5 场效应管放大电路 5.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管 5.2 MOSFET放大电路 5.3 结型场效应管（JFET）

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1 5 场效应管放大电路 5.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管 5.2 MOSFET放大电路 5.3 结型场效应管（JFET）
*5.4 砷化镓金属-半导体场效应管 5.5 各种放大器件电路性能比较

2 场效应半导体三极管是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。
场效应管的分类： N沟道 增强型 P沟道 MOSFET 绝缘栅型 N沟道 FET 场效应管 耗尽型 P沟道 N沟道 JFET 结型 （耗尽型） P沟道

3 5.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管 5.1.1 N沟道增强型MOSFET 5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET
P沟道MOSFET 沟道长度调制效应 MOSFET的主要参数

4 5.1.1 N沟道增强型MOSFET 1. 结构（N沟道增强型）
基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。 动画 L ：沟道长度 W ：沟道宽度 tox ：绝缘层厚度 通常 W > L

5 # 符号中的箭头方向表示什么？短画线表示什么？
D(Drain)为漏极，相当c； G(Gate)为栅极，相当b； S(Source)为源极，相当e。 剖面图 # 符号中的箭头方向表示什么？短画线表示什么？ 箭头方向表示由P（衬底）指向N（沟道）。短画线表示未加栅压时，漏源间没有导电沟道。（P199）

6 MOSFET：利用VGS控制半导体表面的电场效应，通过改变感生沟道的宽窄来控制iD 。
增强型 →N沟道、P沟道 耗尽型 →N沟道、P沟道 耗尽型：vGS=0，iD ≠ 0 增强型：vGS=0，iD＝0

7 2. 工作原理（N沟道增强型） （1）vGS对沟道的控制作用(vDS一定) 当vGS=0时
当VGS=0 V时，漏源之间形成两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压，总有一个PN结是反偏的，不会在D、S间形成电流。iD=0。

8 （1）vGS对沟道的控制作用(vDS一定)
当0<vGS <VT 时 栅极和衬底相当于以SiO2为介质的平板电容，在正的栅源电压作用下产生由栅极指向衬底的强电场，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，吸引少子（电子）向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以仍然不足以形成漏极电流iD。

9 VT 称为开启电压 （1）vGS对沟道的控制作用(vDS一定) 当vGS≥VT 时
进一步增加VGS，当VGS＞VT时，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，在衬底表面形成N型薄层，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称这个N型薄层为反型层。这个反型层实际上是源极和漏极间的导电沟道，由于是栅源间正电压感应产生的，也称感生沟道。随着VGS的继续增加，ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0，只有当VGS＞VT后才会出现漏极电流，这种MOS管称为N沟道增强型MOS管。

10 转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 gm 的量纲为mA/V，所以gm也称为跨（互）导。
（1）vGS对沟道的控制作用(vDS一定) 转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 gm 的量纲为mA/V，所以gm也称为跨（互）导。 动画

11 （2）vDS对沟道的控制作用(vGS一定)
vDS较小时，相当VGD=VGS-VDS＞VT 或 VDS<VGS-VT vDS基本均匀降落在沟道中，沟道呈楔形分布。越靠近漏端，反型层越薄。在紧靠漏极处，沟道达到开启的程度以上，漏源之间有电流通过。 vDS  iD 沟道电位梯度 靠近漏极d处的电位升高 电场强度减小 沟道变薄

12 （2）vDS对沟道的控制作用(vGS一定)
当vDS增加到使VGD=VT时， 相当于vDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断，此时的漏极电流iD基本饱和。 在预夹断处：VGD=VGS-VDS =VT 或 VDS=VGS-VT

13 （2）vDS对沟道的控制作用(vGS一定)
当vDS增加到VGDVT时，相当于 VDS>VGS-VT 预夹断区域加长，伸向S极。沟道电阻增加，vDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， iD基本趋于不变。 预夹断后，vDS 夹断区延长 沟道电阻  iD基本不变

14 （3） vDS和vGS同时作用时 vDS一定,vGS变化时,iD – vGS曲线。 vGS一定,vDS变化时,iD – vDS 曲线。 动画

15 3. V-I 特性曲线及大信号特性方程 （1）输出特性及大信号特性方程 ① 截止区 当vGS＜VT时，导电沟道尚未形成，iD＝0，为截止工作状态。

16 输出电阻rdso是一个受vGS控制的可变电阻
② 可变电阻区 vDS≤（vGS－VT） 输出电阻rdso是一个受vGS控制的可变电阻 式中Kn为电导常数,与场效应管的沟道长度,和宽度等参数有关,单位为mA/ V2。

17 vGS >VT ，且vDS≥（vGS－VT）
③ 饱和区 （恒流区又称放大区） vGS >VT ，且vDS≥（vGS－VT） V-I 特性： 是vGS＝2VT时的iD iD基本不随vDS变化，输出电阻大。

18 （2）转移特性 饱和区内不同vDS曲线基本重合 线性性较好。

19 5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET 1. 结构和工作原理简述（N沟道） 二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子
可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流

20 N沟道耗尽型MOSFET是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当vGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。当vGS＞0时，将使iD进一步增加。vGS＜0时，随着vGS的减小漏极电流逐渐减小，直至iD=0。对应iD=0的vGS称为夹断电压，用符号VP表示。

21 2. V-I 特性曲线及大信号特性方程 饱和漏极电流 夹断电压 （N沟道增强型）

22 P沟道MOSFET P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET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。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。

23 沟道长度调制效应 实际上饱和区的曲线并不是平坦的 修正后 L的单位为m 当不考虑沟道调制效应时，＝0，曲线是平坦的。

24 5.1.5 MOSFET的主要参数 一、直流参数 ① 开启电压VGS(th) (或VT) 开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于
开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。 ② 夹断电压VGS(off) (或VP) 夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VGS(off) 时,漏极电流为零。 ③ 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管, 当VGS=0时所对应的漏极电流。 ④ 输入电阻RGS 场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω，对于绝缘栅型场效应三极管, RGS约是109～1015Ω。

25 二、交流参数 低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用相似。gm可以在转 移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。随管子的工作点不同而改变，是FET小信号建模的重要参数。 （增强型） gm=2Kn(VGS－VT)

26 三、极限参数 1. 最大漏极电流IDM 2. 最大耗散功率PDM= VDS ID决定，与双极型三极管的PCM相当。 3. 最大漏源电压V（BR）DS 4. 最大栅源电压V（BR）GS

27 5.2 MOSFET放大电路 5.2.1 MOSFET放大电路 *5.2.2 带PMOS负载的NMOS放大电路
1. 直流偏置及静态工作点的计算 2. 图解分析 3. 小信号模型分析 * 带PMOS负载的NMOS放大电路

28 5.2.1 MOSFET放大电路 1. 直流偏置及静态工作点的计算（VGS、ID、VDS) （1）简单的共源极放大电路（N沟道增强型）
直流通路

29 假设工作在饱和区，即 *再假设工作在可变电阻区 即 验证是否满足 须满足VGS > VT ，否则工作在截止区
如果不满足，则说明假设错误

30 例： 设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k， VDD=5V， VT=1V， 试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ 。 解： 假设工作在饱和区 满足 假设成立，结果即为所求。

31 （2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路 }联立求解 饱和区 需要验证是否满足

32 （3）电流源偏置共源极放大电路 静态时，vI＝0，VG ＝0，ID ＝I （饱和区） VS ＝ VG － VGS VDS ＝ VDD －IDRd－ VS 需要验证是否满足 电流源偏置

33 2. 图解分析 由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同

34 3. 小信号模型分析 （1）模型（工作在饱和区） 非线性失真项 静态值 （直流） 动态值 （交流） 当vgs<< 2(VGSQ- VT )时(必须满足的小信号条件）

35 0时 高频小信号模型 式中gm=2Kn(VGS－VT)

36 （2）放大电路分析（例5.2.5 共源电路） 解：例5.2.2的直流分析已求得：

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38 例5.2.6（共漏电路，源极输出器）

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40 交流参数归纳如下 共源极电路（对应共射电路） ①电压放大倍数 ②输入电阻 ③输出电阻
Ri=Rg1//Rg2 或 Ri=Rg+(Rg1//Rg2) ③输出电阻

41 共漏极电路（对应共集电路） ①电压放大倍数 ②输入电阻 Ri=Rg+(Rg1//Rg2) ③输出电阻

42 共栅极电路（对应共基电路） ①电压放大倍数 . ②输入电阻 ③输出电阻 Ro≈Rd

43 * 带PMOS负载的NMOS放大电路 本小节不作教学要求，有兴趣者自学

44 5.3 结型场效应管 5.3.1 JFET的结构和工作原理 5.3.2 JFET的特性曲线及参数
5.3 结型场效应管 5.3.1 JFET的结构和工作原理 5.3.2 JFET的特性曲线及参数 5.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法

45 JFET的结构和工作原理 1. 结构 在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。两个高掺杂P+区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。 # 符号中的箭头方向表示什么？ 栅结正偏时栅极电流的方向（从P到N）

46 2. 工作原理 （以N沟道JFET为例） 根据结型场效应三极管的结构，要实现控制作用，只能工作在反偏的条件下。对于N沟道结型场效应三极管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区。否则将会出现栅流。

47 ① vGS对沟道的控制作用（VDS不变） 当VGS=0时，在漏、源之间加有一定电压时，在漏源间将形成N沟道多子（电子）由源极向漏极的运动，产生漏极电流iD。 当VGS＜0时 PN结反偏 耗尽层加厚 沟道变窄。  沟道电阻增加，iD减小。 VGS继续减小， iD继续减小，沟道继续变窄 当VGS↓= VP（夹断电压），耗尽层在中间合拢，iD=0。此时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP （ 或VGS(off) ）。 对于N沟道的JFET，VP <0。

48 本质：输入电压VGS控制输出电流iD。

49 ② vDS对沟道的控制作用 当vGS=0时， vDS  iD 
g、d间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。 当vDS增加到使vGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断。 此时vDS   夹断区延长  沟道电阻  iD基本不变

50 当VP <vGS<0 时，导电沟道更容易夹断，
③ vGS和vDS同时作用时 当VP <vGS<0 时，导电沟道更容易夹断， 对于同样的vDS ， iD的值比vGS=0时的值要小。 在预夹断处 vGD=vGS-vDS =VP JFET是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。 工作原理动画

51 综上分析可知 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。
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。 JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因 此iG0，输入电阻很高。 JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制。 预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于饱和。 # 为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？

52 JFET的特性曲线及参数 1. 输出特性 2. 转移特性 (VP≤vGS≤0)

53 5.3.2 JFET的特性曲线及参数 3. 主要参数 与MOSFET类似 ① 夹断电压VP (或VGS(off))：
3. 主要参数 与MOSFET类似 ① 夹断电压VP (或VGS(off))： 漏极电流约为零时的VGS值 。 ② 饱和漏极电流IDSS： VGS=0时对应的漏极电流。 ③ 低频跨导gm： 低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。 或 ④ 输出电阻rd：

54 ⑤ 直流输入电阻RGS： 对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω。 ⑥ 最大漏源电压V(BR)DS ⑦ 最大栅源电压V(BR)GS ⑧ 最大漏极功耗PDM

55 对于JFET放大电路，除了可采用MOS管放大电路的偏置电路外，还可采用自偏压电路。
1、直流分析 对于JFET放大电路，除了可采用MOS管放大电路的偏置电路外，还可采用自偏压电路。 注意：该偏置电路不适用于增强型FET

56 2、 JFET小信号模型 （1）低频模型

57 （2）高频模型

58 3、动态指标分析 （1）中频小信号模型

59 （2）中频电压增益 由输入输出回路得 忽略 rds ， 则 （3）输入电阻 （4）输出电阻

60 5.5 各种放大器件电路性能比较 1、各种伏安特性曲线比较 使用注意事项（P236)
5.5 各种放大器件电路性能比较 1、各种伏安特性曲线比较 场效应三极管的特性曲线类型比较多，根据导电沟道的不同以及是增强型还是耗尽型可有六种转移特性曲线和输出特性曲线，其电压和电流方向也有所不同。（P237） 使用注意事项（P236)

61 2、双极型和场效应型三极管的比较 双极型三极管 场效应三极管
双极型三极管 场效应三极管 结构 NPN型 结型耗尽型 N沟道 P沟道 PNP型 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道 绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道 C与E一般不可倒置使用 D与S有的型号可倒置使用 载流子 多子扩散少子漂移 多子漂移 输入量 电流输入 电压输入 控制 电流控制电流源CCCS(β) 电压控制电流源VCCS(gm)

62 双极型三极管 场效应三极管 噪声 较大 较小 温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点 输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上 静电影响 不受静电影响 易受静电影响 集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成

63 3、各种放大器件电路性能比较 表4.5.1 表5.2.1

64 组态对应关系： BJT FET CE CS CC CD 电压增益： CB CG BJT FET CS： CE： CD： CC： CB： CG：

65 输入电阻： BJT FET CE： CS： CC： CD： CB： CG： 输出电阻： CE： CS： CC： CD： CB： CG：

66 例题 1、放大电路如图所示。已知 试求电路的中频增益、输入电阻和输出电阻。 解： 画中频小信号等效电路

67 根据电路有 则 则电压增益为 由于

68 求：总电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。
例题 2、设 gm=3mA/V，=50，rbe = 1.7k +VCC RS 3M (+24V) R1 20k 10k C2 C3 R4 R3 RL RE2 82k 43k 8k C1 RC T1 RE1 CE2 T2 CE1 RD R2 1M 后级:晶体管共射极放大器 前级:场效应管共源极放大器 求：总电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。

69 Ri2= R3// R4// rbe=82//43//1.7=1.7 k
（1）估算各级静态工作点: （略） （2）动态分析: 微变等效电路 R3 R4 RC RL RS R2 R1 RD rbe g d s + _ 首先计算第二级的输入电阻： Ri2= R3// R4// rbe=82//43//1.7=1.7 k

70 第二步：计算电压放大倍数 R3 R4 RC RL RS R2 R1 RD rbe g d s + _

71 第二步：计算电压放大倍数 Av=Av1Av2 =(-4.4) (-147) =647 R3 R4 RC RL RS R2 R1 RD
rbe g d s + _ Av=Av1Av2 =(-4.4) (-147) =647

72 第三步：计算输入电阻、输出电阻 Ri=R1//R2=3//1=0.75M  Ro=RC=10k  R3 R4 RC RL RS R2
RD rbe g d s + _ Ri=R1//R2=3//1=0.75M  Ro=RC=10k  end