模电4-场效应管
4 场效应管放大电路
学习指导：
1. 正确理解各种场效应管的工作原理
2.熟练掌握各种场效应管的外特性及主要参数
3.熟练掌握共源、共漏放大电路的工作原理及直流偏置
4.会用场效应管小信号模型分析法求解共源、共漏放大电路的电压增益、输入电阻和输出电阻
主要内容：
4.1 结型场效应管
*4.2 砷化镓金属-半导体场效应管
4.3 金属-氧化物-半导体场效应管
4.4 场效应管放大电路
4.5 各种放大器件电路性能比较
4.1 结型场效应管
4.1.1 JFET的结构和工作原理
1、结构：
在一块N型半导体材料的两
边各扩散一个高杂质浓度的P+区,
就形成两个不对称的P+N结，即
耗尽层。把两个P+区并联在一起，
引出一个电极g，称为栅极，在N
型半导体的两端各引出一个电
极，分别称为源极s和漏极d。它
们分别与三极管的基极b、发射
极e和集电极c相对应。夹在两
个P+N结中间的N区是电流的通道，称为导电沟道（简称沟道）。这种结构的管子称为N沟道结型场效应管，
如果在一块P型半导体的两边各扩散一个高杂质浓度的N+区，就可以制成一个P沟道的结型场效应管。图给出了这种管子的结构示意图和它在电路中的代表符号。
2、工作原理
N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同，现以N沟道结型场效应管为例，分析其工作原理。
在栅-源极间加一负电压(v GS＜0)，
使栅-源极间的P+N结反偏，栅极电流
i G≈0，场效应管呈现很高的输入电阻(高
达108 左右)。
在漏-源极间加一正电压(v DS＞0)，
使N沟道中的多数载流子电子在电场作
用下由源极向漏极作漂移运动，形成漏
极电流i D。i D的大小主要受栅-源电压v GS
控制，同时也受漏-源电压v DS的影响。
因此，讨论场效应管的工作原理就是讨论栅-源电压v GS对沟道电阻及漏极电流i D的控制作用，以及漏-源电压v DS对漏极电流i D的影响。
(1)．v GS对沟道电阻及i D的控制作用
由于N区掺杂浓度小于P+区，因此，随着
|v GS| 的增加，耗尽层将主要向N沟道中扩展，
使沟道变窄，沟道电阻增大,当|v GS| 进一步增大
到一定值|V P| 时，两侧的耗尽层将在沟道中央
合拢，沟道全部被夹断，耗尽层中没有载流子，
因此这时漏-源极间的电阻将趋于无穷大，即使加上一定的电压v DS，漏极电流i D 也将为零。这时的栅-源电压称为夹断电压，用V P表示。
(2) v DS对i D的影响
在v DS较小时，它对i D的影响应从两个角度来分析：一方面v DS增加时，沟道的电场强度增大，i D随着增加；另一方面，随着v DS的增加，沟道的不均匀性
增大，即沟道电阻增加，i D应该下降，但是在v DS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v DS对沟道电阻影响不大，故i D随v DS 增加而几乎呈线性地增加。随着v DS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，i D随v DS上升的速度趋缓。
当v DS增加到v DS=v GS-V P，即v GD=v GS -v DS=V P(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i D≠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v DS继续增加，使v DS＞v GS－V P,即v GD＜V P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i D却基本上趋于饱和，i D 不随v DS的增加而增加。因为这时夹断区电阻很大，v DS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i D基本不变。但当v DS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，i D会急剧增加，正常工作时v DS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i G≈0，输入阻抗很高。②漏极电流受栅-源电压v GS控制，所以场效应管是电压控制电流器件。③预夹断前，即v DS较小时，i D与v DS间基本呈线性关系；预夹断后，i D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。
4.1.2 JFET的特性曲线及参数
由于结型场效应管的栅极输入电流i G≈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v GS取一定值时，电流i D和电压v DS间的关系，即
它反映了漏-源电压v DS对i D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v DS较小、管子预夹断前，电压v DS与漏极电流i D间的关系。
在此区域内有V P＜v GS≤0，v DS＜v GS－V P。当v GS一定，v DS较小时，v DS对沟道影响不大，沟道电阻基本不变，i D与v DS之间基本呈线性关系。若| v GS |增加，则沟道电阻增大，输出特性曲线斜率减小。所以，在v DS较小时，源-漏极间可以看作是一个受v GS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V P＜v GS≤0且v DS≥v GS－V P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v DS与漏极电流i D间的关系。饱和区的特点是i D几乎不随v DS的变化而变化，i D已趋于饱和，但它受v GS
的控制。增加，沟道电阻增加，i D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v GS改变而变化，v GS愈负，预夹断时的v DS越小。
(3) 击穿区
管子预夹断后，若v DS继续增大，当栅-漏极间P+N结上的反偏电压v GD增大到使P+N结发生击穿时，i D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，i D≈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v DS取一定值时，i D与v GS间的关系的曲线，即
它反映了栅-源电压v GS对i D的控制作用。
由于转移特性和输出特性都是用来描述v GS、v DS及i D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v DS=10V的垂线，将此垂线与各条输出特性曲线的交点所对应的i D、v GS的值转移到i D-v GS直角坐标系中，即可得到转移特性曲线
，如图所示。
改变v DS的大小，可得到一族转移特性曲线，当v DS≥
（图中为v DS≥5V）后，不同v DS下的转移特性曲线几乎重合，这是因为在饱和区内i D几乎不随v DS而变。因此可用一条转移特性曲线来表示饱和区中i D与v GS的关系。在饱和区内i D可近似地表示为
(V P＜v GS≤0)
式中I DSS为v GS=0，v DS≥ 时的漏极电流，称为饱和漏极电流。
3、主要参数：
1. 夹断电压V P
当v DS为某一固定值(例如10V)，使i D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I DSS
在v GS=0的条件下，场效应管发生预夹断时的漏极电流。I DSS是结型场效管管子所能输出的最大电流。
3. 直流输入电阻R GS
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g m
当v DS为常数时，漏极电流的微小变化量与栅-源电压v GS的微小变化量之比为跨导，即
g m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，g m与管子的工作电流有关，i D越大，g m就越大。在放大电路中，场效应管工作在饱
和区(恒流区)，g m可由式和求得，即
5. 输出电阻r d
当v GS为常数时，漏-源电压的微小变化量与漏极电流i D的微小变化量之比为输出电阻r d，
即
r d反映了漏-源电压v DS对i D的影响。在饱和区内，i D几乎不随v DS而变化，因此，r d数值很大，一般为几十千欧 几百千欧。
6. 极间电容C gs、C gd、C ds
C gs是栅-源极间存在的电容，C gd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C ds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i D急剧上升时的v DS值。V(BR)DS的大小与v GS 有关，对N沟道而言，|v GS|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v GS值，这时栅极电流由零而急剧上升。
9. 漏极最大耗散功率P DM
漏极耗散功率P D(=v DS i D)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P DM。P DM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106～109Ω，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1015Ω。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v GS=0时，漏-源极之间没有导电沟道存在，即使加上电压v DS（在一定的数值范围内），也没有漏极电流产生（i D=0）。而耗尽型MOS管在v GS=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）、v GS对i D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v GS=0时，即使加上漏-源电压v DS，而且不论v DS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i D≈0。
若在栅-源极间加上正向电压，即v GS＞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v GS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。v GS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当v GS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。v GS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V T表示。
由上述分析可知，N沟道增强型MOS管在v GS＜V T时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。只有当v GS≥V T时，才有沟道形成，此时在漏-源极间加上正向电压v DS，才有漏极电流产生。而且v GS增大时，沟道变厚，沟道电阻减小，i D 增大。这种必须在v GS≥V T时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。
（2）、v DS对i D的影响
当v GS>V T且为一确定值时，漏-源电压v DS对导电沟道及电流i D的影响与结型场效应管相似。漏极电流i D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v GD=v GS
但当v DS较小（v DS 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i D几乎不随v DS而变化,即不同的v DS所对应的转移特性曲线几乎是重合的,所以可用v DS大于某一数值(v DS＞v GS-V T)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,i D与v GS的近似关系式为 ( v GS＞V T ) 式中I DO是v GS=2V T时的漏极电流i D。 （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V P，而用开启电压V T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v GS=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v GS≥V T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v GS=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v DS，就有电流i D。如果加上正的v GS，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，i D增大。反之v GS为负时，沟道中感应的电子减少，沟道变窄，沟道电阻变大，i D减小。当v GS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，i D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V P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V P也为负值，但是，前者只能在v GS<0的情况下工作。而后者在v GS=0，v GS>0，V P 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。 在P 型衬底上，制作两个高掺杂浓度的N 型区，形成源极（Source ）和漏极（Drian ）,另外一个是栅极（Gate ）.当Vi=Vgs 第四章 场效应管基本放大电路 4-1 选择填空 1．场效应晶体管是用_______控制漏极电流的。 a. 栅源电流 b. 栅源电压 c. 漏源电流 d. 漏源电压 2．结型场效应管发生预夹断后，管子________。 a. 关断 b. 进入恒流区 c. 进入饱和区 d. 可变电阻区 3．场效应管的低频跨导g m 是________。 a. 常数 b. 不是常数 c. 栅源电压有关 d. 栅源电压无关 4. 场效应管靠__________导电。 ) a. 一种载流子 b. 两种载流子 c. 电子 d. 空穴 5. 增强型PMOS 管的开启电压__________。 a. 大于零 b. 小于零 c. 等于零 d. 或大于零或小于零 6. 增强型NMOS 管的开启电压__________。 a. 大于零 b. 小于零 c. 等于零 d. 或大于零或小于零 7. 只有__________场效应管才能采取自偏压电路。 a. 增强型 b. 耗尽型 c. 结型 d. 增强型和耗尽型 8. 分压式电路中的栅极电阻R G 一般阻值很大，目的是__________。 a. 设置合适的静态工作点 b. 减小栅极电流 c. 提高电路的电压放大倍数 d. 提高电路的输入电阻 / 9. 源极跟随器（共漏极放大器）的输出电阻与___________有关。 a. 管子跨导g m b. 源极电阻R S c. 管子跨导g m 和源极电阻R S 10. 某场效应管的I DSS 为6mA ，而I DQ 自漏极流出，大小为8mA ，则该管是_______。 a. P 沟道结型管 b. N 沟道结型管 c. 增强型PMOS 管 d. 耗尽型PMOS 管 e. 增强型NMOS 管 f. 耗尽型NMOS 管 解答： ,c 4. a 7. b,c 8. d 、 4-2 已知题4-2图所示中各场效应管工作在恒流区，请将管子类型、电源V DD 的极性（+、-）、u GS 的极性（>0，≥0，<0，≤0,任意）分别填写在表格中。 D DD （a ）题4-2图 D DD （b ） D DD （c ）D DD （d ） D DD （e ）D DD （f ） 解： 场效应管工作原理（1） 场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109?）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。 一、场效应管的分类 场效应管分结型、绝缘栅型两大类。结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应管（JGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。目前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是MOS场效应管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET）；此外还有PMOS、NMOS和VMOS 功率场效应管，以及最近刚问世的πMOS场效应管、VMOS功率模块等。 按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分沟道和P沟道两种。若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。 场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管。而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。见下图。 二、场效应三极管的型号命名方法 现行有两种命名方法。第一种命名方法与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场 如何理解场效应管的原理，大多数书籍和文章都讲的晦涩难懂，给初学的人学习造成很大的难度，要深入学习就越感到困难，本人以自己的理解加以解释，希望对初学的人有帮助，即使认识可能不是很正确，但对学习肯定有很大的帮助。 场效应管的结构 场效应管是电压控制器件，功耗比较低。而三极管是电流控制器件，功耗比较高。但场效应管制作工艺比三极管复杂，不过可以做得很小，到纳米级大小。所以在大规模集成电路小信号处理方面得到广泛的应用。对大电流功率器件处理比较困难，不过目前已经有双场效应管结构增加电流负载能力，也有大功率场管出现，大有取代三极管的趋势。场效应管具有很多比三极管优越的性能。 结型场效应管的结构 结型场效应管又叫JFET，只有耗尽型。 这里以N沟道结型场效应管为例，说明结型场效应管的结构及基本工作原理。图为N沟道结型场效应管的结构示意图。在一块N型硅，材料(沟道)上引出两个电极，分别为源极(S)和漏极(D)。在它的两边各附一小片P型材料并引出一个电极，称为栅极(G)。这样在沟道和栅极间便形成了两个PN结。当栅极开路时，沟道相当于一个电阻，其阻值随型号而不同，一般为数百欧至数千欧。如果在漏极及源极之间加上电压U Ds，就有电流流过，I D将随U DS的增大而增大。如果给管子加上负偏差U GS时，PN结形成空间电荷区，其载流子很少，因而也叫耗尽区(如图a中阴影区所示)。其性能类似于绝缘体，反向偏压越大，耗尽区越宽，沟道电阻就越大，电流减小，甚至完全截止。这样就达到了利用反向偏压所产生的电场来控制N型硅片(沟道)中的电流大小的目的。 注：实际上沟道的掺杂浓度非常小，导电能力比较低，所以有几百到几千欧导通电阻。而且是PN结工作在反向偏置的状态。刚开机时，如果负偏置没有加上，此时I D是最大的。 特点：1，GS和GD有二极管特性，正向导通，反向电阻很大 2：DS也是导通特性，阻抗比较大 3：GS工作在反向偏置的状态。 4：DS极完全对称，可以反用，即D当做S，S当做D。 从以上介绍的情况看，可以把场效应管与一般半导体三极管加以对比，即栅极相当于基极，源极相当于发射极，漏极相当于集电极。如果把硅片做成P型，而栅极做成N型，则成为P沟道结型场效应管。结型场效应管的符号如图b所示。 场效应管工作原理 MOS场效应管电源开关电路。 这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS 场效应管的工作原理。 MOS 场效应管也被称为MOS FET，既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金属氧化物半导体场效应管）的缩写。它一般有耗尽型和增强型两种。本文使用的为增强型MOS场效应管，其内部结构见图5。它可分为NPN型PNP 型。NPN型通常称为N沟道型，PNP型也叫P沟道型。由图可看出，对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。 为解释MOS场效应管的工作原理，我们先了解一下仅含有一个P—N结的二极管的工作过程。如图6所示，我们知道在二极管加上正向电压（P端接正极，N端接负极）时，二极管导通，其PN结有电流通过。这是因为在P型半导体端为正电压时，N型半导体内的负电子被吸引而涌向加有正电压的P型半导体端，而P 型半导体端内的正电子则朝N型半导体端运动，从而形成导通电流。同理，当二极管加上反向电压（P端接负极，N端接正极）时，这时在P型半导体端为负电压，正电子被聚集在P型半导体端，负电子则聚集在N型半导体端，电子不移动，其PN结没有电流通过，二极管截止。 对于场效应管（见图7），在栅极没有电压时，由前面分析可知，在源极与漏极之间不会有电流流过，此时场效应管处与截止状态（图7a）。当有一个正电压加在N沟道的MOS场效应管栅极上时，由于电场的作用，此时N型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而涌向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电子聚集在 场效应管工作原理 场效应管工作原理 场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。 一、场效应管的分类 场效应管分结型、绝缘栅型两大类。结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应管（JGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。目前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是MOS场效应管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET）；此外还有PMOS、NMOS和VMOS功率场效应管，以及最近刚问世的πMOS场效应管、VMOS功率模块等。 按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分沟道和P沟道两种。若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。 场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管。而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。见下图。 二、场效应三极管的型号命名方法 现行有两种命名方法。第一种命名方法与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D 第四章场效应管习题部分参考答案 五、已知图(a)所示电路中场效应管的转移特性和输出特性分别如图（b）(c)所示。 （1）利用图解法求解Q点； A 、R i和R o。 （2）利用等效电路法求解 u 图a 解：（1）在转移特性中作直线u G S＝－i D R S，与转移特性的交点即为Q 点；读出坐标值，得出I D Q＝1mA，U G S Q＝－2V。如下图所示。 在输出特性中作直流负载线u D S＝V D D－i D（R D＋R S），与U G S Q＝－2V的那条输出特性曲线的交点为Q点，U D S Q≈3V。如解图P2.21（b）所示。 （2）首先画出交流等效电路（图略），然后进行动态分析。 mA/V 12DQ DSS GS(off)GS D m DS =-=??=I I U u i g U Ω ==Ω==-=-=k 5 M 1 5D o i D m R R R R R g A g u 六、电路如图所示，已知场效应管的低频跨导为g m ，试写出u A 、R i 和R o 的表达式。 解：u A 、R i 和R o 的表达式分别为 D o 213i L D )(R R R R R R R R g A m u =+=-=∥∥ 七、已知电路中场效应管的转移特性如图（b ）所示。求解电路的Q 点和u A 。 解：（1）求Q 点： 根据电路图可知， U G S Q ＝V G G ＝3V 。 从转移特性查得，当U G S Q ＝3V 时的漏极电流 I D Q ＝1mA 因此管压降 U D S Q ＝V D D －I D Q R D ＝5V 。 （2）求电压放大倍数： 20V mA 22 D m DO DQ GS(th)m -=-===R g A I I U g u 结型场效应管(JFET)的结构和工作原理 1. JFET的结构和符号 N沟道JFET P沟道JFET 2. 工作原理（以N沟道JFET为例） N沟道JFET工作时，必须在栅极和源极之间加一个负电压——V GS< 0，在D-S间加一个正电压——V DS>0. 栅极—沟道间的PN结反偏，栅极电流i G≈0，栅极输入电阻很高（高达107Ω以上）。 N沟道中的多子（电子）由S向D运动，形成漏极电流i D。i D的大小取决于V DS的大小和沟道电阻。改变V GS可改变沟道电阻，从而改变i D。 主要讨论V GS对i D的控制作用以及V DS对i D的影响。 ①栅源电压V GS对i D的控制作用 当V GS＜0时，PN结反偏，耗尽层变宽，沟道变窄，沟道电阻变大，I D减小；V GS更负时，沟道更窄，I D更小；直至沟道被耗尽层全部覆盖，沟道被夹断，I D≈0。这时所对应的栅源电压V GS称为夹断电压V P。 ②漏源电压V DS对i D的影响 在栅源间加电压V GS＜ 0 ，漏源间加正电压V DS > 0。则因漏端耗尽层所受的反偏电压为V GD=V GS-V DS，比源端耗尽层所受的反偏电压V GS大,(如:V GS=-2V, V DS =3V, V P=-9V,则漏端耗尽层受反偏电压为V GD=-5V，源端耗尽层受反偏电压为-2V),使靠近漏端的耗尽层比源端宽，沟道比源端窄，故V DS对沟道的影响是不均匀的，使沟道呈楔形。 当V DS增加到使V GD=V GS-V DS =V P时，耗尽层在漏端靠拢,称为预夹断。 当V DS继续增加时，预夹断点下移，夹断区向源极方向延伸。由于夹断处电阻很大，使V DS主要降落在该区，产生强电场力把未夹断区的载流子都拉至漏极，形成漏极电流I D。预夹断后I D基本不随V DS增大而变化。 MOS/CMOS集成电路简介及N沟道MOS管和P沟道MOS管 在实际项目中，我们基本都用增强型mos管，分为N沟道和P沟道两种。 我们常用的是NMOS，因为其导通电阻小，且容易制造。在MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载（如马达），这个二极管很重要。顺便说一句，体二极管只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。 1.导通特性 NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低 端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。 PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。 2.MOS开关管损失 不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有。 MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越高，损失也越大。 导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。 3.MOS管驱动 跟双极性晶体管相比，一般认为使MOS管导通不需要电流，只要GS电压高于一定的值，就可以了。这个很容易做到，但是，我们还需要速度。 在MOS管的结构中可以看到，在GS，GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。 第二注意的是，普遍用于高端驱动的NMOS，导通时需要是栅极电压大于源极 第四章 场效应管（FET ）及基本放大电路 §4.1 知识点归纳 一、场效应管（FET ）原理 ·FET 分别为JFET 和MOSFET 两大类。每类都有两种沟道类型，而MOSFET 又分为增强型和耗尽型（JFET 属耗尽型），故共有6种类型FET （图4-1）。 ·JFET 和MOSFET 内部结构有较大差别，但内部的沟道电流都是多子漂移电流。一般情况下，该电流与GS v 、DS v 都有关。 ·沟道未夹断时，FET 的D-S 口等效为一个压控电阻（GS v 控制电阻的大小），沟道全夹断时，沟道电流D i 为零；沟道在靠近漏端局部断时称部分夹断，此时D i 主要受控于GS v ，而DS v 影响较小。这就是FET 放大偏置状态；部分夹断与未夹断的临界点为预夹断。 ·在预夹断点，GS v 与DS v 满足预夹断方程： 耗尽型FET 的预夹断方程：P GS DS V v v -=（P V ——夹断电压） 增强型FET 的预夹断方程：T GS DS V v v -=（T V ——开启电压） ·各种类型的FET ，偏置在放大区（沟道部分夹断）的条件由表4-4总结。 表4-4 FET 放大偏置时GS v 与DS v 应满足的关系 ·偏置在放大区的FET ，GS v ~D i 满足平方律关系： 耗尽型： 2 ) 1(P GS DSS D V v I i - =（DSS I ——零偏饱和漏电流） 增强型：2 )(T GS D V v k i -=* · FET 输出特性曲线反映关系 参变量 G S V DS D v f i )(=，该曲线将伏安平面分为可变电阻区 （沟道未夹断），放大区（沟道部分夹断）和截止区（沟道全夹断）；FET 转移特性曲线反映在放大区的关系)(GS D v f i =（此时参变量DS V 影响很小），图4-17画出以漏极流向源极的沟道电流为参考方向的6种FET 的转移特性曲线，这组曲线对表4-4是一个很好映证。 二、FET 放大偏置电路 ·源极自给偏压电路（图4-18）。该电路仅适用于耗尽型FET 。有一定稳Q 的能力，求解该电路工作点的方法是解方程组： 22() [FET ()]GS D DSS d GS T P GS S D v i I v i k v V V v R i ? =-=-?? ?=-?对于增强型,用关系式 ·混合偏压电路（图4-20）。该电路能用于任何FET ，在兼顾较大的工作电流时，稳Q 的效果更好。求解该电路工作点的方法是解方程组： ??? ??-+=D s CC GS i R R R R V v 212平方律关系式 以上两个偏置电路都不可能使FET 全夹断，故应舍去方程解中使沟道全夹断的根。 三、FET 小信号参数及模型 ·迭加在放大偏置工作点上的小信号间关系满足一个近似的线性模型（图4-22低频模 型，图4-23高频模型）。 ·小信号模型中的跨导 Q GS D m v i g ??= m g 反映信号gs v 对信号电流d i 的控制。m g 等于FET 转移特性曲线上Q 点的斜率。 m g 的估算：耗尽管 D DSS P m I I V g ||2 = 增强管D m kI g 2= ·小信号模型中的漏极内阻 Ds ds D Q v r i ?= ? ds r 是FET “沟道长度调效应”的反映，ds r 等于FET 输出特性曲线Q 点处的斜率的倒 数。 四、基本组态FET 小信号放大器指标 1．基本知识 ·FET 有共源（CS ）共漏（CD ）和共栅（CG ）三组放大组态。 ·CS 和CD 组态从栅极输入信号，其输入电阻i R 由外电路偏置电阻决定，i R 可以很大。 ·CS 放大器在其工作点电流和负载电阻与一个CE 放大器相同时，因其m g 较小，|| V A 场效应管工作原理 这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS 场效应管的工作原理。MOS 场效应管也被称为MOS FET，既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor （金属氧化物半导体场效应管）的缩写。它一般有耗尽型和增强型两种。本文使用的为增强型MOS场效应管，其内部结构见图5。它可分为NPN型PNP型。NPN型通常称为N沟道型，PNP型也叫P 沟道型。由图可看出，对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N 型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P 型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。为解释MOS场效应管的工作原理，我们先了解一下仅含有一个P 饱和漏源电流。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，栅极电压U GS=0时的漏源电流。 2、UP 开启电压。是指增强型绝缘栅场效管中，使漏源间刚导通时的栅极电压。 4、gM 对漏极电流I D的控制能力，即漏极电流I D变化量与栅源电压UGS变化量的比值。gM 是衡量场效应管放大能力的重要参数。 5、BUDS 最大耗散功率。也是一项极限参数，是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。使用时，场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量。 7、IDSM UGS=0时的漏极电流。UP —夹断电压，使ID=0对应的UGS的值。P沟道场效应管的工作原理与N沟道类似。我们不再讨论。下面我们看一下各类绝缘栅场效应管(MOS场效应管)在电路中的符号。§3 场效应管的主要参数场效应管主要参数包括直流参数、交流参数、极限参数三部分。 一、直流参数 1、饱合漏极电流IDSSIDSS是耗尽型和结型场效应管的一个重要参数。定义：当栅、源极之间的电压UGS=0，而漏、源极之间的电压UDS大于夹断电压UP时对应的漏极电流。 2、夹断电压UPUP也是耗尽型和结型场效应管的重要参数。定义：当UDS一定时，使ID减小到某一个微小电流(如1μA， 50μA)时所需UGS的值。 3、开启电压UTUT是增强型场效应管的重要参数。定义：当UDS一定时，漏极电流ID达到某一数值(如10μA)时所需加的UGS 值。 4、直流输入电阻RGSRGS是栅、源之间所加电压与产生的栅极电流之比，由于栅极几乎不索取电流，因此输入电阻很高，结型为106Ω以上，MOS管可达1010Ω以上。 二、交流参数 第五章放大器的频率响应 习题类型 5.1 频率响应的基本概念 5.3 增益函数的零点、极点概念 5.2及.4～5.6 利用增益函数极点求解电路转折频率 5.7～5.12及5.16～5.20 利用时间常数法求解电路转折频率 5.13～5.15 求解BJT的频率参数 5.1某单级阻容耦合共射放大电路中频电压增益A vm=40dB，通频带为20Hz～20KHz，最大不失真电压范围为－3V～+3V。 （1）若输入电压v i=20sin（2π×103）mV，输出电压幅值v om是多少？是否会出现失真？（2）若输入为谐波频率范围在1kHz～30kHz的非正弦波，其最大幅值为50mV，输出电压v o是否失真？若失真，属于什么失真？ 解: （1）V om=V i m A v m=20×100=2×103mV=2V， 且不会出现失真。 （2）会出现失真，非线性失真和频率失真。 5.2某放大电路当输入信号频率在f =5～40kHz范围时，电压增益为100，而当f=500kHz 时，增益降为10。求该放大电路上转折频率f H。 解: 由题意有： 解出： 5.3某放大电路增益函数为，指出A(s)的极点和零点并求中 频段增益A m（dB）。 解: 极点为：－107，－108，－5×108（rad/s） 有限零点为：1010，1012（rad/s） ∵A（s）极点数>零点数，且 ∴ A（s）=A H（s） ···· 5.4某放大电路电压增益函数， 求出其中频电压增益A v m及下转折频率f L、上转折频率f H。 解: ∵ A v(s) 极点数>零点数， 且， ∴ A v(s) 是全频段增益函数。 低频极点 p1=－10；p2=－20； 高频极点 p1=－105；p2=－2×105； 令低频极点s→∞，高频极点s→0，A v(s) →A vm=400 又：s→jω , 功率场效应晶体管 MOSFET 1.概述 MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。 功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的 MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称功率MOSFET（Power MOSFET）。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）。其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。 2.功率MOSFET的结构和工作原理 功率MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET 主要是N沟道增强型。 2.1功率MOSFET的结构 功率MOSFET的内部结构和电气符号如图1所示；其导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率mos管相同，但结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET 器件的耐压和耐电流能力。 第四章场效应管基本放大电路 4-1 选择填空 1．场效应晶体管是用_______控制漏极电流的。 a. 栅源电流 b. 栅源电压 c. 漏源电流 d. 漏源电压 2．结型场效应管发生预夹断后，管子________。 a. 关断 b. 进入恒流区 c. 进入饱和区 d. 可变电阻区3．场效应管的低频跨导g m是________。 a. 常数 b. 不是常数 c. 栅源电压有关 d. 栅源电压无关 4. 场效应管靠__________导电。 a. 一种载流子 b. 两种载流子 c. 电子 d. 空穴 5. 增强型PMOS管的开启电压__________。 a. 大于零 b. 小于零 c. 等于零 d. 或大于零或小于零 6. 增强型NMOS管的开启电压__________。 a. 大于零 b. 小于零 c. 等于零 d. 或大于零或小于零 7. 只有__________场效应管才能采取自偏压电路。 a. 增强型 b. 耗尽型 c. 结型 d. 增强型和耗尽型 8. 分压式电路中的栅极电阻R G一般阻值很大，目的是__________。 a. 设置合适的静态工作点 b. 减小栅极电流 c. 提高电路的电压放大倍数 d. 提高电路的输入电阻 9. 源极跟随器（共漏极放大器）的输出电阻与___________有关。 a. 管子跨导g m b. 源极电阻R S c. 管子跨导g m和源极电阻R S 10. 某场效应管的I DSS为6mA，而I DQ自漏极流出，大小为8mA，则该管是_______。 a. P沟道结型管 b. N沟道结型管 c. 增强型PMOS管 d. 耗尽型PMOS管 e. 增强型NMOS管 f. 耗尽型NMOS管 解答： ,c 4. a 7. b,c 8. d 4-2 已知题4-2图所示中各场效应管工作在恒流区，请将管子类型、电源V DD的极性（+、-）、u GS的极性（>0，≥0，<0，≤0,任意）分别填写在表格中。 解： 4-3试分析如题4-3图所示各电路能否正常放大，并说明理由。 解： (a)不能。 P通道为空穴流，N通道为电子流，所以场效应三极管也称为单极性三极管。FET 乃是利用输入电压(Vgs)来控制输出电流(Id)的大小。所以场效应三极管是属于电压控制元件。它有两种类型，一是结型（接面型场效应管）(JFET)，一是金氧半场效应三极管，简称MOSFET，MOSFET又可分为增强型与耗尽型两种。 N沟道，P沟道结型场效应管的D、S是由N(或P)中间是栅极夹持的通道，这个通道大小是受电压控制的，当然就有电流随栅极电压变化而变。可以看成栅极是控制电流阀门。 增强型是指：当VGS=0时管子是呈截止状态，加上正确的VGS后，多数载流子被吸引到栅极，从而“增强”了该区域的载流子，形成导电沟道。耗尽型则是指，当VGS=0时即形成沟道，加上正确的VGS时，能使多数载流子流出沟道，因而“耗尽”了载流子，使管子转向截止。栅极电压高低决定电场的变化，进而影响载流子的多少，引起通过S、D电流变化。 MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。 主板上的PWM(Plus Width Modulator，脉冲宽度调制器)芯片产生一个宽度可调的脉冲波形，这样可以使两只MOS管轮流导通。当负载两端的电压(如CPU需要的电压)要降低时，这时MOS管的开关作用开始生效，外部电源对电感进行充电并达到所需的额定电压。当负载两端的电压升高时，通过MOS管的开关作用，外部电源供电断开，电感释放出刚才充入的能量，这时的电感就变成了“电源”，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。 MOS管 MOS管的英文全称叫MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，即金属氧化物半导体型场效应管，属于场效应晶体管中的绝缘栅型。因此，MOS管有时被称为场效应管。在一般电子电路中，MOS管通常被用于放大电路或开关电路。而在主板上的电源稳压电路中，MOSFET扮演的角色主要是判断电位，它在主板上常用“Q”加数字表示。 一、MOS管的作用是什么？ 目前主板或显卡上所采用的MOS管并不是太多，一般有10个左右，主要原因是大部分MOS管被整合到IC芯片中去了。由于MOS管主要是为配件提供稳定的电压，所以它一般使用在CPU、AGP插槽和内存插槽附近。其中在CPU与AGP插槽附近各安排一组MOS管，而内存插槽则共用了一组MOS管，MOS管一般是以两个组成一组的形式出现主板上的。 二、MOS管的性能参数有哪些？ 优质的MOS管能够承受的电流峰值更高。一般情况下我们要判断主板上MOS 管的质量高低，可以看它能承受的最大电流值。影响MOS管质量高低的参数非常多，像极端电流、极端电压等。但在MOS管上无法标注这么多参数，所以在MOS 管表面一般只标注了产品的型号，我们可以根据该型号上网查找具体的性能参数。 还要说明的是，温度也是MOS管一个非常重要的性能参数。主要包括环境温度、管壳温度、贮成温度等。由于CPU频率的提高，MOS管需要承受的电流也随 第四章 场效应管基本放大电路 4-1选择填空 1 ?场效应晶体管是用 _________ 控制漏极电流的。 a.栅源电流 b.栅源电压 c.漏源电流 2 ?结型场效应管发生预夹断后，管子 _ a.关断 b.进入恒流区 3 .场效应管的低频跨导 g m 是 _________ a.常数 b.不是常数 场效应管靠 ___________导电。 a. 一种载流子 b.两种载流子 增强型PMOS 管的开启电压 _________ a.大于零 增强型NMOS a.大于零 只有 a.增强型 o c.进入饱和区 c.栅源电压有关 4. 5. 6. 7. 8. 9. c.电子 d.漏源电压 d.可变电阻区 d.栅源电压无关 d.空穴 o 二于零 b.小于零 管的开启电压 。 b.小于零 c.等于零 —场效应管才能采取自偏压电路。 b.耗尽型 c.结型 R G 一般阻值很大，目的 是 d. d. 或大于零或小于零 或大于零或小于零 d.增强型和耗尽型 分压式电路中的栅极电阻 a.设置合适的静态工作点 c.提高电路的电压放大倍数 源极跟随器（共漏极放大器）的输出电阻与 a.管子跨导g m b.源极电阻R S b.减小栅极电流 d.提高电路的输入电阻 有关。 c.管子跨导g m 和源极电阻R S 10.某场效应管的I DSS 为6mA , a. P 沟道结型管 c.增强型PMOS 管 e.增强型NMOS 管 而|DQ 自漏极流出，大小为 8mA ，则该管是 b. N 沟道结型管 耗尽型PMOS 管 耗尽型NMOS 管 d. f. 解答： 1.b 2.b 3.b,c 4. a 5.b 6.a 7. b,c 8. d 9.c 10.d 请将管子类型、 w 0,任意）分别填写在表格中。 4-2已知题4-2图所示中各场效应管工作在恒流区, U GS 的极性（>0 , > 0 , <0, V DD i V DD 电源V DD 的极性（+、-）、 R D R D VT VT (a) (b ) V DD R D (c) 题4-2图 R D (d) (e ) ■ V DD G /. S | (f) R D VT 图号 项目 (a ) (b) (c) (d) (e) (f) 沟道类型 N P N N P P 增强型或 耗 尽型 结型 结型 增强型 耗尽型 增强型 耗尽型 解: 第五章 MOS 场效应晶体管 § 5.1 MOS 场效应晶体管的结构和工作原理 1．基本结构 上一章我们简单提到了金属－半导体场效应晶体管（即MESFET ），它的工作原理和JEFET 的工作原理有许多类似之处。如果在金属－半导体结之间加一层氧化物绝缘层（如SiO 2）就可以形成另一种场效应晶体管，即金属－氧化物－半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ，缩写MOSFET ），如图所示（P172）。 MOS 管主要是利用半导体表面效应而制成的晶体管，参与工作的只有一种载流子（即多数载流子），所以又称为单极型晶体管。在双极型晶体管中，参加工作的不仅有多数载流子，也有少数载流子，故称为双极型晶体管。 本章主要以金属―SiO 2―P 型Si 构成的MOS 管为例来讨论其工作原理。器件的基本参数是：沟道长度L （两个N P +结间的距离）；沟道宽度Z ；氧化层厚度x 0；漏区和源区的结深 x j ；衬底掺杂浓度N a 等。 MOS 场效应晶体管可以以半导体Ge 、Si 为材料，也可以用化合物GaAs 、InP 等材料制作，目前以使用Si 材料的最多。MOS 器件栅下的绝缘层可以选用SiO 2、Si 3N 4和Al 2O 3等绝缘材料，其中使用SiO 2最为普遍。 2．载流子的积累、耗尽和反型 （1）载流子积累 我们先不考虑漏极电压V D ，将源极和衬底接地，如图所示。如果在栅极加一负偏压（0G 第五章 FET三极管及其放大管 一、判断题 结型场效应管外加的栅源电压应使栅源之间的PN结反偏，以保证场效应管的输入电阻很大。（）。 √ 场效应管放大电路和双极型三极管放大电路的小信号等效模型相同。（）× 开启电压是耗尽型场效应管的参数；夹断电压是增强型场效应管的参数。（）× I DSS 表示工作于饱和区的增强型场效应管在u GS =0时的漏极电流。（） × 若耗尽型N沟道MOS管的U GS大于零，则其输入电阻会明显变小。（）前往× 互补输出级应采用共集或共漏接法。( ) √ 开启电压是耗尽型场效应管的参数；夹断电压是增强型场效应管的参数。( ) × I DSS 表示工作于饱和区的增强型场效应管在u GS =0时的漏极电流。( ) × 结型场效应管外加的栅源电压应使栅源之间的PN结反偏，以保证场效应管的输入电阻很大。( ) √ 与三极管放大电路相比，场效应管放大电路具有输入电阻很高、噪声低、温度稳定性好等优点。（） 场效应管放大电路的偏置电路可以采用自给偏压电路。（ ） × 二、填空题 场效应管放大电路中，共＿＿极电路具有电压放大能力，输出电压与输入电压反相；共＿＿极电路输出电阻较小，输出电压与输入电压同相。 源，栅 场效应管是利用＿＿电压来控制＿＿电流大小的半导体器件。 V GS （栅源电压），I D （漏极） 场效应管是＿＿＿＿控制半导体器件，参与导电的载流子有＿＿＿＿种。 电压，1 当u gs =0时，漏源间存在导电沟道的称为＿＿＿＿型场效应管；漏源间不存在导电沟道的称为＿＿＿＿型场效应管。 耗尽型，增强型 场效应管具有输入电阻很 ＿＿＿＿、抗干扰能力＿＿＿＿等特点。 大，强 输出电压与输入电压反相的单管半导体三极管放大电路是＿＿＿＿。 共射（共源） 共源极放大电路的性能与半导体三极管的＿＿＿＿电路相似。 共射 共漏极放大电路的性能与半导体三极管的＿＿＿＿电路相似。 共集 结型场效应管的工作原理 N 沟道和P 沟道结型场效应管的工作原理完全相同，现以N 沟道结型场效应管为例，分析其工作原理。 N 沟道结型场效应管工作时，需要外加如图1所示的偏置电压，即在栅-源极间加一负电压(v GS ＜0)，使栅-源极间的P +N 结反偏，栅极电流i G ≈0，场效应管呈现很高的输入电阻(高达108Ω左右)。在漏-源极间加一正电压(v DS ＞0)，使N 沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动，形成漏极电流i D 。i D 的大小主要受栅-源电压v GS 控制，同时也受漏-源电压v DS 的影响。因此，讨论场效应管的工作原理就是讨论栅-源电压v GS 对沟道电阻及漏极电流i D 的控制作用，以及漏-源电压v DS 对漏极电流i D 的影响。 转移特性：在u DS 一定时, 漏极电流i D 与栅源电压u GS 之间的关系称为转移特性。 ()|D gs ds u i f u ==常数 在U GS(off)≤u GS ≤0的范围内, 漏极电流i D 与栅极电压u GS 的关系为 2()(1)GS D DDS GS off u i I u =- 2) 输出特性：输出特性是指栅源电压u GS 一定, 漏极电流i D 与漏极电压u DS 之间的关系。 ()|D s gs d u i f u ==常数 GS 0 1 2 3 4 5 1．v GS对沟道电阻及i D的控制作用 图2所示电路说明了v GS对沟道电阻的控制作用。为便于讨论，先假设漏-源极间所加的电压v DS=0。当栅-源电压v GS=0时，沟道较宽，其电阻较小，如图2(a)所示。当v GS<0，且其大小增加时，在这个反偏电压的作用下，两个P+N结耗尽层将加宽。由于N区掺杂浓度小于P+区，因此，随着|v GS| 的增加，耗尽层将主要向N沟道中扩展，使沟道变窄，沟道电阻增大，如图2(b)所示。当|v GS| 进一步增大到一定值|V P| 时，两侧的耗尽层将在沟道中央合拢，沟道全部被夹断，如图2(c)所示。由于耗尽层中没有载流子，因此这时漏-源极间的电阻将趋于无穷大，即使加上一定的电压v DS，漏极电流i D也将为零。这时的栅-源电压称为夹断电压，用V P表示。 详细讲解MOSFET管驱动电路 在使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候，大部分人都会考虑MOS 的导通电阻，最大电压等，最大电流等，也有很多人仅仅考虑这些因素。这样的电路也许是可以工作的，但并不是优秀的，作为正式的产品设计也是不允许的。 下面是我对MOSFET及MOSFET驱动电路基础的一点总结，其中参考了一些资料，非全部原创。包括MOS管的介绍，特性，驱动以及应用电路。 1，MOS管种类和结构 MOSFET管是FET的一种（另一种是JFET），可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道共4种类型，但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P 沟道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是这两种。 至于为什么不使用耗尽型的MOS管，不建议刨根问底。 对于这两种增强型MOS管，比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小，且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS。下面的介绍中，也多以NMOS为主。 MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，这不是我们需要的，而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些，但没有办法避免，后边再详细介绍。 在MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载（如马达），这个二极管很重要。顺便说一句，体二极管只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。 2，MOS管导通特性 导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。 NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。MOS管的结构和工作原理
第四章 场效应管习题答案
场效应管工作原理 1
(完整版)对场效应管工作原理的理解
场效应管工作原理
场效应管工作原理
第四章 场效应管习题部分参考答案
结型场效应管(JFET)的结构和工作原理
N沟道和P沟道MOS管工作原理
第四章 场效应管(FET)及基本放大电路要点
场效应管工作原理
模电第五章
MOS管工作原理及其驱动电路
场效应管习题答案
p沟道mos管工作原理
第四章--场效应管习题答案..
第五章 MOS场效应晶体管
第五章-FET三极管及其放大管考试试题
场效应管(FET)的工作原理总结
MOS管工作原理详细讲解