1、1第三章 场效应管及其放大电路由于半导体三极管工作时，必须保证发射结正向偏置，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，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，因此其输入电阻十分高，可高达上百兆欧。除此之外，场效应管还具有温度稳定性好、抗幅射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等优点，所以得到广泛的应用。由于半导体三极管参与导电的是两种极性的载流子：电子和空穴，所以又称半导体三极管为双极性三极管。场效应管仅依靠一种极性的载流子导电，所以又
2、称为单极性三极管。场效应管分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（又称为 MOS 管） 。第一节 结型场效应管一、结构结型场效应管有两种结构形式。下图（a）为 N 型沟道结型场效应管，图（b ）是 P 型沟道结型场效应管，其电路符号如图（c ） 、 （d）所示。2以 N 沟道为例。在一块 N 型硅半导体材料的两边，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
3、 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。电路符号中栅极的箭头方向可理解为两个 PN 结的正向导电方向。二、工作原理本节只讨论 N 沟道结型场效应管的工作原理，P 沟道结型场效应管的导电机理和工作原理与 N 沟道型场效应管类似。从结构图（a）可看出，在 D、S 间加上电压 UDS，则在源3极和漏极之间形成电流 ID。通过改变栅极和源极的反向电压UGS，则可以改变两个 PN 结阻挡层（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。故改变 UGS，就可以改变沟道宽度，其沟道电阻
4、也随之而变，从而改变漏极电流 ID。如 |UGS| 上升，则沟道变窄，电阻增加，I D 下降，反之亦然。所以，改变 UGS 的大小，可以控制漏极电流，这是场效应管工作的核心部分。1U GS 对导电沟道的影响为便于讨论，先假设 UDS0当 UGS 由零向负值增大时，PN 结的阻挡层加厚，沟道变窄，电阻增大。如下图（a） 、 （b）所示。当 UGS 的负值再进一步增大，当 UGSU P 时，两个 PN 结的阻挡层相遇，沟道消失，我们称为沟道被“夹断”了，U P 称为夹断电压，此时 ID0，如图（c）所示。2I D 与 UDS、U GS 之间的关系假定栅、源电压|U GS|U P|，如 UGS1V，
5、而4UP4V，当漏、源之间加上电压 UDS2V 时，沟道中将有电流 ID 通过，此电流将沿着沟道的方向产生一个电压降，这样沟道上各点的电位就不同，因而各点与栅极之间的电位差也就不相等。漏极 D 端与栅极 G 之间的反向电压最高，如 UDGU DSU GS2（1）3V ，沿着沟道向下逐渐降低，使源极端为最低，如 USGU GS1V，两个 PN 结的阻挡层将出现楔形，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，若增大 UDS，由于沟道电阻增长较慢，所以 ID 随之增加。当 UDS 进一步增加到使栅、漏间电压 UGD 等于 UP 时，即UGDU GSU DSU P则在 D
6、 极附近，两个 PN 结的阻挡层相遇，如上图（b）所示，我们称为预夹断。如果继续升高 UDS，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 UDS 的增加速率基本相同，故这一期间 ID 趋于一恒定值，不随 UDS 的增大而增大，此时，漏极电流的大小仅取决于 UGS 的大小，UGS 越负，沟道电阻越大，I D 便越小，直到 UGSU P，沟道5被全部夹断，I D0，如上图（c）所示。由于结型场效应管工作时，我们总是在栅、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 IG0，所以，场效应管的输入电阻 rgs 很高。三、特性曲线1输出特性曲线下图为 N 沟道场
7、效应管输出特性曲线。以 UGS 为参变量时，漏极电流 ID 与漏、源电压 UDS 之间的关系，称为输出特性。根据工作情况，输出特性可划分为 4 个区域，即：可变电阻区、恒流区、击穿区和截止区。（l）可变电阻区。可变电阻区位于输出特性曲线的起始部分，图中用阴影线标出。此区的特点是：固定 UGS 时，I D 随 UDS 增大而线性上升，相当于线性电阻；改变 UGS 时，特性曲线的斜率变化，即相当于电阻的阻值不同，UGS 增大，相应的电阻增大。因此在此区域，场效应管可看作一6个受 UGS 控制的可变电阻，即漏、源电阻 RDSf(U GS)。（2）恒流区。该区的特点是：ID 基本不随 UDS 变化，仅
8、取决于 UGS 值，输出特性曲线趋于水平，故称为恒流区或饱和区。当组成场效应管放大电路时，为防止出现非线性失真，应使工作点设置在此区域内。（3）击穿区。位于特性曲线的最右部分，当 UDS 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，由于 UGS越负时，达到雪崩击穿所需的 UGS 电压愈小，故对应于 UGS 越负的特性曲线击穿越早。其击穿电压用 BUDS 表示，当 UGS0时，其击穿电压用 BUDSS 表示。（4）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 D0，场效应管截止。2转移特性曲线上右图所示为 N 沟道结型场效管的转移特性曲线。当漏、源之
9、间的电压 UDS 保持不变时，漏极电流 ID 和栅、源之间电压UGS 的关系称为转移特性。它描述了栅、源之间电压 UGS 对漏极电流 ID 的控制作用。由图可见，U GS0 时，I DI DSS 称为饱和漏极电流。随 |UGS|增大，I D 愈小，当 UGSU P 时，I D0。因此 UP 称为夹断电压。结型场效应管的转移特性在 UGS0U P 范围内可用下面近似公式表示： 2PGSDS)1(I转移特性和输出特性同是反映场效应管工作时，U DS、U GS7和 ID 三者之间的关系的，所以它们之间是可以相互转换的。如根据输出特性曲线可作出转移特性曲线，其作法如下：在输出特性曲线上，对应于 UDS
10、 等于某一固定电压作一条垂直的直线，将垂线与各条输出特性曲线的交点所对应的 ID、U GS 转移到ID UGS 坐标中，即可得转移特性曲线，如下图所示。由于在恒流区内，同一 UGS 下，不同的 UDS，I D 基本不变，故不同的 UDS 下的转移特性曲线几乎全部重合，因此可用一条转移特性曲线来表示恒流区中 UGS 与 ID 的关系。在结型场效应管中，由于栅极与沟道之间的 PN 结被反向偏置，所以输入端电流近似为零，其输入电阻可达 107 以上。当需要更高的输入电阻时，则应采用绝缘栅场效应管。8第二节 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
11、，简称为 MOS 场效应管。由于这种场效应管的栅极被绝缘层（SiO 2）隔离，因此其输入电阻更高，可达 109 以上。从导电沟道来区分，绝缘栅场效应管也有 N 沟道和 P 沟道两种类型。此外，无论是 N 沟道或 P 沟道，又有增强型和耗尽型两种类型。下面，以 N 沟道增强型的 MOS 场效应管为主，介绍其结构、工作原理和特性曲线。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下图所示。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 SiO2 的绝缘层，再在 SiO2 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
12、表示） ，并在 N 区和 SiO2 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。衬底也接出一根引线，通常情况下将它和源极在内部9相连。2工作原理结型场效应管是通过改变 UGS 来控制 PN 结的阻挡层的宽窄，从而改变导电沟道的宽度，达到控制漏极电流 ID 的目的。而绝缘栅场效应管则是利用 UGS 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 ID 的目的。对 N 沟道增强型的 MOS 场效管，当 UGS0 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
13、电压，漏源总是不导通的，I D0。当 UGS0 时（为方便假定 UDS0） ，则在 SiO2 的绝缘层中，产生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 UGSU T 时，在绝缘栅下的 P 型区中形成了一层电子数为主的 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。UT 称为开启电压，此时在漏、源极间加 UDS，则形成电流 ID。显然，此时改变 UGS 则可改变沟道的宽窄，即改变沟道电阻大10小，从而控制了漏极电流 ID 的大小。由于这类场效管在 UGS0 时，I D0，只有在 UGSU T 后才出现沟
14、道，形成电流，故称为增强型。上述过程如下图所示。3特性曲线N 沟道增强型场效应管，也用输出特性、转移特性表示ID、 UGS、U DS 之间的关系，如图所示。由图（a）的转移特性曲线可见，当 UGSU T 时，由于尚未形成导电沟道，因此 ID 基本为零。当 UGSU T 时，形成导电沟道才形成电流，而且 UGS 增大，沟道变宽，沟道电阻变小，I D也增大。通常将 ID 等于某一数值（例如 10A ）时的 UGS 定义为开启电压 UT。MOS 场效应管的输出特性同样可以划分为 4 个区：可变电阻区、恒流区、击穿区和截止区，如图（b）所示。11二、N 沟道耗尽型 MOS 场效应管耗尽型 MOS 场效
15、应管，是在制造过程中，预先在 SiO2 绝缘层中掺入大量的正离子，因此，U GS0 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，如图所示。所以当 UDS0 时，将产生较大的漏极电流ID。如果使 UGS0，则它将削弱正离子所形成的电场，使 N 沟道变窄，从而使 ID 减小。当 UGS 更负，达到某一数值时沟道消失，I D0 。使 ID0 的 UGS 我们也称为夹断电压，仍用 UP 表示。N 沟道 MOS 耗尽型场效应管的特性曲线如下图所示。为便于比较，将各种场效应管的符号和特性曲线列于下表中。12注：流入漏极的 ID 方向为 ID 的正方向。 13耗尽
16、型 MOS 管的电路符号中没有断续线，这表示在没有加UGS 时，已经有了导电沟道。14第三节 场效应管的主要参数场效应管主要参数包括以下几项：一、直流参数1饱和漏极电流 IDSS这是耗尽型和结型场效应管的一个重要参数，它的定义是当栅源之间的电压 UGS0，而漏极、源极之间的电压 UDS 大于夹断电压 UP 时对应的漏极电流。2夹断电压 UPUP 也是耗尽型和结型场效应管的重要参数，其定义为当UDS 一定时，使 ID 减小到某一个微小电流（如 1A 或 50A）时所需的 UGS 值。3开启电压 UT这是增强型场效应管的重要参数，它的定义是当 UDS 一定时，漏极电流 ID 达到某一数值（例如 1
17、0A ）时所需加的 UGS 值。4直流输入电阻 RGSRGS 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 RGS 很高。二、交流参数1低频跨导 gm此参数是描述栅源电压 UGS 对漏极电流的控制作用。它的定义是当 UDS 一定时， ID 与 UGS 的变化量之比。跨导 gm 的单位是mAV。 gm 反映了栅源电压 UGS 对漏极电流 ID 的控制作用，体现了场效应管的放大能力。g m 表现在转移特性上就是静态工作15点处特性曲线的斜率。2极间电容场效应管三个电极之间的电容，包括 CGS、C GD 和 CDS，这些极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个
18、 pF。3交流输出电阻 rdsrds 的大小说明了 uDS 对 iD 的影响程度。在恒流区，漏极电流基本上不受漏源电压的影响，一般 rds 在几千欧姆到几百千欧姆范围内。三、极限参数1漏极最大允许耗散功率 PDmPDm 与 ID、U DS 有如下关系：PDmI DUDS这部分功率将转化为热能，使管子的温度升高。P Dm 决定于场效应管允许的最高温升。2漏、源击穿电压 BUDS在场效应管输出特性曲线上，当漏极电流 ID 急剧上升，产生雪崩击穿时的 UDS。工作时外加在漏、源之间的电压不得超过此值。3栅极击穿电压 BUGS结型场效应管正常工作时，栅、源之间的 PN 结处于反向偏置状态，若 BUGS
19、 过高，PN 结将被击穿。对于 MOS 场效应管，由于栅极与沟道之间有一层很薄的二氧化硅绝缘层，当 UGS 过高时，可能将 SiO2 绝缘层击穿，使栅极与衬底发生短路。这种击穿不同于 PN 结击穿，而和电容器击16穿的情况类似，属于破坏性击穿，即栅、源间发生击穿，MOS管立即被损坏。除了上述参数之外，场效应管还有低频噪声系数 NF、最高工作频率等参数，使用时可根据需要查阅手册。17第四节 场效应管的特点场效应管具有放大作用，可以组成各种放大电路，它与双极性三级管相比，具有如下几个特点：（1）场效应管是一种电压控制器件，即通过 UGS 来控制ID。双极性三极管是电流控制器件，通过 IB 来控制
20、IC。（2）场效应管输入端几乎没有电流，所以其直流输入电阻和交流输入电阻都非常高。而双极性三极管，e 结始终处于正向偏置，总是存在输入电流，故 be 极间的输入电阻较小。（3）由于场效应管是利用多数载流子导电的，因此，与双极性三极管相比，具有噪声小，受幅射的影响小，热稳定性较好，而且存在零温度系数工作点，如图为同一场效管在不同温度下的转移特性，几条特性曲线有一个交点，若放大电路中场效应管的栅极电压选在该点，则当温度改变时 ID 的值不变，该点称为零温度系数工作点。（4）由于场效应管的结构对称，有时漏极和源极可以互换使用，而各项指标基本上不受影响，因此应用时比较方便灵活。18但是，有的绝缘栅场效
21、应管，制造时源板已和衬底连在一起，则漏极和源极不能互换。（5）场效应管的制造工艺简单，有利于大规模集成。特别是 MOS 电路，每个 MOS 场效应管的硅片上所占的面积只有双极性三极管的 5，因此集成度更高。（6）由于 MOS 场效应管的输入电阻可高达 1015，因此，由外界静电感应（或人体接触栅极）所产生的电荷不易泄漏，而栅极上的 SiO2 绝缘层又很薄，这将在栅极上产生很高的电场强度，以致引起绝缘层击穿而损坏管子。为此，在存放时管子时，应将各电极引线短接。焊接时，要注意将电烙铁外壳接上可靠地线，或者在焊接时，将电烙铁与电源暂时脱离。目前，一些 MOS 管子采用如图所示的栅极保护电路，正常工作
22、时，稳压管 D1、D 2 都截止，R 上压降为零，对 MOS 管的工作无影响。（7）场效应管的跨导较小，当组成放大电路时，在相同的负载电阻下，电压放大倍数比双极型三极管低。19第五节 场效应管放大电路场效应管具有放大作用，它的三个极与双极性三极管的三个极，存在着对应关系，即：栅极 G 对应基极 b；源极 S 对应发射极 e；漏极 D 对应集电极 c。所以根据双极性三极管放大电路，可组成相应的场效应管放大电路。但由于两种放大器件各自的特点，故不能将双极性三极管放大电路的三极管，简单地用场效应管取代，组成场效应管放大电路。双极性三极管是电流控制器件，组成放大电路时，应给双极性三极管设置偏流。而场效
23、应管组成放大电路时，也应给场效应管建立合适的静态工作点，由于场效应管是电压控制器件，故应设置偏压，即需要建立合适的栅源电压（也叫栅极偏置电压 UGSQ） ，以保证放大电路具有合适的工作点，避免输出波形产生严重的非线性失真。一、静态工作点与偏置电路由于场效应管种类较多，故采用的偏置电路，其电压极性必须考虑。下面以 N 沟道场效应管为例进行讨论。由于场效应管又分为耗尽型和增强型，因此偏置电路也有所区别，耗尽型场效应管只能工作在 uGS0 的区域。下图为自给偏压电路，它适用于结型场效管或耗尽型场效应管。20该电路是依靠漏极电流 ID 在 RS 上的电压降提供栅极偏压，即 UGSI DRS (1)为减
24、少 RS 对放大倍数的影响，在 RS 两端并联一个足够大的旁路电容 CS，该电容对 静态工作点没 有影 响，但是对交流信号是短路的。由场效应管工作原理可知，I D 是随 UGS 变化的，而现在 UGS又取决于 ID 的大小，怎样确定静态工作点 ID 和 UGS 的值呢？一般可采用两种方法：图解法和计算法。1图解法首先，由漏极回路写出方程UDDI DRDU DSI DRS就是 UDSU DDI D(RDR S) (2)由此式在场效应管的输出特性曲线上作出直流负载线 AB，将此直流负载线逐点转到 uGSi D 坐标，得到对应直流负载线的转移特性曲线 CD，如图所示。再由（ 2）式在 uGSi D
25、坐标系中作另一条直线，两线的交点即为 Q 点。212计算法场效应管的 ID 和 UGS 之间的关系可用下式近似表示，即（3）2PGSS)1(IDSS 为饱和漏极电流，U P 为夹断电压，可由手册查出。联立解式（1） 、 （3）即可求得静态时的 ID 和 UGS 值。例：电路如上图所示，场效应管为 3DJ6，其输出特性曲线如下图所示。已知 RD2k，R S 1.2k，U DD15V，试用图解法确定该放大器的静态工作点。解：写出输出回路的电压电流方程，即直流负载线UDSU DDI D(RDR S)设 UDD0 时： mA7.42.15ISDID0 时： UDS15V在输出特性图上将上述两点相连即得
26、直流负载线。22再将上述直流负载线与输出特性曲线族的交点，在 uGSi D坐标系中画出该直流负载线的转移特性曲线，见图。在转移特性曲线上，作出 UGSI DRS 的曲线，它在uGS iD 坐标系中是一条直线，找出两点即可：令 ID0，则 UGS 0；令 ID3mA，则 UGS3.6V连接该两点，在 uGSi D 坐标得一直线，此线与转移特性曲线的交点，即为 Q 点。对应 Q 点的值为：ID 2.5 mA， UGS 3 V， UDS 7 V另一种常用的偏置电路为分压式偏置电路，如下图所示。23该电路适合于增强型和耗尽型 MOS 管和结型场效应管。为了不使分压电阻 R1、R 2 对放大电路的输入电阻影响太大，故通过 RG 与栅极相连。该电路栅、源电压为UGSU GU S I DRS21U为使工作点受温度的影响最小，应尽量将栅偏压设置在零温度系数附近。利用图解法求 Q 点时，此方程的直线不通过 uGSi D 坐标系的原点，而是通过 ID0，U GS 点，其它过程与D21UR自偏电路相同，此处不赘述。利用计算法求解时，需联立解下面方程组UGSU GU S I DRS21URPDS)(I请参考 P.92 例 2
