第四章 场效应管放大电路

场效应管是一种利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，是仅由一种载流子参与导电的半导体器件。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：

结型N 沟道

P 沟道

MOS 型N 沟道

P 沟道

增强型耗尽型

增强型耗尽型

§4.1 绝缘栅型场效应管 ( Insulated Gate Field Effect Transister)

绝缘栅型场效应管 IGFET 有称金属氧化物场效应管 M

OSFET( Metal Oxide Semiconductor FET) 是一种利用半导体表面的电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极电流的器件，它的栅极与半导体之间是绝缘的，其电阻大于 109

。增强型： VGS=0 时，漏源之间没有导电沟道，

在 VDS 作用下无 iD 。

耗尽型： VGS=0 时，漏源之间有导电沟道， 在 VDS 作用下 iD 。

1. 结构和符号（以 N 沟道增强型为例）

N 沟道增强型 MOSFET 拓扑结构左右对称，是在一块浓度较低的 P 型硅上生成一层 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 型区引出电极作为 D 和 S, 在绝缘层上镀一层金属铝并引出一个电极作为 GD(Drain): 漏极，相当 c G(Gate): 栅极，相当 b S(Source): 源极，相当 eB(Substrate): 衬底

2. 工作原理（以 N 沟道增强型为例）

(a) VGS=0 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，不管VDS 极性如何，其中总有一个 PN 结反向，所以不存在导电沟道。 VGS =0 ， ID =0

VGS 必须大于 0

管子才能工作。

（ 1 ）栅源电压 VGS 的控制作用

（ 1 ）栅源电压 VGS 的控制作用

（ b ）当栅极加有电压时，若0 ＜ VGS ＜ VGS(th) （ VT 称为开启电压 ) 时，在 Sio2 介质中产生一个垂直于半导体表面的电场，排斥 P 区多子空穴而吸引少子电子。 但由于电场强度有限，吸引到绝缘层的少子电子数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流 ID 。0 ＜ VGS ＜ VT ， ID=0

（ 1 ）栅源电压 VGS 的控制作用

(c) 进一步增加 VGS ，当 VGS ＞ VT

时，由于此时的栅极电压已经比较强，栅极下方的 P 型半导体表层中聚集较多的电子，将漏极和源极沟通，形成沟道。如果此时VDS>0 ，就可以形成漏极电流 ID 。在栅极下方导电沟道中的电子，因与 P 型区的载流子空穴极性相反，故称为反型层。随着 VGS 的继续增加，反型层变厚， ID 增加VGS >0g 吸引电子反型层导电沟道VGS 反型层变厚 VDS ID

（ 2 ）漏源电压 VDS 对漏极电流 ID 的控制作用

（ a ）如果 VGS ＞ VT 且固定为某一值，VDS=VDG ＋ VGS= － VGD ＋ VGS

VGD=VGS － VDS

VDS 为 0 或较小时， VGD=VGS － VDS ＞ VT ，沟道分布如图，此时 VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。这时， ID 随 VDS 增大。

VDS ID

（ 2 ）漏源电压 VDS 对漏极电流 ID 的控制作用

（ 2 ）漏源电压 VDS 对漏极电流 ID 的控制作用

（ b ）当 VDS 增加到使 VGD=V

T 时，沟道如图所示，靠近漏极的沟道被夹断，这相当于 V

DS 增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。

（ 2 ）漏源电压 VDS 对漏极电流 ID 的控制作用

VDS ID 不变

（ c ）当 VDS 增加到 VGDVT 时，沟道如图所示。此时预夹断区域加长，向 S 极延伸。 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

ID=f(VGS)VDS=const

转移特性曲线

iD

vGS /V

ID=f(VDS)VGS=const

输出特性曲线

vDS /V

iD

3. 特性曲线（以 N 沟道增强型为例）

值时的是在恒流区， DTGSDT

GSDD ivI

V

vIi V2 )1-( 0

20

转移特性曲线的斜率 gm 的大小

反映了栅源电压 VGS 对漏极电流

ID 的控制作用。 gm 的量纲为 m

A/V ，称为跨导。

gm=ID/VGS VDS=const

输出特性曲线

vDS /V

iD(1) 截止区（夹断区）VGS< VT 以下区域就是截止区VGS VT ID=0

(2) 放大区（恒流区）产生夹断后， VDS 增大， ID 不变的区域， VGS -VDS VP VDSID 不变处于恒流区的场效应管相当于一个压控电流源(3) 饱和区（可变电阻区）未产生夹断时， VDS 增大， ID 随着增大的区域VGS -VDS VP VDSID处于饱和区的场效应管相当于一个压控可变电阻

4. 其它类型 MOS 管

（ 1 ） N 沟道耗尽型： N 沟道耗尽型 MOSFET 的结构和符号如图所示，制造时在栅极下方的绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当 VGS=0 时，这些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。

各种类型 MOS 管的特性曲线

绝缘栅场效应管

N沟道增强型

P沟道增强型

各种类型 MOS 管的特性曲线

绝缘栅场效应管

N沟道耗尽型

P 沟道耗尽型

5. 场效应管的主要参数

(1) 开启电压 VT ：在 VDS 为一固定数值时，能产生 ID 所需要的

最小 |VGS | 值。（增强）(2) 夹断电压 VP ：在 VDS 为一固定数值时，使 ID 对应一微小电流

时的 |VGS | 值。（耗尽）(3) 饱和漏极电流 IDSS ：在 VGS = 0 时， VDS > |VP | 时的漏 极电流。（耗尽）

(4) 极间电容 ：漏源电容 CDS约为 0.1~1pF ，栅源电容 CGS 和栅

漏极电容 CGD约为 1~3pF 。

场效应管的主要参数

(5) 低频跨导 gm ：表示 vGS 对 iD 的控制作用。

DSGS

Dm V

vd

idg

=

在转移特性曲线上， gm 是曲线在某点上的斜率，也可由iD 的表达式求导得出，单位为 S 或 mS 。

(6) 最大漏极电流 IDM

(8) 漏源击穿电压 V(BR)DS

栅源击穿电压 V(BR)GS

(7) 最大漏极耗散功率 PDM

场效应三极管的型号

场效应三极管的型号 , 现行有两种命名方法。其一是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 沟道场效应三极管， 3DO6C 是绝缘栅型 N 沟道场效应三极管。

第二种命名方法是 CS××# ， CS代表场效应管， ×× 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。例如CS14A 、 CS45G等。

几种常用的场效应三极管的主要参数见表

参 数 型号

PDM mW

IDSS

mA VRDS

V VRGS

V VP

V gm

mA/ V fM

MHz

3DJ2D 100 <0.35 >20 >20 -4 ≥ 2 300 3DJ7E 100 <1.2 >20 >20 -4 ≥ 3 90 3DJ15H 100 6～11 >20 >20 -5.5 ≥ 8 3DO2E 100 0.35～1.2 >12 >25 1000 CS11C 100 0.3～1 -25 -4 ≥ 2

§4. 2 结型场效应管 (Junction type Field Effect Transister)

1. N 沟道结型场效应管的结构和符号 结型场效应管是一种利用耗尽层宽度改变导电沟道的宽窄来控制漏极电流的大小的器件。它是在 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。 P 区即为栅极 g(G) ， N 型硅的一端是漏极 d(D) ，另一端是源极 s(S) 。箭头方向表示栅结正偏或正偏时栅极电流方向。

2. 工作原理

ID

（ 1 ） VGS 对导电沟道的影响：

VP(VGS(OFF) ) ：夹断电压

栅源之间是反偏的 PN 结，RGS>107 ，所以 IG=0

(a) VGS=0 ， VDS=0 ， ID=0

结型场效应管没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下。 N 沟道结型场效应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。

N 沟道结型场效应管工作原理：

工作原理

(c) |VGS | = VP ，导电沟道被全夹断

(b) 0< VGS < VP

VGS 耗尽层变宽

VGS 控制导电沟道的宽窄，即控制 ID 的大小。

工作原理

（ 2 ） VDS>0 但 |VGS-VDS| < | VP | ，时

(a) VDS 增加， d端电位高， s端电位低，导电沟道内存在电位梯度，所以耗尽层上端变宽。

VDS ID

ID

工作原理

(b)| VGS- VDS | = | VP | 时，导电沟道在 a点相遇，沟道被夹断。

VGS=0 时，产生夹断时的 ID 称为漏极饱和电流 IDSS

ID

工作原理

(c) VDS 夹端长度 场强

ID=IDSS 基本不变。

ID

3. 特性曲线

VDS=10V 时的转移特性曲线

IDSS 是在 VGS = 0 ， VDS > |VP |

时的漏极电流2 )-1(

P

GSDSSD V

vIi

当 |vGS - vDS | | vP | 后，管子工作在恒流区， vDS 对 iD 的影响很小。实验证明，当 |vGS - vDS | | VP | 时， iD 可近似表示为：

双极型和场效应型三极管的比较

双极型三极管 场效应三极管结构 NPN 型

PNP 型结型耗尽型 N 沟道 P 沟道绝缘栅增强型 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 与可倒置使用载流子 多子扩散少子漂移 多子漂移控制 电流控制电流源 CCCS(β) 电压控制电流源 VCCS(gm)

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

4.3 场效应管应用

例 1 ：作反相器用。 |Vp1|=|Vp2|=VT 0<|VT|<Vdd

Tp:p沟道增强型， Tn:n沟道增强型Vi=+Vdd 时：Tp:VGSp=0>VT ，截止 Tn:VGSn=Vdd>VT ，导通Vo= 0

Vi= 0 时：Tp:VGSp=-Vdd<VT ，导通Tn:VGSn=0<VT ，截止Vo= +VddTn

s

Vi

Tps

VoVi

V

o

+Vdd

Tp

Tn

场效应管应用

例 2 ：压控电阻

场效应管工作在可变电阻区时， iD 随 vDS 的增加几乎成线性增大，而增大的比值受 vGS 控制。所以可看成是受 vGS 控制的电阻。

20K

5Vd

+

_vo

vivi

vo

§4.4 场效应管放大电路

场效应管的小信号模型

共源极放大电路

共漏极放大电路

共栅组态基本放大电路

4.4.1 场效应管的小信号模型

DSds

GSmD dvr

dvgdi1

),(= DSGSD vvfi已知场效应管输出特性表达式：

DSV

DS

DGSV

GS

DD dv

v

idv

v

idi GSDS

求全微分 :

ds

V

DS

D

rv

iGS

1

漏极与源极间等效电阻

ds

ds

gsm Vr

VgI d

1变化量

mV

GS

D gv

iDS

其中： 低频跨导 , 可从输出曲线上求出

场效应管的小信号模型

一般 rds很大，可忽略，得简化小信号模型 :

4.4.2 共源极放大电路

以 NMOS 增强型场效应管为例

三极管 共射极(b)

共集电极(c)

共基极(b)

场效应管 共源极(s)

共漏极(d)

共栅极(g)

三极管与场效应管三种组态对照表：

电路组成

比较共源和共射放大电路，它们只是在偏置电路和受控源的类型上有所不同。只要将微变等效电路画出，就是一个解电路的问题了。

图中 Rg1 、 Rg2 是栅极偏置电阻， Rs 是源极电阻， Rd 是漏极负载电阻。与共射基本放大电路的 Rb1 、 Rb2 ， Re 和 Rc 分别一一对应。而且只要结型场效应管栅源间 PN 结是反偏工作，无栅流，那么 JFET 和 MOSFET 的直流通道和交流通道是一样的。

直流分析（估算法）

直流通路

直流分析 (估算法）：

VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)

VGS= VG － VS= VG － IDR

ID= IDSS[1 － (VGS /VP)]2

VDS= VDD － ID(Rd+R)

解出 VGS 、 ID 和 VDS 。

交流分析

微变等效电路

RV

IR Ri

i

i

g1 g2/ / .

.

4.4.3 共漏极放大电路

直流分析VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)

VGS= VG － VS= VG － IDR

ID= IDSS[1 － (VGS /VP)]2

VDS= VDD － IDR

由此可以解出 VGS 、 ID 和 VDS

。

与三极管共集电极电路对应

直流通路：

交流分析

)//( g2g1gi RRRR

1'1

'

)//(

)//(

Lm

Lm

Lgsmgs

Lgsm

i

o

Rg

Rg

RRVgV

RRVg

V

VAv

)(s

osivv

si

ivs RRAA

RR

R

V

VA

输出电阻

Rg

R

gR

I

VR

VV

gRVVg

R

VI

mmo

oo

gso

mogsm

oo

1

1//

'

'

'

]1

//[''

'

4.4.4 共栅极放大电路

Ro≈Rdm

mgsmgs

gs

i

ii

1//

11

gR

gRVg

R

V

V

I

VR

LmLdmgs

Ldgsm

i

o ')//()//(

RgRRgV

RRVg

V

VAv

例题 1 共源

已知：gm=0.3mA/V

IDSS=3mA

VP=-2V解：静态分析：VGS=-RID

ID= IDSS[1 － (VGS /VP)]2

代入参数得：3ID

2-7ID+3=0

IDQ=0.57mA ID=1.77mA （不合理，舍去）VGSQ=-1.14V VDSQ=VDD-ID(Rd+R)=8.31V

+

vi

-

C1

0.01uQ

Rg

10MR2K

Rd

15K

RL

18K

C2

0.1u

C3

10u

VDD

18V

+

vo

-

例题 1 解

动态分析：

Ri=Rg=10MΩ

Ro=Rd=15KΩ

LdLLgsmo

gsmgsi

RRRRVgV

RVgVV

//''

53.11

')//(

m

Lm

gsmgs

Lgsm

i

o

Rg

Rg

RVgV

RRVg

V

VAv

例题 2 多级放大电路

已知： VBE=0.6V,

=120, gm=3mA/V, VP

=-2V, IDSS=4mA

+

vi

-

Q1

Q2

Q3

Rg

10MRs

2k

Rd

15k

RC2

12k

Re1

200

Re2

20k

Re3

3.6k

RL

2kC1

C2

VCC

15V

+

vo

-

解：静态分析：VGS=-RsID

ID= IDSS[1 － (VGS /VP)]2

代入参数得：4ID

2-9ID+4=0

ID=0.61mA

ID=1.64mA （舍去）VGS=-1.22V

VD≈VCC-IDRd=5.85V

（忽略 IB2 ）

IE2= (VD － VBE2)/(Re1+Re2)

=0.26mA

VC2≈VCC-IE2RC2=11.88V （忽略 IB3 ）IE3= (VC2 － VBE3)/Re3=3.13mA

VCE2≈VCC-IE3Re2=3.72V

rbe2=12.9k

rbe3=1.2k

例题 2 解

动态分析：Ri=Rg=10M

Ri2= rbe2+(1+ )Re1

=37.1kRi3= rbe3 +(1+ )Re3//RL

=156k+

vi

-

Q1

Q2

Q3

Rg

10MRs

2k

Rd

15k

RC2

12k

Re1

200

Re2

20k

Re3

3.6k

RL

2kC1

C2

VCC

15V

+

vo

-

6.41

//

m

2dm1

Rg

RRgA i

v

36)1(

//

12

3C22

ebe

iv Rr

RRA

1)1(

)1('

3

'

2

Lbe

Lv Rr

RA

165321 vvvv AAAA