1、2019/6/15,1,第四章,场效应晶体管及其放大电路,4.1 单极型晶体管 4.2 场效应管基本放大电路 4.3 应用电路介绍,60年代初，出现了一种利用改变电场强弱来控制固体材料的导电能力半导体器件，称为场效应晶体管，简称场效应管。它是电压控制型器件。与双极型三极管相比，无论是内部的导电机理还是外部的特性曲线，二者都截然不同。 场效应管属于一种新型的半导体器件，尤为突出的是：场效应管具有高达1071015的输入电阻，几乎不取用信号源提供的电流，因而具有功耗小、噪声小、体积小、抗幅射、热稳定性好、制造工艺简单且易于集成化等优点。根据结构的不同，场效应管可分为结型和绝缘栅型两大类，它们都只有
2、一种载流子(多数载流子)参与导电，故又称为单极型三极管。其中绝缘栅型应用更为广泛。,简介,4.1 单极型晶体管 （FET）,绝缘栅型场效应管的结构是金属氧化物半导体，简称为MOS管。MOS管可分为N沟道和P沟道两种，每一种又可分为增强型与耗尽型两种型式。本节将以N沟道为例，说明绝缘栅型场效应管的结构和工作原理。,4.1.1 场效应管的结构和外部特性,1. N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构,图4-1,（1）工作原理,增强型MOS管的源区(N+)、衬底(P型)和漏区(N+)三者之间形成了两个背靠背的PN+结，漏区和源区被P型衬底隔开。当栅-源之间的电压 时，不管漏源之间的电源 极性如何，总有一个P
3、N+结反向偏置，此时反向电阻很高，不能形成导电通道。若栅极悬空，即使漏源之间加上电压 ，也不会产生漏极电流 ，MOS管处于截止状态。,1) 导电沟道的形成,当 足够大时，由于静电场作用，管子的漏极和源极之间将产生一个导电通道(称为沟道)，极间等效电阻较小。,越大，导电沟道宽度越宽，等效电阻越小。,产生导电沟道所需的最小栅源电压我们称为开启电压 。改变栅源电压，就可以改变导电沟道的宽度。,上述这种在时没有导电沟道，因而必须在时才形成导电沟道的场效应管称为增强型场效应管。,图4-2,2）漏源间电压好栅源电压 对漏极电流 的影响,当 时，若在漏-源之间加上正向电压时，则将产生一定的漏极电流。此时，
4、的变化会对导电沟道产生影响。即当 较小时， 的增大使 线性增大，沟道沿源-漏方向逐渐变窄，如图4-3 a)所示。一旦 增大到使 时，沟道在漏极一侧出现夹断点，称为预夹断，如果 继续增大，夹断区随之延长，如图(b)所示。,图4-3,2）漏源间电压好栅源电压 对漏极电流 的影响,而且 的增大部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力。,此时， 几乎不因 的增大而变化，管子进入恒流区， 几乎仅决定于 。,在 时，对应于每一个 就有一个确定的 。此时，可将 视为电压 控制的电流源。,（2）特性曲线与电流方程,转移特性曲线是描述当 保持不变时，输入电压 对输出电流 的控制关系，所以称为转移特性，如图4-
5、4 a)所示。,1) 转移特性曲线,图4-4,当 时， ；当 时，通电沟道开始形成，随着 的增大，沟道加宽， 也增大。,与 的关系，可用下式近似表示,其中 是 时的 值。,2) 输出特性曲线,图4-4b)是N沟道增强型MOS管的输出特性曲线，输出特性曲线可分为下列几个区域。,图4-4, 可变电阻区,很小时，可不考虑 对沟道的影响。于是 一定时，沟道电阻也一定，故 与 之间基本上是线性关系。,越大，沟道电阻越小，故曲线越陡。在这个区域中，沟道电阻由 决定，故称为可变电阻区。,2) 输出特性曲线, 恒流区, 截止区,图中所示曲线近似水平的部分即是恒流区，它表示当时， 与漏极电流 间的关系。,该区的
6、特点是 几乎不随 的变化而变化， 已趋于饱和，具有恒流性质。所以这个区域又称饱和区。,当 增大一定值以后，漏源之间会发生击穿，漏极电流 急剧增大。,时以下的区域。（夹断区）,2. N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的结构,上述的增强型绝缘栅场效应管只有当 时才能形成导电沟道，如果在制造时就使它具有一个原始导电沟道，这种绝缘栅场效应管称为耗尽型。,图4-5,与增强型相比，它的结构变化了，使其控制特性有明显变化。,在 为常数的条件下，当时，漏、源极间已经导通， 流过的是原始导电沟道的漏极电流 。,当 时，即加反向电压时，导电沟道变窄， 减小；负值愈高、沟道愈窄， 也就愈小。,当 达到一定负值时，导电沟道被
7、夹断， ，这时的 称为夹断电压，用表示 。,图4-6,可见，耗尽型绝缘栅场效应管不论栅源电压是 正是负或零，都能控制漏极电流 ，这个特点使它的应用具有较大的灵活性。,一般情况下，这类管子还是工作在负栅源电压的状态。,实验表明，在 范围内，耗尽型场效应管的转移特性可近似用下式表示,3. 结型场效应管,结型场效应管的特性和耗尽型绝缘栅场效应管类似。图4-7 a)、 b)分别为沟道和沟道的结型场效应管图形符号。,图4-7,使用结型场效应管时，应使栅极与源极间加反偏电压，漏极与源极间加正向电压。对于沟道的管子来说，栅源电压应为负值，漏源电压为正值。,在漏源电压 作用下，形成了漏极电流 。栅源电压 增大
8、时，导通沟道变窄，从而在一定的 作用下 变小。所以，改变 也可实现对 的控制。,当 增大到一定值时，导通沟道被夹断，此时 。夹断时的栅源电压用 表示。,图4-8为N沟道结型场效应管转移特性曲线。当 时，沟道被夹断， ； 减小， 增大； 时的漏极电流为零偏漏极电流 。对于P沟道管子来说， 为正值。,图4-8,图4-9为N沟道结型场效应管输出特性曲线。管子的工作状态也划分三个区域：可变电阻区、恒流区、击穿区。,图4-9,工作于恒流区中时，结型场效应管的转移特性也可用下式表示,结型场效应管正常使用时，g、s间是反偏的，故输入电阻也较高。,4.1.2 场效应管的主要参数、特点以及使用注意事项,1. 场
9、效应管的主要参数,（1）性能参数, 开启电压 ：,它是增强型MOS管的参数。, 夹断电压 ：, 饱和漏极电流 ：,它是结型场效应管和耗尽型MOS管的参数。,当 为一常量时，栅源电压为零时的漏极电流。, 直流输入电阻 ：,等于栅-源电压与栅极电流之比。,结型管的 大于 ，而MOS管的 大于 。, 低频跨导 ：,该数值的大小表示 对 控制作用的强弱。,是转移特性曲线上某一点的切线的斜率，与切点的位置密切相关。, 极间电容：,场效应管的三个极之间均存在极间电容。,越大场效应管放大能力越好。,通常，栅-源电容 和栅-漏 电容约为13pF，而漏-源电容 约为0.11pF。,（2）极限参数, 最大漏极电流
10、 ：,是管子正常工作时漏极电流的上限值。, 漏源击穿电压 ：,管子进入恒流区后，使 骤然增大的 。, 栅源击穿电压 ：,对于结型场效应管，栅极与沟道间PN结反向击穿电压；对于绝缘栅型场效应管，使绝缘层击穿时的电压。, 最大耗散功率 ：,PD=UDSID，该数值决定于管子允许的温升。,P138 表4-1,2. 使用MOS管的注意事项,1）MOS管栅源之间的电阻很高，使得栅极的感应电荷不易泄放，因极间电容很小，故会造成电压过高使绝缘栅击穿。,保存MOS管应使三个电极短接，避免栅极悬空。,焊接时，电烙铁的外壳应良好的接地，或烧热电烙铁后切断电源再焊。,测试MOS场效应管时，应先接好线路再去除电极之间
11、的短接，测试结束后应先短接各电极。,2）有些场效应管将衬底引出，故有4个管脚，这种管子漏极与源极可互换使用。但有些场效应管在内部已将衬底与源极接在一起，只引出3个电极，这种管子的漏极与源极不能互换。,例4-1 电路如图4-10所示，其中管子的输出特性曲线如图(a)所示。,图4-10,试分析 为0V、8V和10V时，三种情况下 分别为多少伏。,解：,当 时，管子处于夹断状态，使 ， 因而 。,当 时，从输出特性曲线可知，管子工作在恒流区时的 ，所以 。,当 时，若认为管子工作在恒流区，则 约为2mA，因而 ，但是 时的预夹断电压为,漏-源之间的实际电压小于漏-源在 时预夹断电压，说明管子已不工作
12、在恒流区，而是工作在可变电阻区。从输出特性曲线可得 时漏-源的等效电阻为,因而,例4-2 电路如图4-11所示，场效应管的夹断电压 ，饱和漏极电流 。,图4-11,试问：为保证负载电阻 上的电流为恒流， 的取值范围应为多少？,解：,从电路图可知， ，因而 ，并且当时的预夹断电压为,所以为保证 恒流的最大输出电压为 ，输出电压范围为08V，负载电阻 的取值范围为,4.1.3 场效应管与晶体管的比较,（1）场效应管用栅-源电压控制漏极电流，栅极基本不取电流。而晶体管工作时基极总要索取一定的电流。因此，要求输入电阻高的电路应选用场效应管；而若信号源可以提供一定的电流，则可选用晶体管。 （2）场效应管
13、几乎只有多子参与导电。晶体管内既有多子又有少子参与导电，而少子数目受温度、辐射等因素影响较大，因而场效应管比晶体管的温度稳定性好、抗辐射能力强。所以在环境条件变化很大的情况下应选用场效应管。 （3）场效应管噪声系数很小，所以低噪声放大器的输入级及要求信噪比较高的电路应选用场效应管。当然也可选用特制的低噪声晶体管。,（4）场效应管的漏极与源极可以互换使用，互换后特性变化不大。而晶体管的发射极与集电极互换后特性差异很大，因此只在特殊需要时才互换。 （5）场效应管比晶体管的种类多，特别是耗尽型MOS管，栅-源电压可正、可负、可零，均能控制漏极电流；因而在组成电路时比晶体管有更大的灵活性。 （6）场效
14、应管和晶体管均可用于放大电路和开关电路，它们构成了品种繁多的集成电路。但由于场效应管集成工艺更简单，且具有耗电省、工作电源电压范围宽等优点，因此更加广泛地应用于大规模和超大规模集成电路之中。,4.1.3 场效应管与晶体管的比较（续）,P6 晶体管电路设计(上) 晶体管电路设计(下) FET放大电路,4.2 场效应管基本放大电路,与晶体管放大电路类似，场效应管也可接成三种基本放大电路，它们是共源极、共漏极和共栅极放大电路，分别与晶体管的共发射极、共集电极和共基极相对应。为了使场效应管放大电路能线性地放大信号，必须设置合适的静态工作点，以保证在信号的整个周期内，场效应管均工作于放大区。,4.2.1
15、 场效应管放大电路的静态工作点设置,为了不失真地放大变化信号，场效应管放大电路必须设置合适的静态工作点。场效应管是电压控制器件，因此它没有偏流，关键是要有合适的栅偏压。,常用的偏置电路有两种,1. 自给偏压,图4-12为耗尽型场效应管自偏电路。当耗尽型管的栅源回路接通时，在漏极电源作用下，就有电流通过，并在源极电阻上产生静态负栅偏压，通常称为自偏压，其值为,图 4-12,适当调整源极电阻 ，可以得到合适的静态工作点，通过下列关系式可求得工作点上的有关电流和电压：,图4-12 的电路不适用于增强MOS 管， 因为静态时该电路不能使管子开启， 即 。,2. 分压式偏置电路,分压式自偏电路是在自偏压
16、电路的基础上加接分压电阻后组成的。这个电路的栅源电压除与有关外，还随和的分压比而改变，因此适应性较大。如图4-13所示。,图4-13,适当选择 或 值，就可获得正、负及零三种偏压。图中 阻值很大，用以隔离 、 对信号的分流作用，以保持高的输入电阻。,静态分析也可以采用公式估算法，并在实际应用时，用RP来微调可联立求解：,4.2.2 场效应管的交流等效模型,场效应管也是非线性器件，在输入信号电压很小的条件下，也可将用小信号模型等效。与建立晶体管小信号模型相似，将场效应管也看成一个两端口网络，以结型场效应管为例，栅极与源极之间为输入端口，漏极与源极之间为输出端口。无论是哪种类型的场效应管，均可以认
17、为栅极电流为零，输入端视为开路，栅-源极间只有电压存在。在输出端口，漏极电流 是 和 的函数，如图4-14所示。,图4-14,4.2.3 共源放大电路的动态分析,应用微变等效电路法来分析计算场效应管放大的电压放大倍数和输入电阻、输出电阻，其步骤与分析三极管放大电路相同。,图4-15为共源极放大电路和微变等效电路。,图4-15,1. 求电压放大倍数,2. 求输入电阻,通常，为了减小 、 对输入信号的分流作用，常选择 ，,3. 求输出电阻,4.2.4 共漏放大电路的动态分析,图4-16 a)所示是由耗尽型NMOS管构成的共漏极放大电路，由交流通路可见，漏极是输入、输出信号的公共端。由于信号是从源极
18、输出，故也称源极输出器。图4-16 b)是它的小信号模型。,图4-16,1. 求电压放大倍数,2. 求输入电阻,当 时， 。,图4-16,3. 求输出电阻,用“加压求流法”求源极输出器的输出电阻 的电路如下图,由于栅极电流 ，故 ，所以,图4-17,则,例4-4,在4-16 a)所示电路中，已知静态工作点合适， ， ， ， ， 场效应管的开启电压 ， 。,试求解 、 、 。,解：,4.3 绝缘栅双极型晶体管(IGBT),图4-17 IGBT的符号,图4-18 IGBT的等效电路,IGBT与MOSFET的对比 MOSFET全称功率场效应管。它的三个极分别是源极(S)、漏极(D)和栅极(G)。 主
19、要优点：热稳定性好、安全工作区大；缺点：击穿电压低低，工作电流小。 IGBT全称绝缘栅双极晶体管，是MOSFET和GTR(功率晶体管)相结合的产物。它的三个极分别是集电极(C)、发射极(E)和栅极(G)。 主要特点：击穿电压可达1200V，集电极最大饱和电流已超过1500A。由IGBT作为逆变器件的变频器的容量达250kVA以上，工作频率可达20kHz。,4.3 应用电路介绍,在电子线路中，当流出某一电路的电流基本上不随电源、电压负载电阻影响，其内阻趋向无穷大时，具有这种特点的电路称为恒流源电路。图4-18是结型场效应管用作可调输出电流大小的恒流源电路。由结型场效应管输出特性可知，当 大于某一
20、数值（如3V以上）时，JFET脱离变阻区进入恒流区， 不随 变化，具有恒流特性。,应用一：可调恒流源,图4-18,与 的关系可以从转移特性曲线中查出。实际应用时可调节RP来改变 。,应用二：场效应管用于放大驻极体话筒的信号,驻极性话筒是一种体积只有花生大小的具有电容性质的话筒，它广泛应用于录音机等电路中。它的输出电阻极高（ 以上），不能用普通三极管来放大。 图4-19是采用高输入电阻的耗尽型MOSET进行电压放大的电路。,图4-19,图中的C为驻极体，声波越强，C的容量变化越大，C两端输出的音频信号电压也越高。MOSFET与驻极体装在同一壳体内， 由 决定。,应用三：人体感应电路,图4-20
21、所示电路是利用绝缘栅栏型场效管组成触模式接近开关。,图4-20,当人们在室内活动时，由于人体与周围的220交流电路存在一微小的分布电容，使人体因感应交流电场而带有几伏至几十伏的50Hz交流信号，由于此感应信号的内阻极高，不能用普通的三极管电路来检测。,当人体触及接在MOSFET的G极上的金属板时，该感应电压就迭加到G、S端，使MOSFET导通，PNP管获得 ，从而产生 。 流经V3的基极，形成较大的 。从而使继电器KA吸合， 去控制外电路的负载（如楼道灯等）。,图中的VD1为稳压管，用于保护G极不至因过高的输入电压而击穿；C1用于滤除 中的交流分量；VD3用于吸收V3突然截止时，继电器铁心中磁
22、场突然减小所引起的过电压，起续流作用， 称为续流二极管。,应用四：利用场效应管作非接触式测电笔,导线只要接上交变电压，它的周围就会产生交变电场， 而场效应管对外部电场比较敏感，即使很弱的电场也会使场效应管栅、 源之间感应到信号电压，因此用它作无触点测电笔非常方便，其电路如图4-21所示。,图4-21,此测电笔可用于查找导线内部断路之处。使用时，把被查导线的端部接到火线上，手握测电笔，沿导线表面移动。,在未断部分，探头可感应到电场信号，由电容C1耦合到场效应管V1的栅极，经放大后使发光二极管LED发光。一旦探头移至某点时发现LED熄灭，说明此点已无电场，必定就是断芯点。,应用五：对卤钨灯作缓启动
23、,卤钨灯是在白炽灯的基础上经过充碘蒸气等工艺改进出来的一种高亮度灯具。它具有体积小，光色好，光效高等优点。其点亮时间约为0.1秒，启动电流约为工作电流的5倍，正是这个启动冲击电流使本来可以长寿的灯管寿命大为缩短。 将功率场效应管（VMOS 管）作为可控开关串联在卤钨灯电源回路中，使其可实现缓启动，延长灯管的使用寿命。电路如图4-22所示。VD1VD4对220V交流电源作全波整流，R、C构成延时环节。,图4-22,开关S闭合后，开始充电，随着其电压的升高，VMOS管的电流逐渐增大，而压降逐渐减小，卤钨灯逐渐点亮。经过秒左右，两端电压达到稳压管的稳定电压20V，VMOS管完全导通，电路便进入稳定工
24、作状态。,由于VMOS导通时的内阻很小（约零点几欧姆），所以其本身的发热很小，对卤钨灯影响也很小。,应用六：VMOS管用于控制碘钨灯的亮度,由于VMOS管耐压高、电流大，所以可以带动大功率设备，如碘钨灯、加热器、风机等。图4-23中的RP用于调节 ，从而控制流过碘钨灯的电流，VD用于保护VMOS管的栅极，防止过电压；C1用于防止 突变，实现软启动；整流桥组成整流电路， 、 组成滤波电路，为 提供稳定的控制电压。,图4-23,此种调光方法是不够经济的，在碘钨灯调得较暗时，有很大一部分功率损耗在VMOS上， 必须将VMOS与较大面积的散热片装在一起，才能保证VMOS 的管芯温度小于150。,模拟电子技术基础习题,
