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模拟电子技术基础


1.4 场效应管
场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小 的半导体器件。 优点:(1)体积小、重量轻、耗电少、寿命长; (2)输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗 辐射能力强、制造工艺简单; 分类:(1)结型场效应管(JFET) (2)金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)

一、结型场效应管

N沟道JFET

>
P沟道JFET

N沟道JFET工作时,在栅极与源极 之间加一负电压( ?GS ? 0 ), 使栅极和沟道间的PN结反偏,栅 极电流为零,场效应管呈现大的

输入电阻。在漏极和源极之间加 一正电压( ?DS ? 0 ),使N沟道 中的多数载流子在电场的作用下 由源极向漏极运动,形成电流 i D (漏极电流)。该电流受 ? GS 的控制。

(1)d、s间短路,在g、s间加反向电压时的情况

夹断电压UGS(off) (或VP):当 ?GS 增加到某一电压UGS(off)时, 两侧耗尽层将在中间合龙,沟道被夹断,d、s之间的电阻趋向无 穷大。

(2)d、S间加正向电压的情况: 在漏极附 近的耗尽区 开始靠拢, 这种情况称 为预夹断。

?GD ? ?GS ? ? DS ? U GS ?off ?

当? DS 再增加时,耗尽区沿沟道加长它们的接触部分,这时 iD 略有

增加但基本恒定。这时的电流称漏极饱和电流,用I DSS 表示。

(3)g、s间加负电压,d、S间加正电压的情况:

( 1 ) JFET 栅 极 和 沟 道 间 的 PN 结 是 反 偏 的 , 因 此 其 iG ? 0 ,输入电阻很高;

(2)JFET是电压控制电流器件,i 受 ?GS 控制。 D
(3)预夹断前,iD 与 ? DS 呈近似线性关系;预夹断后 iD 趋于饱和。

它是指栅源电压一定的情况
下,漏极电流与漏源电压之间 的关系曲线。即
iD ? f (? DS ) ?GS ?常数

Ⅰ区(可变电阻区)

Ⅱ区(饱和区或恒流区) 夹断区(或截止区)

Ⅲ区(击穿区)

它是指在一定漏源电压下,栅 源电压对漏极电流的控制特性, 即

iD ? f (?GS ) ? DS ?常数

转移特性曲线与输出特性曲线有严格的对应关系。当管子工作在恒 ? 流区时,由于 DS 对 iD 的影响很小,所以不同的 ? DS 所对应的转移特 性曲线基本上重合在一起。这时 iD 可近似地表示为

iD ? I DSS (1 ?

?GS
VP

)

2

(当VP ? ?GS ? 0时)

二、绝缘栅型场效应管

N沟道:增强型、耗尽型 P沟道:增强型、耗尽型

增强型:当υGS=0时,没有导电沟道,即iD=0。 耗尽型:当υGS=0时,存在导电沟道,即iD≠0。

VT 或UGS ?th?

iD ? I DO (

?GS
VT

? 1)

2

(?GS ? VT )

如果在制造MOS管时,在SiO2绝缘层中掺人大量正离子,那么即 使υGS=0,在正离子作用下P型衬底表层也存在反型层,即漏—源 之间存在导电沟道,只要在漏—源间加正向电压,就会产生漏极 电流,并且υGS为正时,反型层变宽,沟道电阻变小,iD增大;反

之,υGS为负时,反型层变窄,沟道电阻变大,iD减小。而当υGS从 零减小到一定值时,反型层消失,漏—源之间导电沟道消失,iD =0。此时的υGS称为夹断电压。 与N沟道结型场效应管相同,N沟道牦尽型MOS管的夹断电压也 为负值。但是,前者只能在υGS <0的情况下工作,而后者的υGS可 以在正、负值的一定范围内实现对iD的控制,且仍保持栅—源间有 非常大的绝缘电阻。

三、FET的主要参数
(1)夹断电压UGS(off) :? DS 为某一固定值(一般为 10V),使 iD 等于一个微小的电流(一般为5μA)时, 栅源之间之间所加的电压。

(2)开启电压UGS(th) : DS 为某一固定值(一般为 ? 10V),使 iD 大于零电流(一般为5μA)时,栅源之间 之间所加的最小电压。

(3)饱和漏电流IDSS :对于耗尽型管子,在 ?GS ? 0 的情况下产生预夹断时的漏极电流。它是该管子所能输 出的最大电流。通常令υDS=10V,υGS=0V 时测出的漏 极电流为饱和漏电流。

(4)最大漏源电压V? BR?DS :它是指PN结发生击穿、D i ? 开始急剧上升时的 ? DS 值。它与 ?GS 有关。GS 越负, ?BR?DS V

越小。

(5)最大栅源电压 V?BR?GS :是指输入PN结反向电流开始急剧增加时 的 。
SG

(6)直流输入电阻 RGS :在漏源之间短路的条件下,栅源之间加 一定电压时的栅源直流电阻。106-109 Ω (7)低频互导(跨导) gm :在 ? DS 等于常数时,漏极电流的微变 量和引起这个变化的栅源电压的微变量之比。即

?

?iD gm ? ??GS
? ?GS 2 ? ? d ? I DSS (1 ? ) ? 2 I DSS (1 ? GS ) VP ? VP gm ? ? ?? d?GS VP

V DS

(当VP ? ?GS ? 0)

(8)输出电阻 rd :在饱和区,iD 随 ? DS 的变化很小,所以 rd 的 值很大。约几十千欧姆至几百千欧姆。
?? DS rd ? ?iD
VGS

(9)最大耗散功率 PDM :它等于 ? DS 和 iD 的乘积,即 PDM ? iD?DS 。 这些耗散在管子中的功率变为热能,使管子温度升高。为了限制它 的温度不要升的太高,就要限制它的耗散功率不能超过最大数 值 PDM 。

四、使用FET的注意事项
1、在MOS管中,有的产品将衬底引出可让使用者视电路的需要任意 连接。 2、FET通常制成漏极和源极可以互换。但有些产品出厂时将源极和 衬底连在一起,这时不能互换。 3、JFET的栅源电压不能接反,但可以在开路状态下保存;而 MOSFET不使用时,由于它的输入电阻非常高,须将各电极短路,以 免外电场作用而使管子损坏。

4、焊接时,电烙铁必须有外接地线,以屏蔽交流电场,防止损坏 管子。特别是焊接MOSFET时,最好断电后再焊接。

五、FET和BJT的比较
1、FET是用栅源电压来控制漏极电流,栅极基本不取电流。 BJT是用基极电流来控制集电极电流,工作时基极总要索取一定 的电流。 ★要求输入电阻高的电路应选择FET;若信号源可以提供一定的电 流,则可选用BJT。

2、FET只有多子参与导电,而BJT有多子和少子参与导电。所以FET 的温度稳定性比BJT好、抗辐射能力强。
★环境条件变化很大的情况应选择FET。

3、FET的噪声系数很小,所以低噪声放大器的输入级和要求信噪比 较高的电路应选用FET。当然也可以选用特制的低噪声BJT。
★放大电路中的噪声是放大电路中各元件内部载流子运动的不规则所造成 的,它实际上是杂乱无规则的变化的电压或电流。
NF ? 输入端信号噪声比 P P ? SI nI 输出端信号噪声比 PSO PnO

4、FET的漏极和源极可以互换使用,BJT的发射极和集电极不可以 互换。

5、FET的种类比BJT多。
6、FET和BJT都可以构成集成电路,但由于FET集成工艺简单,且具 有耗电省、工作电源电压范围宽等优点,因此FET越来越多地应用 于大规模和超大规模集成电路之中。

1、晶体管放大电路有三种基本放大电路,分别为共射 极、共集电极、共基极放大电路。 场效应管放大电路有三种基本放大电路,分别为共源 极、共漏极、共栅极放大电路。

2、共射极放大电路是反向电压放大器,共集电极放大 电路是电压跟随器,共基极放大电路是电流放大器。 共源放大电路是反向电压放大器,共漏放大电路是电 压跟随器,共栅放大电路是电流放大器。


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