1.4 场效应管

分类

标注： 箭头 N 向里，P 向外

1. 场效应管结构原理

三个电极：源极 $s$ (source), 栅极 $g$ (gate), 漏极 $d$ (drain)

标注（红字）： 与三极管对应： $b - g, c - d, e - s$

依靠漏极与源极间导电沟道（非耗尽层）导电。
依靠一种载流子导电，单极型晶体管。
栅源电压 ( $U_{G S}$ )：决定导通 / 夹断（导通时，看作 $i_{d} = i_{s}$ ，有管压降 $U_{D S}$ ）。
栅漏电压 ( $U_{G D}$ )：决定导通时，工作在 可变电阻区 or 恒流区。

2. 以 N 沟道增强型 MOSFET 为例

$U_{G S} < U_{G S (t h)}$ ：不存在导电沟道 $\to$ 截止。
$U_{G S} > U_{G S (t h)}$ ：形成导电沟道， $U_{G S} ↑$ 沟道 $↑$ 。
可变电阻区： $U_{G D} > U_{G S (t h)}$ 即 $U_{D S} < U_{G S} - U_{G S (t h)}$ 导电沟道沿源 - 漏方向变宽，漏极电流随 $u_{D S}$ 近似线性变化。
恒流区： $U_{G D} < U_{G S (t h)}$ 即 $U_{D S} > U_{G S} - U_{G S (t h)}$ 导电沟道存在夹断区，且 $U_{D S}$ 越大，夹断区越长。漏极电流几乎不受 $u_{D S}$ 变化影响。

3. N 沟道耗尽型 MOSFET

与增强型相比，存在预埋导电沟道。
$U_{G S} = 0$ ：仍然导通。
$U_{G S} < U_{G S (o f f)}$ 时： $U_{G S}$ 越小，导电沟道越窄，直至夹断。
$U_{G S} > 0$ 时：
$U_{G D}$ 与 $U_{G S}$ 在 $U_{G D (o f f)}$ 同侧：可变电阻区
$U_{G D}$ 与 $U_{G S}$ 在 $U_{G D (o f f)}$ 异侧：恒流区

4. N 沟道 JFET

$U_{G S} = 0$ ：准静态。
注意：不可工作在 $U_{G S}$ 正偏压下，因 $G S$ 导通。
工作状态分析：

$U_{G S} < U_{G S (o f f)}$ ：截止。
$U_{G S (o f f)} < U_{G S} < 0$ ：可变电阻区。 $U_{G D} > U_{G S (o f f)}$ （同侧）即 $U_{D S} < U_{G S} - U_{G S (o f f)}$ 。
$U_{G S (o f f)} < U_{G S} < 0$ ：恒流区。 $U_{G D} < U_{G S (o f f)}$ （异侧）即 $U_{D S} > U_{G S} - U_{G S (o f f)}$ 。

分析工作状态： 看 $U_{G S}$ 与 $U_{G D}$ 比较 $U_{G S (o f f)}$ 。

5. 场效应管输出特性曲线 ( $i_{D} - u_{D S}$ )

（以 N 沟道增强型 MOSFET 为例）

截止区： $i_{D} = 0$
可变电阻区（非饱和区）： $i_{D}$ 受 $u_{D S}$ 控制。可变电阻大小受 $u_{G S}$ 控制。
恒流区（饱和区）： $⋆$ $i_{D}$ 仅受 $u_{G S}$ 控制。

6. 转移特性曲线 ( $i_{D} - u_{G S}$ )

取 $i_{D} - u_{D S}$ 中 $u_{D S}$ 恒定值： $i_{D} = f (u_{G S}) |_{u_{D S} = c o n s t}$ 。

特点：

存在开启电压 $U_{G S (t h)}$ （或夹断电压 $U_{G S (o f f)}$ ）。
场效应管工作在恒流区时，电压控制电流， $i_{D}$ 与 $u_{G S}$ 近似二次函数： $i_{D} = I_{D 0} (\frac{u_{G S}}{U_{G S (t h)}} - 1)^{2}$

N 沟道耗尽型 MOSFET： $i_{D} = I_{D S S} (\frac{u_{G S}}{U_{G S (o f f)}} - 1)^{2}$ ， $g_{m} = \frac{2}{| U_{G S (o f f)} |} \sqrt{I_{D S S} I_{D Q}}$
N 沟道结型 FET： $i_{D}$ 同上。

标注（红字）： P 沟道与对应 N 沟道曲线关于原点中心对称 ( $i_{D} : d \to s$ )

$⋆$ 场效应管重要参数 —— 跨导 $g_{m}$

考虑微小扰动： $g_{m} = \frac{Δ i_{D}}{Δ u_{G S}}$

反映输入侧电压变化对输出侧漏极电流的控制。
$g_{m}$ 与静态工作点 $Q$ 有关，是 $Q$ 处斜率。
$g_{m} = \frac{Δ i_{D}}{Δ u_{G S}} = \frac{2}{U_{G S (t h)}} \sqrt{I_{D 0} I_{D Q}}$

7. 场效应管工作状态判断步骤

确定类型，画转移曲线。
判断 $U_{G S}$ 和 $U_{G S (t h)}$ (或 $U_{G S (o f f)}$ )，判断是否截止。
由 $u_{D S}$ 和 $u_{G S} - U_{G S (t h)}$ (或 $u_{G S} - U_{G S (o f f)}$ ) 大小判断区域。

$⋆$ 同侧或 $U_{G S}$ 与 $U_{G D}$ 在 $U_{G S (t h)}$ (或 $U_{G S (o f f)}$ ) 同侧：可变电阻区；异侧：恒流区。

FET 的低频小信号模型

设 $i_{D} = f (u_{G S}, u_{D S})$ 则 $d i_{D} = \frac{\partial i_{D}}{\partial u_{G S}} |_{u_{D S}} d u_{G S} + \frac{\partial i_{D}}{\partial u_{D S}} |_{u_{G S}} d u_{D S}$ 令 $\frac{\partial i_{D}}{\partial u_{G S}} |_{u_{D S}} = g_{m}$ ， $\frac{\partial i_{D}}{\partial u_{D S}} |_{u_{G S}} = \frac{1}{r_{d s}}$ 则 $i_{d} = g_{m} u_{g s} + \frac{1}{r_{d s}} u_{d s}$

$g_{m}$ —— 跨导， $r_{d s}$ —— 输出电阻

通常 $r_{g s} \to \infty$ ， $r_{d s} ≫ R_{L}$ ，可认为断开。

(a) 截止区模型： $i_{g} = 0, i_{d} = 0$
(b) 可变电阻区模型： $D - S$ 间为可变电阻 $R_{d s}$
(c) 放大区交流小信号模型： $D - S$ 间为受控电流源 $g_{m} u_{g s}$

公式推导：

对 N 沟道增强型： $g_{m} = \frac{d i_{D}}{d u_{G S}} = 2 I_{D 0} (\frac{u_{G S}}{U_{G S (t h)}} - 1) \frac{1}{U_{G S (t h)}} = \frac{2}{U_{G S (t h)}} \sqrt{I_{D 0} I_{D Q}}$
对 N 沟道耗尽型： $g_{m} = \frac{d i_{D}}{d u_{G S}} = 2 I_{D S S} (1 - \frac{u_{G S}}{U_{G S (o f f)}}) \frac{- 1}{U_{G S (o f f)}} = \frac{- 2}{U_{G S (o f f)}} \sqrt{I_{D S S} I_{D Q}}$

8. 场效应管主要参数

开启电压 $U_{G S (t h)}$ （增强型）/ 夹断电压 $U_{G S (o f f)}$ （耗尽型）
饱和漏极电流 $I_{D S S}$ ：耗尽型 MOSFET，当 $U_{G S} = 0$ 时对应漏极电流。
直流输入电阻 $R_{G S}$ ：JFET $> 10^{7} Ω$ ；MOSFET $10^{9} \sim 10^{15} Ω$
低频跨导 $g_{m}$
漏源动态电阻 $r_{d s}$
极间电容 $C_{g s}, C_{g d}, C_{d s}$
最大漏极功耗 $P_{D M} = U_{D S} \cdot i_{D}$
最大漏极电流 $I_{D M}$
栅源击穿电压 $U_{B R (G S)}$
漏源击穿电压 $U_{B R (D S)}$

1.4 场效应管 ​

分类 ​

1. 场效应管结构原理 ​

2. 以 N 沟道增强型 MOSFET 为例 ​

3. N 沟道耗尽型 MOSFET ​

4. N 沟道 JFET ​

5. 场效应管输出特性曲线 (iD−uDS) ​

6. 转移特性曲线 (iD−uGS) ​

⋆ 场效应管重要参数 —— 跨导 gm ​

7. 场效应管工作状态判断步骤 ​

FET 的低频小信号模型 ​

8. 场效应管主要参数 ​