，时， iD=0 ②②uDS↑→iD ↑ →靠近漏极处的耗尽层加宽，靠近漏极处的耗尽层加宽， 沟道变窄，呈楔形分布沟道变窄，呈楔形分布 ③③当当uDS ↑，使，使uGD=uG S- uDS=UP时，时， 在靠漏极处夹断在靠漏极处夹断——预夹断 预夹断前，预夹断前， uDS↑→iD ↑ 预夹断后，预夹断后， iDS↑→iD 几乎不变几乎不变 ④④uDS再再↑，预夹断点下移预夹断点下移 （（3 3）栅源电压）栅源电压uGS和漏源电压和漏源电压uDS共同共同作用作用 iD=f（ uGS 、uDS）,可用输两组特性曲线来描绘可用输两组特性曲线来描绘 Ngds+p+pdiVDDdsNgdi+pp+VDDNgsd idDDV p+p+sidgVdDDp+p+（（1）输出特性曲线：）输出特性曲线： iD=f（ uDS ）│uGS=常数常数 3 3、、 结型场效应三极管的特性曲线结型场效应三极管的特性曲线 sgVdDDd iGGVp+p+u=-3VDSGSuGS=-1VuuuGS(mA)=-2VDiGS=0VuGS=0V uGS=-1V 设：设：UT= -3V 四个区：四个区： 恒流区的特点：恒流区的特点： △△ iD /△△ uGS = gm ≈常数常数 即：即： △△ iD = gm △△ uGS （放大原理）（放大原理） （（a）可变电阻区）可变电阻区（预夹断前）。

预夹断前） （（b）恒流区也称饱和）恒流区也称饱和 区（预夹断区（预夹断 后） （（c）夹断区（截止区）夹断区（截止区） （（d）击穿区 u=-3VDSGSuGS=-1VuuuGS(mA)=-2VDiGS=0V可变电阻区可变电阻区 恒流区恒流区 截止区截止区 击穿区击穿区 （（2）转移特性曲线：）转移特性曲线： iD=f（ uGS ）│uDS=常数常数 uuGS=0Vu 0u(mA)1u=-3VD-3-1310VDS2(mA)GS(V)21-44iu=-1VD-2GSGSGS4i(V)3=-2V可根据输出特性曲线作出可根据输出特性曲线作出移特性曲线移特性曲线 例：作例：作uDS=10V的一条的一条转移特性曲线：转移特性曲线： 4 .4 .场效应管的主要参数场效应管的主要参数 (1)(1) 开启电压开启电压UT UT 是是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值, 场效应管不场效应管不 能导通 （（2）夹断电压）夹断电压UP UP 是是MOS耗尽型和结型耗尽型和结型FET的参数，当的参数，当uGS=UP时时,漏极电流为零。

漏极电流为零 （（3）饱和漏极电流）饱和漏极电流IDSS MOS耗尽型和结型耗尽型和结型FET, 当当uGS=0时所对应的漏极电流时所对应的漏极电流 （（4）输入电阻）输入电阻RGS 结型场效应管，结型场效应管，RGS大于大于107Ω，，MOS场效应管场效应管, RGS可达可达109～～1015Ω （（5）） 低频跨导低频跨导gm gm反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是mS(毫西门子毫西门子) （（6）） 最大漏极功耗最大漏极功耗PDM PDM= UDS ID，与双极型三极管的，与双极型三极管的PCM相当 5 .5 .双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较 双极型三极管双极型三极管 单极型场效应管单极型场效应管 载流子载流子 多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移 少子漂移少子漂移 输入量输入量 电流输入电流输入 电压输入电压输入 控制控制 电流控制电流源电流控制电流源 电压控制电流源电压控制电流源 输入电阻输入电阻 几十到几千欧几十到几千欧 几兆欧以上几兆欧以上 噪声噪声 较大较大 较小较小 静电影响静电影响 不受静电影响不受静电影响 易受静电影响易受静电影响 制造工艺制造工艺 不宜大规模集成不宜大规模集成 适宜大规模和超大适宜大规模和超大 规模集成规模集成 一一. 直流偏置电路直流偏置电路 保证管子工作在饱和区，输出信保证管子工作在饱和区，输出信 号不失真号不失真 2 场效应管放大电路场效应管放大电路。