第四章 场效应管放大电路

3.结型场效应管的特性曲线 由于结型场效应管的栅极输入电流iG≈0，因此很少应 用输入特性曲线，常用的特性曲线有输出特性曲线和转 移特性曲线。 (1)输出特性曲线 输出特性曲线用来描述vGS取一定值时，电流iD和电压 vDS间的关系，即 它反映了漏-源电压vDS对iD的影响。 N沟道结型场效应管的输出特性曲线如图7所示
2.场效应管的分类 根据结构和工作原理的不同，场效应管 可分为两大类： (1)结型场效应管(JFET) (2)绝缘栅型场效应管(IGFET)。 3.本章内容 (1)结型场效应管的结构、工作原理、 特性曲线和主要参数 (2)绝缘栅型场效应管的结构、工作原 理、特性曲线和主要参数 (3)场效应管放大电路。
N沟道结型场效应管的电路符号如图1(b)所示。其中， 栅极上的箭头表示栅极电流的方向（由P区指向N区）。 由结型场效应管代表符号中栅极上的箭头方向，可以确 认沟道的类型。N沟道JFET的结构剖面图如图所示
图中衬底和顶部的中间都是P+型半导体，它们连接在一起（图中 未画出）作为栅极g。 两个N+区分别作为源极s和漏极d。 三个电极s、g、d分别由不同的铝接触层引出。 如果在一块P型半导体的两边各扩散一个高杂质浓度的N+区，就 可以制成一个P沟道的结型场效应管。P沟道结型场效应管的结构示 意图和它在电路中的代表符号如图所示。
图5 VGS对沟道电阻的控制作用
6V 4V 2V 0V 6V
图6 vDS对iD的影响
导电沟道中电位分布情况
(c)在vDS较小时，iD随vDS增加而几乎呈线性地增加 它对iD的影响应从两个角度来分析： 一方面vDS增加时，沟道的电场强度增大，iD随着增加； 另一方面，随着vDS的增加，沟道的不均匀性增大，即沟道电阻增 加，iD应该下降，但是在vDS较小时，沟道的不均匀性不明显，在漏 极附近的区域内沟道仍然较宽，即vDS对沟道电阻影响不大，故iD随 vDS增加而几乎呈线性地增加。 随着vDS的进一步增加，靠近漏极一端的P+N结上承受的反向电压 增大，这里的耗尽层相应变宽，沟道电阻相应增加，iD随vDS上升的 速度趋缓。 (d)当vDS增加到vDS=vGS-VP，即vGD=vGS -vDS=VP(夹断电压)时，沟 道预夹断 此时,漏极附近的耗尽层即在A点处合拢，如图6(b)所示，这种状 态称为预夹断。 与前面讲过的整个沟道全被夹断不同，预夹断后，漏极电流 iD≠0。因为这时沟道仍然存在，沟道内的电场仍能使多数载流子 (电子)作漂移运动，并被强电场拉向漏极。
(b) 饱和区(恒流区、线性放大区) 当VP＜vGS≤0且vDS≥vGS－VP时，N沟道结型场效应管进入饱和区，即 图中特性曲线近似水平的部分。它表示管子预夹断后，电压vDS与漏极电 流iD间的关系。饱和区的特点是iD几乎不随vDS的变化而变化，iD已趋于 饱和，但它受vGS的控制。 增加，沟道电阻增加，iD减小。场效应管作 线性放大器件用时，就工作在饱和区。 图1中左边的虚线是可变电阻区与饱和区的分界线，是结型场效应管 的预夹断点（vDS=vGS-VP）的轨迹。显然，预夹断点随vGS改变而变化， vGS愈负，预夹断时的vDS越小。 (c) 击穿区 管子预夹断后，若vDS继续增大，当栅-漏极间P+N结上的反偏电压vGD 增大到使P+N结发生击穿时，iD将急剧上升，特性曲线进入击穿区。管 子被击穿后再不能正常工作。 (d) 截止区(又称夹断区) 当栅-源电压 ∣vGS ∣>Vp 时，沟道全部被夹断，iD≈0，这时场效应 管处于截止状态。截止区处于输出特性曲线图的横座标轴附近(图1中未 标注)。
(e)若vDS继续增加，使vDS＞vGS－VP,即vGD＜VP时，耗尽层合拢部 分会有增加，即自A点向源极方向延伸，如图6(c)，夹断区的电阻越 来越大，但漏极电流iD不随vDS的增加而增加,基本上趋于饱和， 因为这时夹断区电阻很大，vDS的增加量主要降落在夹断区电阻上， 沟道电场强度增加不多，因而iD基本不变。但当vDS增加到大于某一 极限值(用V(BR)DS表示)后，漏极一端P+N结上反向电压将使P+N结发 生雪崩击穿，iD会急剧增加，正常工作时vDS不能超过V(BR)DS。 从结型场效应管正常工作时的原理可知： ① 结型场效应管栅极与沟道之间的P+N结是反向偏置的，因此， 栅极电流iG≈0，输入阻抗很高。 ② 漏极电流受栅-源电压vGS控制，所以场效应管是电压控制电流 器件。 ③ 预夹断前，即vDS较小时，iD与vDS间基本呈线性关系；预夹断 后，iD趋于饱和。 P沟道结型场效应管工作时，电源的极性与N沟道结型场效应管的 电源极性相反。
iD
vGS I DSS (1 ) Vp
(VP＜vGS≤0)
式中IDSS为vGS=0，vDS≥0 时的漏极电流，称为饱和漏极电流。
4.结型场效应管主要参数 (1). 夹断电压VP 当vDS为某一固定值(例如10V)，使iD等于某一微小电流(例如50mA)时，栅-源极 间所加的电压即夹断电压。 (2). 饱和漏极电流IDSS 在vGS=0的条件下，场效应管发生预夹断时的漏极电流。 IDSS是结型场效管管 子所能输出的最大电流。 (3). 直流输入电阻RGS 它是在漏-源极间短路的条件下，栅-源极间加一定电压时，栅-源极间的直流电 阻。 (4). 低频跨导gm 当vDS为常数时，漏极电流的微小变化量与栅-源电压vGS的微小变化量之比为 跨导，即
当|vGS| 进一步增大到一定值|VP| 时，两侧的耗尽层将在沟道中央合拢， 沟道全部被夹断，如图2(c)所示。由于耗尽层中没有载流子，因此这时漏-源 极间的电阻将趋于无穷大，即使加上一定的电压vDS，漏极电流iD也将为零。 这时的栅-源电压vGS称为夹断电压，用VP表示。如图5(c)所示。 上述分析表明: (a)改变栅源电压vGS的大小，可以有效地控制沟道电阻的大小。 (b)若同时在漏源-极间加上固定的正向电压vDS，则漏极电流iD将受vGS的控 制，|vGS|增大时，沟道电阻增大，iD减小。 (c)上述效应也可以看作是栅-源极间的偏置电压在沟道两边建立了电场，电 场强度的大小控制了沟道的宽度，即控制了沟道电阻的大小，从而控制了漏 极电流iD的大小。 (2)．vDS对iD的影响 设vGS值固定，且VP<vGS<0。 (a)当漏-源电压vDS从零开始增大时，沟道中有电流iD流过。 (b)在vDS的作用下,导电沟道呈楔形 由于沟道存在一定的电阻，因此，iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点的 电位不再相等，漏极端电位最高，源极端电位最低。这就使栅极与沟道内各 点间的电位差不再相等，其绝对值沿沟道从漏极到源极逐渐减小，在漏极端 最大(为 |vGD| )，即加到该处P+N结上的反偏电压最大，这使得沟道两侧的 耗尽层从源极到漏极逐渐加宽，沟道宽度不再均匀，而呈楔形，如图6(a)所 示。
第四章 场效应管放大电路
引言： 1.场效应管的特点 (1)它是利用改变外加电压产生的电场强度来 控制其导电能力的半导体器件。 (2)它具有双极型三极管的体积小、重量轻、 耗电少、寿命长等优点， (3)还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射 能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特 点。 (4)在大规模及超大规模集成电路中得到了广 泛的应用。
4.1ห้องสมุดไป่ตู้结型场效应管
1．结型场效应管的结构 结型场效应管的结构如图1(a)所示。 在一块N型半导体材料的两边各扩散一个高杂质浓度的P+ 区, 就形成两个不对称的P+N结，即耗尽层。把两个P+区并联在一 起，引出一个电极g，称为栅极，在N型半导体的两端各引出一 个电极，分别称为源极s和漏极d。 场效应管的与三极管的三个电极的对应关系： 栅极g--基极b 源极s--发射极e 漏极d--集电极c 夹在两个P+N结中间的区域称为导电沟道（简称沟道）。 图1(a)所示的管子的N区是电流的通道，称为N沟道结型场效 应管。
gm反映了栅-源电压对漏极电流的控制能力，是表征场效应管放大能 力的一个重要参数。单位为西门子(s)，有时也用ms或?s表示。需要指 出的是，gm与管子的工作电流有关，iD越大，gm就越大。在放大电路中， 场效应管工作在饱和区(恒流区)，gm可由式和 求得，即
4.3 金属-氧化物-半导体场效应管
（2）转移特性曲线 转移特性曲线用来描述vDS取一定值时，iD与vGS间的关系的曲线，即:
iD f (vGS )
VD
它反映了栅-源电压vGS对iD的控制作用。 由于转移特性和输出特性都是用来描述vGS、vDS及iD间的关系的，所以转 移特性曲线可以根据输出特性曲线绘出。 作法如下：在图7所示的输出特性中作一条vDS=10V的垂线，将此垂线与各 条输出特性曲线的交点A、B和C所对应的iD、vGS的值转移到iD-vGS直角坐标 系中，即可得到转移特性曲线 ，如图8(a)所示。改变vDS的大小，可得到一 族转移特性曲线，如图8(b)所示。由此图可以看出，当vDS≥ （图中为 vDS≥5V）后，不同vDS下的转移特性曲线几乎重合，这是因为在饱和区内iD 几乎不随vDS而变。因此可用一条转移特性曲线来表示饱和区中iD与vGS的关 系。在饱和区内iD可近似地表示为
2.结型场效应管的工作原理
N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同，现 以N沟道结型场效应管为例，分析其工作原理。N沟道结 型场效应管工作时，需要外加如图4所示的偏置电压.
偏置电压的要求： 1 .栅-源极间加一负电压(vGS＜ 0) 作用：使栅-源极间的P+N结反偏，栅极电流iG≈0，场效应管呈现很高的输入电 阻(高达108W左右)。 2.漏-源极间加一正电压(vDS＞0) 作用：使N沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动， 形成漏极电流iD。 在上述两个电源的作用下,iD的大小主要受栅-源电压vGS控制，同时也受漏-源电 压vDS的影响。 因此，讨论场效应管的工作原理就是： （1）讨论栅-源电压vGS对漏极电流iD（或沟道电阻）的控制作用 （2）讨论漏-源电压vDS对漏极电流iD的影响。 (1)．vGS对iD的控制作用 图5所示电路说明了vGS对沟道电阻的控制作用。为便于讨论，先假设漏-源极 间所加的电压vDS=0。 (a) 当vGS=0时，沟道较宽，其电阻较小，如图5(a)所示。 (b) 当vGS<0，且其大小增加时，在这个反偏电压的作用下，两个P+N结耗尽层 将加宽。由于N区掺杂浓度小于P+区，因此，随着|vGS| 的增加，耗尽层将主要向 N沟道中扩展，使沟道变窄，沟道电阻增大，如图5(b)所示。