场效应管及其电路

第4章场效应管及其电路本章要点●MOS管的原理、特性和主要参数●结型场效应管原理、特性及主要参数●场效应管放大电路的组成与原理本章难点●MOS管的原理和转移特性及主要参数●场效应管的微变等效电路法场效应管(FET)是一种电压控制器件，它是利用输入电压产生电场效应来控制输出电流的。

它具有输入电阻高、噪声低、热稳定性好、耗电省等优点，目前已被广泛应用于各种电子电路中。

场效应管按其结构不同分为结型(JFET)和绝缘栅型(IGFET)两种，其中绝缘栅型场效应管由于其制造工艺简单，便于大规模集成，因此应用更为广泛。

4.1 绝缘栅场效应管(MOSFET)绝缘栅型场效应管简称MOS管，由于其内部由金属—氧化物—半导体三种材料制成，可分为增强型和耗尽型两大类，每一类中又有N沟道和P沟道之分。

下面主要讨论N沟道增强型MOS管的工作原理，其余三种仅做简要介绍。

4.1.1 N沟道增强型场效应管(NMOS管)1．结构N沟道增强型MOS管的结构如图4-1(a)所示。

它是在一块掺杂浓度较低的P型硅片(称为衬底)上，通过扩散工艺形成两个高掺杂的N+区，通过金属铝引出两个电极分别作为源极S和漏极D，再在半导体表面覆盖一层二氧化硅绝缘层，在源漏极之间的绝缘层上制作一铝电极，作为栅极G，另外从衬底引出衬底引线B(工作时通常与源极S接在一起)。

在两个N+区之间的半导体区，是载流子从源极S流向漏极D的通道，把它称为导电沟道。

由于栅极与导电沟道之间被二氧化硅所绝缘，故将此类场效应管称为绝缘栅型。

图4-1(b)是N沟道增强型MOS管的符号，其中箭头方向是由P(衬底)指向N(沟道)，由此可判断沟道类型。

符号中的三条断续线表示GS0 =U不存在导电沟道，它是判断增强型MOS管的特殊标志。

(a)结构示意图 (b)电路符号图4-1 N 沟道增强型MOS 管2．工作原理工作时，N 沟道增强型MOS 管的栅源电压GS u 和漏源电压DS u 均为正向电压，如图4-2所示。

图4-2 N 沟道增强型MOS 管工作原理(1) 栅源电压GS 0=u 时的情况此时，漏源之间为一条由半导体N-P-N 组成的两个反向串联的PN 结，因此即使加入漏源电压DS u ，因无导电沟道形成，漏极电流D 0=i ，如图4-2(a)所示。

(2) 栅源电压GS 0>u ，漏源电压DS 0=u 时的情况由于源极与衬底相连，所以从栅极经绝缘层到衬底间形成了垂直于半导体表面的电场。

该电场排斥P 衬底的多子(空穴)，同时吸引其中的少子(电子)，当栅源间的正电压达到某一数值后，在P 衬底靠近栅极的表面就会形成以自由电子为主体(即N 型半导体)的导电薄层。

这种由P 型半导体转化成的N 型薄层，被称为反型层。

反型层使漏源之间形成一条由半导体N-N-N 组成的导电沟道，如图4-2(b)所示。

若此时加入漏源电压DS u ，就会有漏极电流D i 产生。

我们把开始出现漏极电流D i 时的栅源电压GS u 称作开启电压，用T U表示。

栅源电压大于T U 后，GS u 越大，垂直电场就越强，反型层越厚，导电沟道的断面就越宽，加上漏源电压DS u 后形成的电流D i 就越大，体现出“增强型”的含义。

由此可以看出，通过改变GS u 的大小，能够起到控制输出电流D i 的目的。

3．特性曲线(1) 转移特性曲线转移特性曲线是指增强型NMOS 管在漏源电压DS u 一定时，输出电流D i 与输入电压GS u 的关系曲线，即D GS DS ()i f u u ==常数它表示在某一固定的DS u 下，输入电压GS u 对输出电流D i 的控制特性，图4-3(a)所示的为DS 10V ＝u 的一条转移特性曲线，曲线上D 0＝i 处的GS u 值就是开启电压T U 。

转移特性曲线的表达式为2GS D DO T 1u i I U ⎛⎫= ⎪⎝⎭- (GS T >u U ) (4-1)式中，DO I 是GST 2=u U 时的D i 值, T U 为开启电压。

(2) 输出特性曲线输出特性是指增强型NMOS 管在栅源电压GS u 一定时，输出电流D i 与漏源电压DS u 的关系曲线，即D DS GS ()i f u u ==常数如图4-3(b)所示，下面参照输出特性曲线，简单分析DS u 对D i 的影响情况。

图4-3 N 沟道增强型MOS 管特性曲线在正向电压DS u 的作用下，D i 自漏极流至源极，于是在导电沟道上就产生了压降，使得沟道上各点与栅极间的电压不再相等，靠近漏极附近的电压GD u 小于源极附近的电压GS u 。

漏极附近的电场减弱，反型层变薄，导电沟道呈楔形，如图4-4所示。

若DS u 值较小，沟道形状变化不大，D i 与DS u 成线性关系，若DS u 再继续增大，漏极附近的沟道将变得更薄，直至GD T =u U 时沟道被夹断，此后随着DS u 的增大，夹断区向源极方向延伸，漏极电流D i 趋于饱和。

图4-4 NMOS 管DS u 对D i 的影响情况4.1.2 P 沟道增强型场效应管(PMOS 管)P 沟道增强型MOS 管和N 沟道增强型MOS 管的主要区别在于作为衬底的半导体材料的类型不同，P 沟道增强型MOS 管以N 型硅作为衬底，另外，漏极和源极是从P +引出，反型层为P 型，对应的导电沟道也为P 型结构，其符号如图4-5所示。

图4-5 P 沟道增强型MOS 管电路符号在工作过程中，P 沟道增强型MOS 管的GS u 、DS u 的极性与N 沟道增强型MOS 管相反，均为负值，因此其开启电压T U 值也为负。

至于P 沟道增强型MOS 管的工作过程与N 沟道增强型MOS 管大体相同，这里不再赘述。

另外，在实际应用中，常常将P 沟道增强型MOS 管和N 沟道增强型MOS 管结合起来使用，称为CMOS ，也可称为互补MOS 。

由CMOS 构成的电路在功耗、抗干扰能力方面都优于由晶体管构成的电路，同时它还具有结构简单，便于大规模集成、制造费用较低等特点。

因此由CMOS 构成的集成逻辑电路越来越得到广泛应用。

4.1.3 N 沟道耗尽型场效应管N 沟道耗尽型MOS 管在制造时，在二氧化硅绝缘层中预先掺入了大量的正离子。

因而即使GS 0＝u ，P 衬底表面也可感应出较多的自由电子，形成反型层，建立起导电沟道，其结构如图4-6(a)所示。

我们将GS 0＝u 时有导电沟道存在的场效应管通称为耗尽型场效应管，符号中导电沟道用实线表示，如图4-6(b)。

此时若接入正向的DS u ，就会有漏极电流D i (即饱和漏极电流DSS I )产生；当GS 0>u 时，垂直电场增强，沟道变宽，电流D i 增大；当GS 0<u ，垂直电场削弱，沟道变窄，D i 减小；当GS P =u U (夹断电压)时，导电沟道消失，D 0＝i (耗尽)。

(a)结构示意图 (b)电路符号图4-6 N 沟道耗尽型MOS 管N 沟道耗尽型MOS 管其漏极电流D i 和栅源电压GS u 之间的关系表达式为2GS D DSS P 1u i I U ⎛⎫= ⎪⎝⎭- (4-2)式中DSS I 为饱和漏极电流，P U 为夹断电压。

4.1.4 P 沟道耗尽型场效应管P 沟道耗尽型MOS 管除了漏极、源极和衬底的半导体材料类型与N 沟道耗尽型MOS管的对偶外，还有一个明显的区别就是在二氧化硅绝缘层中掺入的是负离子，其符号如 图4-7所示。

图4-7 P 沟道耗尽型MOS 管电路符号4.2 结型场效应管(JFET)4.2.1 结型场效应管的结构结型场效应管的电极也是漏极D 、源极S 和栅极G ，与绝缘栅型场效应管不同的是漏极D 和源极S 通常可以对调使用。

结型场效应管也可分为N 沟道和P 沟道两种，可以通过符号中箭头的方向来加以区分。

JFET 结构示意图和符号如图4-8所示。

(a)结构示意图 (b)电路符号图4-8 结型场效应管4.2.2 结型场效应管的工作原理N 沟道和P 沟道JFET 的工作原理相同，下面以N 沟道结型场效应管为例进行说明。

为便于进一步说明GS u 对导电沟道的影响，先假设DS 0=u 。

当GS 0=u 时，如图4-9 (a)所示，场效应管两侧的PN 结均处于零偏置，因此耗尽层很薄，中间的导电沟道最宽，沟道等效电阻最小。

当GS 0<u 时，在GS u 作用下，场效应管两侧的耗尽层加宽，相应的中间导电沟道变窄，沟道等效电阻增大，如图4-9(b)所示。

当GS u 的反偏值增大到某一值时，场效应管两侧的耗尽层相接，导电沟道消失，这种现象称为夹断，如图4-9(c)所示，发生夹断时的栅源电压即为夹断电压P U 。

此时，沟道等效电阻趋于无穷大，即使加入DS u ，漏极电流D i 依然为零。

假设在漏源间加入电压DS u ，当GS u 变化时，沟道中流过的电流D i 将因沟道电阻的变化而变化。

图4-9 0=DS u 时，GS u 对导电沟道的影响4.2.3 特性曲线1．输出特性曲线图4-10(a)就是N 沟道结型场效应管的输出特性曲线，由图可见，其工作状态分为四个区域。

图4-10 N 沟道JFET 特性曲线(1) 可变电阻区DS u 较小，场效应管尚未出现预夹断的区域。

该工作区的特点是：D i 与DS u 近似成线性关系，改变GS u 曲线斜率就发生变化。

因此，工作在该区的场效应管可以看作是一个受栅源电压GS u 控制的可变电阻，即压控电阻。

(2) 恒流区DS u 较大超过P U ，输出特性曲线趋于水平的区域。

在这一区域内，D i 与DS u 无关，只受GS u 控制，是一个受电压控制的电流源。

场效应管作为放大器件应用时，均工作在这一区域，所以又称为放大区。

(3) 击穿区DS u 值很大，超过漏源击穿电压(BR)DS U ，漏极电流D i 迅速上升，对应输出特性曲线上翘的部分。

击穿后场效应管不能正常工作，甚至很快烧毁，因此，不允许场效应管工作在此区域。

(4) 截止区输出特性曲线靠近横轴，漏极电流D 0≈i 的区域。

此时GS P U U ≤，导电沟道被完全夹断，故也被称为夹断区。

2．转移特性曲线N 沟道JFET 转移特性曲线如图4-10(b)所示，在转移特性曲线上，GS 0=u 处的D D S S =i I ，而D 0=i 处的GS P =u U 。

在恒流区，D i 与GS u 之间的关系可近似表示为2GS D DSS P 1u i I U ⎛⎫= ⎪⎝⎭-条件为：P DS (BR)DS U u U -≤≤，P GS 0U u ≤≤各种场效应管的符号、电压极性以及特性曲线归纳于表4-1，可供选用时参考。

表4-1 各种场效应管的符号、电压极性以及特性曲线的比较4.2.4 场效应管的主要参数及使用注意事项1．场效应管的主要参数 (1) 夹断电压P U为耗尽型管子(含结型)的参数，是指DS u 为某一定值而D i 减小到某一微小值时的GSu 值。