04场效应管放大电路

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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 transistor

JFET－Junction Field Effect transistor

IGFET－Insulated Gate Field Effect Transistor

MOS－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 DSS

⑷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：

2

1⎪⎪

⎭⎫ ⎝

⎛-=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