场效应管及其基本放大电路

场效应管3.1场效应晶体管放大电路3.2第3章场效应管及其基本放大电路

3.1场效应管

场效应管是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，除了具有晶体管体积小、重量轻、耗电省、寿命长等优点外，还具有噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强等特点，因此得到了广泛的应用。。

场效应管与晶体管的主要区别是：①场效应管仅靠半导体中的多数载流子（电子或者空穴）导电，又称单极型晶体管；②场效应管是一种由输入电压控制其输出电流大小的电压控制型器件，它的输入阻抗高达107～1014Ω。场效应管的主要缺点是放大能力较低。按结构的不同，场效应管可分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效管（IGFET）两大类。根据沟道类型的不同，结型场效应管可为N沟道和P沟道两种类型。图3-1中，在一块N型半导体两侧扩散生成两个高掺杂浓度的P+区，从而形成两个P+N结。P+区与N区交界面形成耗尽层，两个P+N结的耗尽层之间的Ｎ型区域称为导电沟道。

3.1.1结型场效应管1结型场效应管结构及原理图3-1N沟道结型场效应管

图3-2P沟道结型场效应管

N沟道结型场效应管正常工作时，应在其栅－源之间加反向电压（即uGS<0），使PN结反偏；当在漏－源之间加正向电压（即uDS>0）时，在导电沟道内形成了漏极电流iD。当uDS=0时，uGS对导电沟道的控制当uDS=0且uGS=0时，两个P+N结均处于零偏状态，导电沟道很宽且沟道等宽，如图3-3（a）所示。

当UGS(off)<

uGS<0时，两个P+N结均处于反偏状态，随着的增大，导电沟道变窄，沟道电阻增大，导电能力下降，如图3-3（b）所示。

当增大到某一数值时，沟道两侧耗尽层相遇，导电沟道消失，称为“夹断”，沟道电阻趋于无穷大，此时的uGS值称为夹断电压UGS(off)，如图3-3（c）所示。

图3-3uDS=0时uGS对导电沟道的控制作用

（a）uGS=0

（b）UGS(off)<

uGS<0（c）uGS=0

当UGS(off)<

uGS<0时，漏源电压uDS对导电沟道的控制当UGS(off)<

uGS<0时，若uDS=0，则uGS变化时，导电沟道的宽度发生变化，导致导电沟道电阻变化。但是，由于漏极和源极之间电压uDS=0，则导电沟道内的自由电子不会产生定向运动，所以漏极电流iD=0。

当uGD=UGS(off)时，则漏极一边的导电沟道闭合，如图3-4（b）所示。

当UGS(off)<

uGS<0时，若uDS>0，则uGS<0使耗尽层变宽，导电沟道变窄；uDS>0使导电沟道不等宽。随着的增大，导电沟道变窄，沟道电阻增大，在同样的uDS作用下所产生的电流iD减小。，当uDS逐渐增大时，uGD逐渐减小，导致靠近漏极一边的导电沟道比靠近源极一边的窄，如图3-4（a）所示。

若uDS继续增大时，则uGD<UGS(off)

，耗尽层闭合部分沿沟道方向延伸，如图3-4（c）所示。当uDS增大时，iD几乎不变。

图3-4UGS(off)<

uGS<0且uDS>0时对导电沟道的控制作用

（a）uGD>UGS(off)

（b）uGD=UGS(off)

（c）uGD<UGS(off)

当uGD=uGS–uDS<UGS(off)

时，在uDS为常量的情况下，对于确定的栅源电压uGS就有确定的漏极电流iD。iD仅仅取决于uGS而与uDS无关。体现了栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用。因此可以通过uGS来控制iD的大小。

当uGD<UGS(off)时，uGS对导电沟道的控制

结型场效应管的输出特性曲线可以划分为四个区：可变电阻区、恒流区、夹断区和击穿区。

2．结型场效应管的特性曲线

（1）

输出特性曲线

可变电阻区:最左侧的虚线为预夹断轨迹（满足uDS=uGS–UGS(off)的点的连线），可变电阻区位于预夹断轨迹左侧。该区场效应管的特性呈现为一个由uGS控制的可变电阻。恒流区：iD基本上不随uDS变化，iD的值主要决定于uGS。对于N沟道结型场效应管，当管子工作在恒流区时，漏极电流iD的近似表达式为

可变电阻区:在此区域，uGS<UGS(off)，iD=0，导电沟道被夹断。

（2）转移特性曲线3.1.2绝缘栅型场效应管

结型场效应管的输入电阻是P+N结的反向电阻，可达107Ω以上。绝缘栅型场效应管的栅极与源极、栅极与漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离，因此其输入电阻很高，可达109Ω~1015Ω。又称之为MOS管。

从导电沟道来分，绝缘栅场效应管也有N沟道和P沟道两种类型。无论N沟道或P沟道，又都可以分为增强型和耗尽型两种。若uGS=0时漏—源之间已经存在导电沟道，称为耗尽型场效应管；如果当uGS=0时不存在导电沟道，则称之为增强型场效应管。

1．N沟道增强型场效应管的结构及原理

图3-7N沟道增强型MOS场效应管结构示意图及增强型MOS的符号

（a）结构示意图

（b）N沟道电路符号

（c）P沟道电路符号

以N沟道增强型绝缘栅场效应管为例讨论其工作原理。当栅源之间的电压uGS=0时，漏源之间是两只背靠背的PN结，不存在导电沟道，因此即使漏源之间的电压uDS>0，也不会有漏极电流，即iD=0。

当uDS=0且uGS>0时，在uGS的作用下，在栅极与衬底之间产生了垂直于衬底表面、栅极G指向P型衬底的电场。在栅极附近的P型衬底表面形成一个自由电子薄层，由于它的导电类型与P型衬底相反，故称为反型层。这个反型层就构成了漏源之间的导电沟道。使导电沟道刚刚形成的栅源电压称为开启电压UGS(th)。uGS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小。

当uGS>UGS(th)时，漏源之间形成一个导电沟道。这时若漏源之间的电压uDS>0，就会有漏极电流iD产生。uGS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小，在相同uDS作用下所产生的iD就越大。故通过控制uGS的大小，就可以控制导电沟道电阻的大小，从而控制漏极电流iD的大小。

导电沟道形成后，当uDS=0时，管内沟道是等宽的。随着uDS的增加，漏极电流iD沿沟道从漏极流向源极产生电压降，使栅极与沟道内各点的电压不再相等，靠近源极一端电压最大，其值为uGS，靠近漏极一端电压最小，其值为uGD，于是沟道沿源—漏方向逐渐变窄，如图3-9（a）所示。当uDS增大到uGD=UGS(th)时，沟道在漏极一侧出现夹断点，称为预夹断，如图3-9（b）所示。如果uDS继续增大，夹断区随之延长，如图3-9（c）所示。

图3-9uGS大于UGS(th)时uDS对导电沟道的影响

（a）uDS<uGS-UGS(th)

（b）uDS=uGS-UGS(th)

（c）uDS>uGS-UGS(th)

耗尽型的MOS场效应管，即使栅极不加电压，在正离子作用下P型衬底表面也存在反型层，从而产生N型导电沟道。当uGS由零向正值增大时，则加强了绝缘层中的电场，使沟道加宽，iD增大；反之，uGS由零向负值增大时，则削弱了绝缘层中的电场，使沟道变窄，iD减小。当uGS负向增加到UGS(off)时，导电沟道消失，iD=0。

2．N沟道耗尽型场效应管的结构及原理

3．绝缘栅场效应管的特性曲线

N沟道增强型场效应管的输出特性曲线如图3-11a)所示。分为四个区域：可变电阻区、恒流区、夹断区和击穿区。

在可变电阻区，栅源电压uGS>UGS（th）。图3-11(a)中的预夹断轨迹满足uDS=uGS–UGS(th)，可变电阻区位于预夹断轨迹左边的区域，则uDS<uGS–UGS(th)。漏源电压uDS的值比较小，当uGS为一定值时，iD与uDS成线性关系，根据不同的uGS值可得到一组近似直线。在此区域，MOS管漏源之间相当于一个受电压uGS控制的可变电阻。

在恒流区，栅源电压uGS≥UGS(th)。uDS≥uGS–UGS(th)。当uGS为一定值时，uDS变化时iD几乎不变，呈恒流特性，iD仅与uGS有关系。在此区域，MOS管漏源之间一个受电压uGS控制的电流源。MOS管用于放大电路时，一般就工作在恒流区。

在夹断区，栅源电压uGS<UGS（th）。该区域为图3-11(a)中靠近横轴的区域，导电沟道被全部夹断，漏极电流iD＝0，MOS管截止。图3-11a)N沟道增强型场效应管的输出特性曲线

击穿区位于图3-11(a)中右边的区域。由于uDS过大导致PN结反向击穿，漏极电流iD急剧增加。不允许MOS管工作在击穿区。

N沟道增强型场效应管的转移特性曲线如图3-11b)所示。当漏极电流iD为零时所对应的栅源电压UGS就是开启电压UGS(th)。

当N沟道增强型MOS管工作在恒流区时，其转移特性可近似表示如下

IDO是uGS=2UGS(th)时的漏极电流iD值。

图3-11b)N沟道增强型场效应管的转移特性曲线N沟道耗尽型场效应管的输出特性曲线和转移特性曲线，如图3-12所示。

（a）输出特性（b）转移特性图3-12N沟道耗尽型场效应管的特性曲线3.1.3场效应管的主要参数1．直流参数

开启电压UGS(th)：是指在uDS为某一固定数值的情况下，使漏极电流iD大于零所需的最小栅源电压值。

夹断电压UGS(off)：是指uDS为常量的情况下，使iD减小到某一微小电流时所需的uGS。

饱和漏极电流IDSS：是指在uGS＝0时的饱和漏极电流。

直流输入电阻RGS：结型场效应管的RGS>107Ω，而MOS管的RGS>109Ω。2．交流参数

低频跨导gm：当uDS为常数时，漏极电流的变化量和引起这一变化的栅－源极电压变化量之比

。极间电容

：场效应管的三个电极之间存在的电容称为极间电容，包括CGS、CGD和CDS，极间电容越小，则场效应管的高频性能越好，一般为0.1pF~3pF。3．极限参数最大漏极电流IDM：场效应管在工作时允许的最大漏极电流。最大功率PDM：PDM＝uDSiD，其值受场效应管最高工作温度的限制。

漏－源极击穿电压U(BR)DS：是指漏－源极间所能承受的最大电压

。

3.1.4场效应管与晶体管的比较（1）场效应管是一种电压控制器件，而晶体管是一种电流控制器件。（3）场效应管的输入电阻非常高，而晶体管的输入电阻较小。（2）场效应管比晶体管的温度稳定性好。（4）场效应管的制造工艺简单，利于大规模集成。3.2.1场效应管放大电路的静态分析1．自给偏压偏置电路图3-13自给偏压电路

3.2场效应管放大电路静态时，由于栅极电流IG=0，所以电阻RG上的电流为零，则栅极电位UG=0。

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