场效应管工作原理

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1、场 效 应 管 放 大 器 绝 缘 栅 场 效 应 管 结 型 场 效 应 管 2 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 交 流 小 信 号 模 型 效 应 管 放 大 电 路1 场 效 应 管 1 场 效 应 管 BJT是 一 种 电 流 控 制 元 件 (iB iC)， 工 作 时 ， 多 数 载 流子 和 少 数 载 流 子 都 参 与 运 行 ， 所 以 被 称 为 双 极 型 器 件 。 场 效 应 管 （ Field Effect Transistor简 称 FET） 是 一 种电 压 控 制 器 件 (uGS iD

2、) ， 工 作 时 ， 只 有 一 种 载 流 子 参 与导 电 ， 因 此 它 是 单 极 型 器 件 。 FET因 其 制 造 工 艺 简 单 ， 功 耗 小 ， 温 度 特 性 好 ， 输 入电 阻 极 高 等 优 点 ， 得 到 了 广 泛 应 用 。FET分 类 ： 绝 缘 栅 场 效 应 管结 型 场 效 应 管 增 强 型耗 尽 型 N沟 道P沟 道N沟 道P沟 道N沟 道 P沟 道 一 . 绝 缘 栅 场 效 应 管 绝 缘 栅 型 场 效 应 管 ( Metal Oxide Semiconductor FET)，简 称 MOSFET。 分 为 ： 增 强 型 N沟 道 、 P

3、沟 道 耗 尽 型 N沟 道 、 P沟 道 1.N沟 道 增 强 型 MOS管 （ 1） 结 构 4个 电 极 ： 漏 极 D，源 极 S， 栅 极 G和 衬 底 B。 - - - - g s d b符 号 ： - - - - N+N P衬底 s g d b 源极 栅极 漏极 衬底 当 uGS 0V时 纵 向 电 场将 靠 近 栅 极 下 方 的 空 穴 向下 排 斥 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 。 再 增 加

4、 uGS纵 向 电 场 将 P区 少 子 电 子 聚 集 到P区 表 面 形 成 导 电 沟 道 ，如 果 此 时 加 有 漏 源 电 压 ，就 可 以 形 成 漏 极 电 流 i d。 栅 源 电 压 uGS的 控 制 作 用 - - - P衬底 s g N+ b d VDD 二 氧 化 硅 +N - - - s 二 氧 化 硅 P衬底 g DDV +N d + b N VGG id 定 义 ： 开 启 电 压 （ UT） 刚 刚 产 生 沟 道 所 需 的栅 源 电 压 UGS。 N沟 道 增 强 型 MOS管 的 基 本 特 性 ： uGS UT， 管 子 截 止 ， uGS UT， 管

5、 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 I D越 大 。 转 移 特 性 曲 线 ： iD=f(uGS)uDS=const 可 根 据 输 出 特 性 曲 线 作 出 移 特 性 曲 线 。例 ： 作 uDS=10V的 一 条 转 移 特 性 曲 线 ： i(mA)D GS=6Vu u =5VGS =4VuGS u =3VGS u DS(V) Di(mA) 10V 1 2 3 4 1 4 3 2 (V)uGS 2 4 6UT 一 个 重 要 参 数 跨 导 gm： gm=iD/uGS uDS=const (单

6、 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 。 在 输 出 特 性 曲 线 上 也 可 求 出 gm。 1 (mA) DSu =6V =3V u uGS(V) 1 D 6 2 4 i 4 3 =5V (mA) 2 4 3 iD GS 2 10V (V) uGSi D GSu i D 2.N沟 道 耗 尽 型 MOSFET特 点 ： 当 uGS=0时 ， 就 有 沟 道 ，加 入 uDS， 就 有 iD。 当 uGS 0时 ， 沟 道 增 宽 ，i D进 一 步 增 加

7、。 当 uGS 0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 （ UP） 沟 道 刚 刚 消 失 所 需 的 栅 源 电 压 uGS。- - - g 漏极s +N 衬底 P衬底 源极 d栅极 b N + + + + - - - - s b g d 3、 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 ，

8、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 。 4. MOS管 的 主 要 参 数（ 1） 开 启 电 压 UT（ 2） 夹 断 电 压 UP（ 3） 跨 导 gm ： gm=iD/uGS uDS=const （ 4） 直 流 输 入 电 阻 RGS 栅 源 间 的 等 效电 阻 。 由 于 MOS管 栅 源 间 有 sio2绝 缘 层 ，输 入 电 阻 可 达 109 1015。 二 . 结 型 场 效 应 管 1. 结 型 场 效 应 管 的 结 构 （ 以 N沟 为 例 ）

9、 ：两 个 PN结 夹 着 一 个 N型 沟 道 。三 个 电 极 ： g： 栅 极 d： 漏 极 s： 源 极符 号 ： - - -p+p d漏极 源极 s 栅极g N - - - g s dN沟 道 - - - g d sP沟 道 2. 结 型 场 效 应 管 的 工 作 原 理 （ 1） 栅 源 电 压 对 沟 道 的 控 制 作 用 在 栅 源 间 加 负 电 压 uGS ， 令uDS =0 当 uGS=0时 ， 为 平 衡 PN结 ， 导 电沟 道 最 宽 。 当 uGS时 ， PN结 反 偏 ， 耗 尽 层变 宽 ， 导 电 沟 道 变 窄 ， 沟 道 电 阻增 大 。 当 u G

10、S到 一 定 值 时 ， 沟 道 会 完全 合 拢 。定 义 ： 夹 断 电 压 UP使 导 电 沟 道 完 全合 拢 （ 消 失 ） 所 需 要 的 栅 源 电 压uGS。 N g d s +p VGG +pp s d + g GGNV +p NGG g + s d p V p+ （ 2） 漏 源 电 压 对 沟 道 的 控 制 作 用 在 漏 源 间 加 电 压 uDS ， 令 uGS =0 由 于 uGS =0， 所 以 导 电 沟 道 最 宽 。 当 uDS=0时 ， iD=0。 uDSiD 靠 近 漏 极 处 的 耗 尽 层 加 宽 ，沟 道 变 窄 ， 呈 楔 形 分 布 。 当

11、uDS ， 使 uGD=uG S- uDS=UP时 ，在 靠 漏 极 处 夹 断 预 夹 断 。预 夹 断 前 ， u DSiD 。预 夹 断 后 ， iDSiD 几 乎 不 变 。 uDS再 ， 预 夹 断 点 下 移 。 （ 3） 栅 源 电 压 uGS和 漏 源 电 压 uDS共 同 作 用 iD=f（ uGS 、 uDS） ,可 用 输 两 组 特 性 曲 线 来 描 绘 。 Ng d s +p+p di VDD d N di +pp+ VDD N p+p+ s id g V d DDp+p+ （ 1） 输 出 特 性 曲 线 ： iD=f（ uDS ） uGS=常 数 3、 结 型

12、场 效 应 三 极 管 的 特 性 曲 线 s g V d DD d i GGV p+p+ u =-3V DS GSu GS =-1Vu u uGS (mA) =-2V Di GS =0V=0VuGS=-1设 ： UT= -3V 四 个 区 ：恒 流 区 的 特 点 ： i D / uGS = gm 常 数 即 ： iD = gm uGS （ 放 大 原 理 ） （ a） 可 变 电 阻 区（ 预 夹 断 前 ） 。 （ b） 恒 流 区 也 称 饱 和 区 （ 预 夹 断 后 ） 。 （ c） 夹 断 区 （ 截 止 区 ） 。 （ d） 击 穿 区 。 u=-3V DSGSuGS =-1V

13、uuuGS(mA)=-2VDi GS=0V 可变电阻区恒流区截止区击穿区 （ 2） 转 移 特 性 曲 线 ： iD=f（ uGS ） uDS=常 数 u uGS=0V u 0 u (mA) 1 u =-3V D -3 -1 3 10V DS 2 (mA) GS(V) 2 1 -4 4 i u =-1V D -2 GS GS GS 4 i (V) 3 =-2V 可 根 据 输 出 特 性 曲 线 作 出 移 特 性 曲 线 。例 ： 作 uDS=10V的 一 条 转 移 特 性 曲 线 ： 4 .场 效 应 管 的 主 要 参 数(1) 开 启 电 压 UT UT 是 MOS增 强 型 管 的

14、 参 数 ， 栅 源 电 压 小 于 开 启 电 压 的 绝 对 值 , 场 效 应 管 不能 导 通 。 （ 2） 夹 断 电 压 UP UP 是 MOS耗 尽 型 和 结 型 FET的 参 数 ， 当 uGS=UP时 ,漏 极 电 流 为 零 。 （ 3） 饱 和 漏 极 电 流 IDSS MOS耗 尽 型 和 结 型 FET, 当 uGS=0时 所 对 应 的 漏 极 电 流 。 （ 4） 输 入 电 阻 R GS 结 型 场 效 应 管 ， RGS大 于 107， MOS场 效 应 管 , RGS可 达 109 1015。（ 5） 低 频 跨 导 gm gm反 映 了 栅 压 对 漏

15、极 电 流 的 控 制 作 用 ， 单 位 是 mS(毫 西 门 子 )。（ 6） 最 大 漏 极 功 耗 PDM PDM= UDS ID， 与 双 极 型 三 极 管 的 PCM相 当 。 5 .双 极 型 和 场 效 应 型 三 极 管 的 比 较双 极 型 三 极 管 单 极 型 场 效 应 管载 流 子 多 子 扩 散 少 子 漂 移 少 子 漂 移输 入 量 电 流 输 入 电 压 输 入控 制 电 流 控 制 电 流 源 电 压 控 制 电 流 源输 入 电 阻 几 十 到 几 千 欧 几 兆 欧 以 上噪 声 较 大 较 小静 电 影 响 不 受 静 电 影 响 易 受 静 电

16、影 响制 造 工 艺 不 宜 大 规 模 集 成 适 宜 大 规 模 和 超 大规 模 集 成 一 . 直 流 偏 置 电 路 保 证 管 子 工 作 在 饱 和 区 ， 输 出 信号 不 失 真 2 场 效 应 管 放 大 电 路1.自 偏 压 电 路U GS =- IDR 注 意 ： 该 电 路 产 生 负 的 栅 源 电 压 ， 所 以 只 能 用 于 需 要 负 栅 源 电 压 的 电 路 。 计 算 Q点 ： UGS 、 ID 、 UDS 2PGSDSSD )1( UUII 已 知 UP ， 由UGS = - IDR可 解 出 Q点 的 UGS 、 IDU DS =VDD- ID (

17、Rd + R )再 求 ：+ gTRdRRgC1 C2 uoui VDDCds ID 2.分 压 式 自 偏 压 电 路SGGS UUU RIVRR R DDDg2g1 g2 2PGSDSSD )1( UUII 可 解 出 Q点 的 UGS 、 ID 计 算 Q点 ：已 知 UP ， 由 RIVRRRU DDDg2g1 g2GS 该 电 路 产 生 的 栅 源 电 压 可 正可 负 ， 所 以 适 用 于 所 有 的 场效 应 管 电 路 。UDS =VDD- ID (Rd + R )再 求 ： + + + gT Rd R C1 2C uo ui VDD C d s g1R g2R g3R 二

18、 . 场 效 应 管 的 交 流 小 信 号 模 型 与 双 极 型 晶 体 管 一 样 ， 场 效 应 管 也 是 一 种 非 线 性 器 件 ， 在 交 流 小 信 号情 况 下 ， 也 可 以 由 它 的 线 性 等 效 电 路 交 流 小 信 号 模 型 来 代 替 。 其 中 ： g mugs是 压 控 电 流 源 ， 它 体 现 了 输 入 电 压 对 输 出 电 流 的 控 制 作 用 。 称 为 低 频 跨 导 。 rds为 输 出 电 阻 ， 类 似 于 双 极 型 晶 体 管 的 rce。-+dg sgsu udsid +-gsm ugs uu-S dsg rdsg dSd

19、i 三 . 场 效 应 管 放 大 电 路1.共源放大电路 + + C 2 R u T g3 DD 1 R g1 C C V R R g d s i g2 d R uoRL + - 分 析 ：（ 1） 画 出 共 源 放 大 电 路 的 交 流 小 信 号 等 效 电 路 。 （ 2） 求 电 压 放 大 倍 数（ 3） 求 输 入 电 阻（ 4） 求 输 出 电 阻则 )/( g2g1g3i RRRR do RR + + ui u g d ugs u gsm Rg3 g1R g2R iR LR -S- o + g RO dR gsi uu )/( Ldgsmos RRugu )/( Ldmi

20、ou RRguuA （ 2） 电 压 放 大 倍 数（ 3） 输 入 电 阻 )/( Lgsmgsi RRuguu )/( Lgsmo RRugu )/(1 )/( Lm Lmiou RRg RRguuA 得 )/( g2g1g3i RRRR 分 析 ：（ 1） 画 交 流 小 信 号 等 效 电 路 。 由 12.共漏放大电路 + + - + S u + - R S ui + uo - g d s ugs ugsmgRg3 g1R g2R iR R LR + C g3 V s T R 1 DD o R u R d g1 g2 C2 R R + - L + u - S RS （ 4） 输 出

21、电 阻 gsmR ugii ogs uu mo 1 1gRiuR 所 以由 图 有 m1/ gR + + - + S ui + u - g d s ugs ugsmgR g3 g1R g2R R R ooR R i gsmugRu 本章小结 1FET分为JFET和MOSFET两种，工作时只有一种载流子参与导电，因此称为单极性型晶体管。FET是一种压控电流型器件，改变其栅源电压就可以改变其漏极电流。 2FET放大器的偏置电路与BJT放大器不同，主要有自偏压式和分压式两种。 3 FET放大电路也有三种组态：共源、共漏和共栅。电路的动态分析需首先利用FET的交流模型建立电路的交流等效电路，然后再进行计算，求出电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等量。