结型场效应管及其放大电路

第八章：场效应管第八章：场效应管一、场效应管概述一、场效应管概述二、结型场效应管结构与原理二、结型场效应管结构与原理三、结型场效应管放大器三、结型场效应管放大器四、四、MOS场效应管介绍场效应管介绍N沟道沟道P沟道沟道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（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)IGFET（Insulated Gate Field Effect Transistor）MOS（Metal Oxide Semiconductor）vGS=0，iD=0，为增强型管；，为增强型管；vGS=0，iD 0，为耗尽型管（有初始沟道）。，为耗尽型管（有初始沟道）。PMOS、NMOS、CMOS、VMOS、最新的、最新的MOS JFET(Junction Field Effect Transistor)现行有两种命名方法现行有两种命名方法第一种命名方法：第一种命名方法：与双极型三极管相同，第三位字母与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表 材料，材料，D是是P型硅，型硅，反型层是反型层是N沟道；沟道；C是是N型硅型硅P沟道。沟道。例如：例如：3DJ6D是结型是结型N沟道场效应三极管，沟道场效应三极管，3DO6C 是绝缘是绝缘栅型栅型N沟道场效应三极管。沟道场效应三极管。第二种命名方法：第二种命名方法：CS#，CS代表场效应管，代表场效应管，以数字代表型号的序号，以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。用字母代表同一型号中的不同规格。例如：例如：CS14A、CS45G等等 2、判定栅极用万用表黑表笔碰触管子的一个电极，红表笔分别碰触另外两个电极。若两次测出的阻值都很小，说明均是正向电阻，该管属于N沟道场效应管，黑表笔接的也是栅极。制造工艺决定了场效应管的源极和漏极是对称的，可以互换使用，并不影响电路的正常工作，所以不必加以区分。源极与漏极间的电阻约为几千欧。注意不能用此法判定绝缘栅型场效应管的栅极。因为这种管子的输入电阻极高，栅源间的极间电容又很小，测量时只要有少量的电荷，就可在极间电容上形成很高的电压，容易将管子损坏。3、估测场效应管的放大能力将万用表拨到R100档，红表笔接源极S，黑表笔接漏极D，相当于给场效应管加上1.5V的电源电压。这时表针指示出的是D-S极间电阻值。然后用手指捏栅极G，将人体的感应电压作为输入信号加到栅极上。由于管子的放大作用，UDS和ID都将发生变化，也相当于D-S极间电阻发生变化，可观察到表针有较大幅度的摆动。如果手捏栅极时表针摆动很小，说明管子的放大能力较弱；若表针不动，说明管子已经损坏。由于人体感应的50Hz交流电压较高，而不同的场效应管用电阻档测量时的工作点可能不同，因此用手捏栅极时表针可能向右摆动，也可能向左摆动。少数的管子RDS减小，使表针向右摆动，多数管子的RDS增大，表针向左摆动。无论表针的摆动方向如何，只要能有明显地摆动，就说明管子具有放大能力。本方法也适用于测MOS管。为了保护MOS场效应管，必须用手握住螺钉旋具绝缘柄，用金属杆去碰栅极，以防止人体感应电荷直接加到栅极上，将管子损坏。MOS管每次测量完毕，G-S结电容上会充有少量电荷，建立起电压UGS，再接着测时表针可能不动，此时将G-S极间短路一下即可。4、场效应管的测试、场效应管的测试1、结型场效应管的管脚识别：场效应管的栅极相当于晶体管的基极，源极和漏极分别对应于晶体管的发射极和集电极。将万用表置于R1k档，用两表笔分别测量每两个管脚间的正、反向电阻。当某两个管脚间的正、反向电阻相等，均为数K时，则这两个管脚为漏极D和源极S（可互换），余下的一个管脚即为栅极G。对于有4个管脚的结型场效应管，另外一极是屏蔽极（使用中接地）。MOS场效应晶体管在使用时应注意分类，不能随意互换。场效应晶体管在使用时应注意分类，不能随意互换。MOS场效场效应晶体管由于输入阻抗高（包括应晶体管由于输入阻抗高（包括MOS集成电路）极易被静电击穿，使用集成电路）极易被静电击穿，使用时应注意以下规则：时应注意以下规则：（1）MOS器件出厂时通常装在黑色的导电泡沫塑料袋中，切勿自行随器件出厂时通常装在黑色的导电泡沫塑料袋中，切勿自行随便拿个塑料袋装。也可用细铜线把各个引脚连接在一起，或用锡纸包装便拿个塑料袋装。也可用细铜线把各个引脚连接在一起，或用锡纸包装（2）取出的）取出的MOS器件不能在塑料板上滑动，应用金属盘来盛放待用器件。器件不能在塑料板上滑动，应用金属盘来盛放待用器件。（3）焊接用的电烙铁必须良好接地。）焊接用的电烙铁必须良好接地。（4）在焊接前应把电路板的电源线与地线短接，再）在焊接前应把电路板的电源线与地线短接，再MOS器件焊接完成后器件焊接完成后在分开。在分开。（5）MOS器件各引脚的焊接顺序是漏极、源极、栅极。拆机时顺序相反。器件各引脚的焊接顺序是漏极、源极、栅极。拆机时顺序相反。（6）电路板在装机之前，要用接地的线夹子去碰一下机器的各接线端子，）电路板在装机之前，要用接地的线夹子去碰一下机器的各接线端子，再把电路板接上去。再把电路板接上去。（7）MOS场效应晶体管的栅极在允许条件下，最好接入保护二极管。在场效应晶体管的栅极在允许条件下，最好接入保护二极管。在检修电路时应注意查证原有的保护二极管是否损坏。检修电路时应注意查证原有的保护二极管是否损坏。5、MOS场效应晶体管使用注意事项场效应晶体管使用注意事项2.2.结型结型场效应管场效应管（JFET)结构结构1.1.结型结型场效应管场效应管（JFET)分类：分类：输入电阻约为输入电阻约为107。P+P+NGSDN沟道结型场效应管沟道结型场效应管导电沟道导电沟道P沟道：沟道：N沟道：沟道：现以现以N沟道结型场效应管为例讨论外沟道结型场效应管为例讨论外加电场是如何来控制场效应管的电流加电场是如何来控制场效应管的电流的。的。如图所示，场效应管工作时它的两个如图所示，场效应管工作时它的两个PN结始终要加反向电压。对于结始终要加反向电压。对于N沟道，沟道，各极间的外加电压变为各极间的外加电压变为UGS0，漏源，漏源之间加正向电压，即之间加正向电压，即UDS0。当当G、S两极间电压两极间电压UGS改变时，沟道改变时，沟道两侧耗尽层的宽度也随着改变，由于两侧耗尽层的宽度也随着改变，由于沟道宽度的变化，导致沟道电阻值的沟道宽度的变化，导致沟道电阻值的改变，从而实现了利用电压改变，从而实现了利用电压UGS控制控制电流电流ID的目的。的目的。NDGSPPIDUDSUDDUGGUGS3.3.场效应管工作原理场效应管工作原理（1）当）当UGS时，时，场效应管两侧的场效应管两侧的PN结均处于零偏置，结均处于零偏置，形成两个耗尽层形成两个耗尽层,如如图（）所示。此图（）所示。此时耗尽层最薄，导时耗尽层最薄，导电沟道最宽，沟道电沟道最宽，沟道电阻最小。电阻最小。1）UGS对导电沟道的影响对导电沟道的影响（2）当）当|UGS|值增值增大时，栅源之间反大时，栅源之间反偏电压增大，偏电压增大，PN结结的耗尽层增宽，如的耗尽层增宽，如图（图（b）所示。导致）所示。导致导电沟道变窄，沟导电沟道变窄，沟道电阻增大。道电阻增大。1）UGS对导电沟道的影响对导电沟道的影响（3）当）当|UGS|值增大到值增大到使两侧耗尽层相遇时，使两侧耗尽层相遇时，导电沟道全部夹断，导电沟道全部夹断，如图（如图（c）所示。沟道）所示。沟道电阻趋于无穷大。对电阻趋于无穷大。对应的栅源电压应的栅源电压UGS称为称为场效应管的夹断电压，场效应管的夹断电压，用用UGS(off)来表示。来表示。1）UGS对导电沟道的影响对导电沟道的影响N沟道DGSNDGSUGGPPP(b)DGSUGG耗尽层(a)(c)PPP a）导电沟道最宽）导电沟道最宽;（b）导电沟道变窄）导电沟道变窄;（c）导电沟道夹断）导电沟道夹断 1）UGS对导电沟道的影响对导电沟道的影响（2）当）当UDS增加时，漏极电增加时，漏极电流流ID从零开始增加，从零开始增加，ID流过流过导电沟道时，沿着沟道产生导电沟道时，沿着沟道产生电压降，使沟道各点电位不电压降，使沟道各点电位不再相等，沟道不再均匀。靠再相等，沟道不再均匀。靠近源极端的耗尽层最窄，沟近源极端的耗尽层最窄，沟道最宽道最宽;靠近漏极端的电位靠近漏极端的电位最高，且与栅极电位差最大，最高，且与栅极电位差最大，因而耗尽层最宽，沟道最窄。因而耗尽层最宽，沟道最窄。由图可知，由图可知，UDS的主要作用的主要作用是形成漏极电流是形成漏极电流ID。2）UDS对导电沟道的影响对导电沟道的影响设栅源电压设栅源电压UGS=0（1）当）当UDS=0时，时，ID=0，沟道均匀，如图所示。，沟道均匀，如图所示。（3）当）当0UGSUGS(off)时，时，电流电流ID在零和最大值之间在零和最大值之间变化。变化。改变栅源电压改变栅源电压UGS的的大小，能引起管内耗尽层大小，能引起管内耗尽层宽度的变化，从而控制了宽度的变化，从而控制了电流电流ID的大小。的大小。场效应管场效应管和三极管一样，可看作是和三极管一样，可看作是受控电流源，但它是一种受控电流源，但它是一种电压控制的电流源电压控制的电流源。3）UDS和和UGS 共同作用的情况：共同作用的情况：设漏源间加有电压设漏源间加有电压UDS：当当UGS变化时，电流变化时，电流ID将随沟道电阻的变化而变化。将随沟道电阻的变化而变化。（1）当）当UGS=0时，沟道电阻最小，电流时，沟道电阻最小，电流ID最大。最大。（2）当）当|UGS|值增大时，耗尽层变宽，沟道变窄，值增大时，耗尽层变宽，沟道变窄，沟道电阻变大，电流沟道电阻变大，电流ID减小，减小，直至沟道被耗尽层夹断，直至沟道被耗尽层夹断，ID=0。DP+P+NGSUDSIDUGS预夹断预夹断UGS=UP夹断状态夹断状态ID=03）UDS和和UGS 共同作用的情况：共同作用的情况：转移特性曲线是指在一定漏源电压转移特性曲线是指在一定漏源电压UDS作用下，栅极电压作用下，栅极电压UGS对漏极电流对漏极电流ID的控制关系曲线，即：的控制关系曲线，即：ID/mA54321UGS/VUDS 10 VUGS(off)01234IDSS3.4常数GSUGSDUfI)(1）转移特性曲线）转移特性曲线VmAVUGGGUGSSDUDSUDDID测试电路：测试电路：特性曲线：特性曲线：4.4.结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线从转移特性曲线可知，从转移特性曲线可知，UGS对对ID的控制作用如下：的控制作用如下：ID/mA54321UGS/VUDS 10 VUGS(off)01234IDSS3.4VmAVUGGGUGSSDUDSUDDID（1）当）当UGS=0时，导电沟道最宽、沟道电阻最小。所以当时，导电沟道最宽、沟道电阻最小。所以当UDS为某为某一定值时，漏极电流一定值时，漏极电流ID最大，称为饱和漏极电流最大，称为饱和漏极电流,用用IDSS表示。表示。（2）当）当|UGS|值逐渐增大时，值逐渐增大时，PN结上的反向电压也逐渐增大，耗尽结上的反向电压也逐渐增大，耗尽层不断加宽，沟道电阻逐渐增大，漏极电流层不断加宽，沟道电阻逐渐增大，漏极电流ID逐渐减小。逐渐减小。（3）当）当UGS=UGS(off)时，沟道全部夹断，时，沟道全部夹断，ID=0。输出特性曲线是指在一定栅极电压输出特性曲线是指在一定栅极电压UGS作用下，作用下，ID与与UDS之间的关系曲之间的关系曲线，即：线，即：常数GSUGSDUfI)(2）输出特性曲线（或漏极特性曲线）输出特性曲线（或漏极特性曲线）ID/mA54321UDS/V010203.4V2 V1 VUGS0可变电阻区预夹断轨迹恒流区夹断区可分成以下几个工作区：可分成以下几个工作区：（1）可变电阻区）可变电阻区（2）恒流区（线性放大区）恒流区（线性放大区）（3）夹断区）夹断区（4）击穿区（当）击穿区（当UDS增加到一定增加到一定值时，值时，ID猛然增加，靠近漏极的猛然增加，靠近漏极的PN结击穿。）结击穿。）详情如下：详情如下：4.4.结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线 （1）可变电阻区。当）可变电阻区。当UGS不变，不变，UDS由零逐渐增加且较小时，由零逐渐增加且较小时，ID随随UDS的增加而线性上升，场效应管导电沟的增加而线性上升，场效应管导电沟道畅通。漏源之间可视为一个线性电道畅通。漏源之间可视为一个线性电阻阻RDS，这个电阻在，这个电阻在UDS较小时，主要较小时，主要由由UGS决定，所以此时沟道电阻值近似决定，所以此时沟道电阻值近似不变。而对于不同的栅源电压不变。而对于不同的栅源电压UGS，则，则有不同的电阻值有不同的电阻值RDS，故称为可变电阻，故称为可变电阻区。区。（2）恒流区（或线性放大区）。图）恒流区（或线性放大区）。图3.29中间部分是恒流区，在此区域中间部分是恒流区，在此区域ID不不随随UDS的增加而增加，而是随着的增加而增加，而是随着UGS的的增大而增大，输出特性曲线近似平行增大而增大，输出特性曲线近似平行于于UDS轴，轴，ID受受UGS的控制，表现出的控制，表现出ID/mA54321UDS/V010203.4V2 V1 VUGS0可变电阻区预夹断轨迹恒流区夹断区场效应管电压控制电流的放大作用，场效应管电压控制电流的放大作用，场效应管组成的放大电路就工作在场效应管组成的放大电路就工作在这个区域。这个区域。（3）夹断区。当）夹断区。当UGSU GS(off)时，时，场效应管的导电沟道被耗尽层全部场效应管的导电沟道被耗尽层全部夹断，由于耗尽层电阻极大，因而夹断，由于耗尽层电阻极大，因而漏极电流漏极电流ID几乎为零。此区域类似几乎为零。此区域类似于三极管输出特性曲线的截止区，于三极管输出特性曲线的截止区，在数字电路中常用做开断的开关。在数字电路中常用做开断的开关。（4）击穿区。当）击穿区。当UDS增加到一定增加到一定值时，漏极电流值时，漏极电流ID急剧上升，靠近急剧上升，靠近漏极的漏极的PN结被击穿，管子不能正结被击穿，管子不能正常工作，甚至很快被烧坏。常工作，甚至很快被烧坏。ID/mA54321UDS/V010203.4V2 V1 VUGS0可变电阻区预夹断轨迹恒流区夹断区const.DSDGS)(vvfi转移特性转移特性 const.GSDDS)(vvfi)0()1(GSP2PGSDSSD vVVvIi 输出特性输出特性 VP夹断区4.4.结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线5.5.场效应管的主要参数场效应管的主要参数（1）夹断电压）夹断电压VP（或或VGS(off)）VP 是是MOS耗尽型和结型耗尽型和结型FET的参数，当的参数，当VGS=VP时时,漏极电流为零。漏极电流为零。（2）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VGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。（3）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107，MOS场效应管场效应管,RGS可达可达1091015。（4）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)。（5）最大漏极功耗最大漏极功耗PDM PDM=VDS ID，与双极型三极管的，与双极型三极管的PCM相当。相当。5.5.场效应管的主要参数场效应管的主要参数5.5.场效应管的主要参数场效应管的主要参数BJT 和和 FET 对照：对照：比较内容比较内容场效应管场效应管双极型晶体管双极型晶体管备注备注导电方式导电方式一种一种两种两种控制方式控制方式电压控制电压控制电流控制电流控制电极名称电极名称GDSBCED、S 有互换性有互换性电路组态电路组态CSCDCGCECCCB控制因子控制因子低频跨导低频跨导gm电流放大系数电流放大系数导电类型导电类型P沟道沟道N沟道沟道PNPNPN输入电阻输入电阻很高很高107-15较低，较低，1K左右左右温度特性温度特性很好很好较差（少子影较差（少子影响）响）抗辐射性抗辐射性很好很好较差较差1.直流偏置电路：直流偏置电路：三、场效应管放大电路三、场效应管放大电路（1）自）自偏压电路偏压电路vGSvGS=-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。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。计算计算Q点：点：VGS、ID、VDSvGS=2PGSDSSD)1(VvIi VDS=VDD-ID(Rd+R)已知已知VP，由，由-iDR可解出可解出Q点的点的VGS、ID、VDS（2）分压式自）分压式自偏压电路偏压电路SGGSVVVRIVRRRDDDg2g1g22PGSDSSD)1(VvIIVDS=VDD-ID(Rd+R)可解出可解出Q点的点的VGS、ID、VDS 计算计算Q点：点：已知已知VP，由，由RIVRRRVDDDg2g1g2GS该电路产生的栅源电压可正该电路产生的栅源电压可正可负，所以适用于所有的场可负，所以适用于所有的场效应管电路。效应管电路。三、场效应管放大电路三、场效应管放大电路2.2.场效应管的交流小信号模型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，而在交流小与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件，而在交流小信号情况下，也可以由它的线性等效电路信号情况下，也可以由它的线性等效电路交流小信号模型来代替。交流小信号模型来代替。其中：其中：rgs是输入电阻，理论值为无穷大。是输入电阻，理论值为无穷大。gmvgs是压控电流源，它体现了输入电压对输出电流的控制作用。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。称为低频跨导。rd为输出电阻，类似于双极型晶体管的为输出电阻，类似于双极型晶体管的rce。三、场效应管放大电路三、场效应管放大电路3.3.共源放大电路共源放大电路三、场效应管放大电路三、场效应管放大电路分析：分析：（1）画出画出共源共源放大电路的放大电路的交流小信号等效电路交流小信号等效电路。（2）求）求电压放大倍数电压放大倍数（3）求）求输入电阻输入电阻（4）求）求输出电阻输出电阻忽略忽略 rd iVgsVRVggsm)1(mgsRgV oVdgsmRVg VARgRgmdm1 由输入输出回路得由输入输出回路得则则则则)/(g2g1g3iRRRR doRR 由于由于rgs=三、场效应管放大电路三、场效应管放大电路4.4.共漏放大电路共漏放大电路三、场效应管放大电路三、场效应管放大电路（2）电压放大倍数）电压放大倍数（3）输入电阻）输入电阻 iVgsV)/(LgsmRRVg oV)/(LgsmRRVgVA)/(1)/(LmLmRRgRRg 得：得：)/(g2g1g3iRRRR 分析：分析：（1 1）画）画交流小信号等效电路。交流小信号等效电路。由由ioVV1 三、场效应管放大电路三、场效应管放大电路（4 4）输出电阻）输出电阻OIRIgsmVg RVO gsVOV oRm11gR 所以所以由图有：由图有：OOIVgsmVg m1/gR 三、场效应管放大电路三、场效应管放大电路4.4.共漏放大电路共漏放大电路