04场效应管放大电路

返回＞＞第四章场效应管放大电路由于半导体三极管工作在放大状态时，必须保证发射结正偏，故输入端始终存在输入电流。

改变输入电流就可改变输出电流，所以三极管是电流控制器件，因而三极管组成的放大器，其输入电阻不高。

场效应管是通过改变输入电压(即利用电场效应)来控制输出电流的，属于电压控制器件，它不吸收信号源电流，不消耗信号源功率，因此输入电阻十分高，可高达上百兆欧。

除此之外，场效应管还具有温度稳定性好，抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等优点，所得到广泛的应用。

场效应管分为结型场效应管(JFET)和绝缘栅场效应管(IGFET)，目前最常用的MOS管。

由于半导体三极管参与导电的两种极性的载流子，电子和空穴，所以又称为半导体三极管双极性三极管。

场效应管仅依靠一种极性的载流子导电，所以又称为单极性三极管。

FET－Field Effect transistorJFET－Junction Field Effect transistorIGFET－Insulated Gate Field Effect TransistorMOS－Metal-Oxide-Semiconductor§1 结型场效应管一、结构结型场效应管有两种结构形式。

N型沟道结型场效应管和P型沟道结型场效应管。

以N沟道为例。

在一块N型硅半导体材料的的两边，利用合金法、扩散法或其它工艺做成高浓度的P+型区，使之形成两个PN结，然后将两边的P+型区连在一起，引出一个电极，称为栅极G。

在N型半导体两端各引出一个电极，分别作为源极S和漏极D。

夹在两个PN结中间的N型区是源极与漏极之间的电流通道，称为导电沟道。

由于N型半导体多数载流子是电子，故此沟道称为N 型沟道。

同理，P型沟道结型场效应管中，沟道是P型区，称为P型沟道，栅极与N型区相连。

电路符号如图所示，箭头方向可理解为两个PN结的正向导电方向。

二、工作原理从结型场效应管的结构可看出，我们在D、S间加上电压U DS，则在源极和漏极之间形成电流I D。

我们通过改变栅极和源极的反向电压U GS，则可以改变两个PN结阻档层(耗尽层)的宽度。

由于栅极区是高掺杂区，所以阻挡层主要降在沟道区。

故|U GS|的改变，会引起沟道宽度的变化，其沟道电阻也随之而变，从而改变了漏极电流I D。

如|U GS|上升，则沟道变窄，电阻增加，I D下降。

反之亦然。

所以改变U GS的大小，可以控制漏极电流。

这是场效应管工作的基本原理，也是核心部分。

下面我们详细讨论。

1．U GS对导电沟道的影响为了便于讨论，先假设U DS=0。

(a)U GS=0(b)U GS<0当U GS由零向负值增大时，PN结的阻挡层加厚，沟道变窄，电阻增大。

(c)U GS=–U p若U GS的负值再进一步增大，当U GS=–U p时，两个PN结的阻挡层相遇，沟道消失，我们称沟道被“夹断”了，U P称为夹断电压，此时I D=0。

2．I D与U DS、U GS之间的关系假定：栅、源电压|U GS|<|U p|，如U GS=–1V，U p=–4V。

⑴当U DS=2V时，沟道中将有电流I D通过。

此电流将沿着沟道方向产生一个电压降，这样沟道上各点的电位就不同，因而沟道内各点的电位就不同，因而沟道内各点与栅极的电位差也就不相等。

漏极端与栅极之间的反向电压最高，如：U DG=U DS–U GS=2–(–1)=3V，沿着沟道向下逐渐降低，源极端为最低，如：U SG=–U GS=1V，两个PN结阻挡层将出现楔形，使得靠近源极端沟道较宽，而靠近漏极端的沟道较窄。

如下图(a)所示。

此时再增大U DS，由于沟道电阻增长较慢，所以I D随之增加。

⑵预夹断当进一步增加U DS ，当栅、漏间电压U GD 等于U p 时，即U GD =U GS –U DS =U p则在D 极附近，两个PN 结的阻挡层相遇，如下图(b)所示。

我们称为预夹断。

如果继续升高U DS ，就会使夹断区向源极端方向发展，沟道电阻增加。

由于沟道电阻的增长速率与U DS 的增加速率基本相同，故这一期间I D 趋于一恒定值，不随U DS 的增大而增大，此时，漏极电流的大小仅取决于U GS 的大小。

U GS 越负，沟道电阻越大，I D 便越小。

⑶当U GS =U p 时，沟道被全部夹断，I D =0，如下图(c)所示。

注意：预夹断后还能有电流。

不要认为预夹断后就没有电流。

由于结型场效应管工作时，我们总是要栅源之间加一个反向偏置电压，使得PN 结始终处于反向接法，故I D ≈0，所以，场效应管的输入电阻r gs 很高。

三、特性曲线1、输出特性曲线以UGS 为参变量时，漏极电流ID 与与漏、源电压UDS 之间的关系，称为输出特性，即常数==GS U DS D U f I |)( 根据工作情况，输出特性可划分为四个区域。

⑴可变电阻区。

可变电阻区位于输出特性曲线的起始部分，此区的特点是：固定U GS 时，I D 随U DS 增大而线性上升，相当于线性电阻；改变U GS时，特性曲线的斜率变化，相当于电阻的阻值不同，U GS 增大，相应的电阻增大。

⑵恒流区。

该区的特点是：I D 基本不随U DS 而变化，仅取决于U GS 的值，输出特性曲线趋于水平，故称为恒流区或饱和区。

⑶击穿区。

位于特性曲线的最右部分，当U DS 升高到一定程度时，反向偏置的PN 结被击穿，I D 将突然增大。

U GS 愈负时，达到雪崩击穿所需的U DS 电压愈小。

当U GS =0时其击穿电压用BU DSS⑷截止区。

当|U GS |≥|U P |时，管子的导电沟道处于完全夹断状态，I D =0，场效应管截止。

2、转移特性曲线当漏、源之间电压U DS 保持不变时，漏极电流I D 和栅、源之间电压U GS 的关系称为转移特性。

即常数==DS U GS D U f I |)( 它描述了栅、源之间的电压U GS 对漏极电流I D 的控制作用。

由图可见：U GS =0时，I D =I DSS 漏极电流最大，称为饱合漏极电流I DSS|U GS |增大，I D 减小，当U GS =–U p 时，I D =0。

U p 称为夹断电压。

结型场效应管的转移特性在U GS =0～U p 范围内可用下面近似公式表示：21⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=P GS DSS D U U I I 根据输出特性曲线可以做出转移特性曲线。

§2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管通常由金属、氧化物和半导体制成，所以又称为金属-氧化物-半导体场效应管，简称为MOS 场效应管。

由于这种场效应管的栅极被绝缘层(SiO2)隔离(所以称为绝缘栅)。

因此其输入电阻更高，可达109Ω以上。

N沟道P沟道增强型耗尽型共有四种类型。

一、N沟道增强型MOS场效应管1．结构N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图如右图所示。

把一块掺杂浓度较低的P型半导体作为衬底，然后在其表面上覆盖一层S i O2的绝缘层，再在S i O2层上刻出两个窗口，通过扩散工艺形成两个高掺杂的N型区(用N+表示)，并在N+区和S i O2的表面各自喷上一层金属铝，分别引出源极、漏极和控制栅极。

衬底上也引出一根引线，通常情况下将它和源极在内部相连。

2．工作原理结型场效应管是通过改变U GS来控制PN结的阻挡层宽窄，从而改变导电沟道的宽度，达到控制漏极电流I D的目的。

而绝缘栅场效应管则是利用U GS来控制“感应电荷”的多少，以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，然后达到控制漏极电流I D的目的。

对N沟道增强型的MOS场效应管，当U GS=0时，在漏极和源极的两个N+区之间是P型衬底，因此漏、源之间相当于两个背靠背的PN结。

所以无论漏、源之间加上何种极性的电压，总是不导通的，I D=0。

当U GS>0时，(为方便假定U DS=0)，则在S i O2的绝缘层中，产生了一个垂直半导体表面，由栅极指向P型衬底的电场。

这个电场排斥空穴吸引电子，当U GS>U T时，在绝缘栅下的P型区中形成了一层以电子为主的N型层。

由于源极和漏极均为N+型，故此N型层在漏、源极间形成电子导电的沟道，称为N型沟道。

U T称为开启电压，此时在漏、源极间加U DS，则形成电流I D。

显然，此时改变U GS则可改变沟道的宽窄，即改变沟道电阻大小，从而控制了漏极电流I D 的大小。

由于这类场效应管在U GS=0时，I D=0，只有在U GS>U T后才出现沟道，形成电流，故称为增强型。

3．特性曲线N沟道增强型场效应管，也用转移特性、输出特性表示I D、U GS、U DS之间的关系，如下图所示。

转移特性：U GS <U T，I D=0；U GS≥U T，才有I D。

U GS↑I D↑；I D=10μA时对应的U GS定义为开启电压U T。

输出特性：也可分为4个区，可变电阻区、恒流区、击穿区和截止区。

二、N沟道耗尽型MOS管1．结构耗尽型MOS场效应管，是在制造过程中，预先在S i O2绝缘层中掺入大量的正离子，因此，在U GS=0时，这些正离子产生的电场也能在P型衬底中“感应”出足够的电子，形成N型导电沟道，如右图所示。

衬底通常在内部与源极相连。

2．工作原理当U DS>0时，将产生较大的漏极电流I D。

如果使U GS<0，则它将削弱正离子所形成的电场，使N沟道变窄，从而使I D减小。

当U GS更负，达到某一数值时沟道消失，I D=0。

使I D=0的U GS我们也称为夹断电压，仍用U P表示。

U GS<U P沟道消失，称为耗尽型。

3．特性曲线N沟道MOS耗尽型场效应管的特性曲线如下图所示，也分为转移特性和输出特性。

其中：I DSS—U GS=0时的漏极电流。

U P—夹断电压，使I D=0对应的U GS的值。

P沟道场效应管的工作原理与N沟道类似。

我们不再讨论。

下面我们看一下各类绝缘栅场效应管(MOS场效应管)在电路中的符号。

§3 场效应管的主要参数场效应管主要参数包括直流参数、交流参数、极限参数三部分。

一、直流参数1．饱合漏极电流I DSSI DSS是耗尽型和结型场效应管的一个重要参数。

定义：当栅、源极之间的电压U GS =0，而漏、源极之间的电压U DS 大于夹断电压U P 时对应的漏极电流。

2．夹断电压U PU P 也是耗尽型和结型场效应管的重要参数。

定义：当U DS 一定时，使I D 减小到某一个微小电流(如1μA ，50μA)时所需U GS 的值。

3．开启电压U TU T 是增强型场效应管的重要参数。

定义：当U DS 一定时，漏极电流I D 达到某一数值(如10μA)时所需加的U GS 值。

4．直流输入电阻R GSR GS 是栅、源之间所加电压与产生的栅极电流之比，由于栅极几乎不索取电流，因此输入电阻很高，结型为106Ω以上，MOS 管可达1010Ω以上。