场效应管及其放大电路

第3章
场效应管及其放大电路
场效应晶体管(简称场效应管)是一种利用电场效应来控制电流的半导体器件。

这种器件不仅具有体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特点,而且还具有输入电阻高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单等优点,因而大大扩展了其应用范围,特别是在大规模和超大规模集成电路中得到了广泛的应用。

根据结构的不同,场效应管可以分为两大类:结型场效应管(JFET )和金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET )。

本章首先介绍场效应管的结构、工作原理、特性曲线及主要参数,然后介绍场效应管放大电路的电路组成及其工作原理。

3.1 结型场效应管
3.1.1 结型场效应管的结构和工作原理
1.结构结型场效应管的结构示意图如图3-1(a )所示。

从图中可以看出,在N 型半导体两侧是两个高掺杂的P 区,从而形成两个PN 结。

两侧P 区从内部相连后引出一个电极称为栅极,用G 表图3-1 N 沟道结型场效应管
(a )结构 (b )符号示;从N 型半导体两端分别引出的两个电极称为源极和漏极,用S 和D 表示;两个PN 结中间的
·
94·
N 型区域称为导电沟道,这种结构称为N 沟道场效应管,图3-1(b )是它的代表符号。

场效应管分N 沟道和P 沟道两种,图3-2所示为P 沟道场效应管。

从场效应管代表符号中的箭头方向可以区分是N 沟道还是P 沟道。

2.工作原理下面以N 沟道结型场效应管为例,讨论场效应管的工作原理。

图3-3表示的是N 沟道结
型场效应管加入偏置电压后的接线图。

图3-2 P 沟道结型场效应管
(a )结构 (b
)符号图3-3 N 沟道结型场效应管
的工作原理
图3-4 u G S 对导电沟道的影响
正常工作时,场效应管中的PN 结必须外加反向电压。

对于N 沟道场效应管,当u G S <0,栅极电流几乎为0,场效应管呈现高达几十兆欧以上的输入电阻。

如果在漏极(D )和源极(S )之间加一正极性电压u D S ,N 沟道中的多数载流子(电子)将在电场作用下从源极向漏极流动,形成漏极电流i D 。

i D 的大小受u G S 的控制,当栅源电压u G S 改变时,由于PN 结的反向电压改变,两个PN 结的耗尽层将改变,导致导电沟道的宽度改变,也即沟道电阻的大小随之改变,从而使电流i D 发
生改变。

为了进一步说明u G S 对i D 的控制作用,先假设u D S =0的情况。

从图3-4中可以看出,当u G S ·
05·
=0时,两个PN结均处于零偏置,因此耗尽层很薄,中间的导电N沟道最宽,沟道电阻最小。

当u G S从0向负值增大时,两个PN结的耗尽层将加宽,使导电N沟道变窄,沟道电阻变大。

当|u G S|的数值进一步增大到某一定值∣U P∣时,两侧的耗尽层在中间合拢,导电沟道被夹断,此时沟道电阻将趋于无穷大,相应的u G S值称为夹断电压U P。

上述分析表明,u G S起着控制沟道电阻的作用。

如果在漏极和源极之间加上固定的u D S,则从漏极流向源极的电流i D将受u G S的控制。

当u G S=0,导电沟道最宽,沟道电阻最小,i D最大;当u G S=U P时,沟道被耗尽层夹断,i D近似为0。

可见,栅源电压u G S起着控制漏极电流i D大小的作用。

场效应管和第2章中介绍的三极管一样,可以看作是一种受控电流源,不过它是一种电压控制电流源。

3.1.2JFET的特性曲线
场效应管的工作性能,可以用它的特性曲线来表示。

图3-5是N沟道结型场效应管的转移特性和输出特性曲线。

1.转移特性曲线
由于场效应管的输入电阻特别大,栅极输入端基本上没有电流,所以讨论它的输入伏安特性没有意义。

对于场效应管通常用转移特性来表示栅源电压u G S对漏极电流i D的控制特性。

图3-5(a)是在u D S为某一固定值时的转移特性曲线。

从图中看出,当u G S=0时,i D最大,称为饱和漏电流,并用I D S S表示;随着|u G S|增大,i D变小;当u G S=U P时,i D≈0。

图3-5N沟道JFET的特性曲线
(a)转移特性(b)输出特性
可以用实验证明,在U P≤u G S≤0的范围内,漏极电流i D与栅源电压u G S的关系近似为
i D=I D S S(1-u G S/U P)2(3-1)
2.输出特性曲线
输出特性又称漏极特性,它表示在栅源电压u G S一定的情况下,漏极电流i D和漏源电压u D S 之间的关系。

N沟道JFET的输出特性曲线如图3-5(b)所示。

输出特性可以分为三个区: (1)可变电阻区
若u G S>U P,在u D S很小时,JFET工作于该区。

此时,导电沟道畅通,JFET的D、S之间相当于
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一个电阻,i D 随u D S 增大而线性增大,但沟道电阻是受u G S 控制的可变电阻,|u G S |愈大,沟道电阻愈大,故称为可变电阻区。

(2)截止区
当u G S ≤U P 时,JFET 的导电沟道被耗尽层夹断,i D ≈0,故称为截止区或夹断区。

(3)放大区若u G S >U P ,当u D S 增大到使JFET 脱离可变电阻区时,i D 不再随u D S 的增大而增大,i D 趋向恒图3-6 u D S 对导电沟道的影响定值。

在该区,i D 的大小受u G S 的控制,表现出JFET 电压控
制电流的放大作用。

从图3-5(b )可以看出,在放大区,
u G S =0时i D 最大,随着|u G S |的增大,i D 将减小。

但是在该区域,当u G S 一定时(
比如u Q S =0),i D 不会随u D S 的增大而增大。

因为,随着u D S 的增大,栅漏之间的电压u G D 会变得更负,当u G D ≤U P 之后,沟道靠漏极一端会出现
夹断点,如图3-6所示。

夹断点A 到源极之间的电压u A S (u A S =u G S +|U P |)是恒定的,而漏极电流i D 的大小由夹断
点到源极之间的电压u A S 来决定,因此,i D 不会随u D S 的增大而增大。

有必要说明,在放大区近漏端发生的夹断,称为预
夹断,它与u G S ≤U P 时JFET 处于截止区的全夹断是不同的。

3.1.3 JFET 的主要参数
1.夹断电压U P
在规定了温度和测试电压u D S 的情况下,当漏极电流i D 趋向于0(例如50μA )时,所测得的
栅源反偏电压u G S 就称为夹断电压U P 。

对于N 沟道JFET ,U P <0;而P 沟道JFET ,U P >0。

有的教材用u G S (o f f )表示夹断电压。

2.饱和漏电流I D S S 在u G S =0条件下,外加漏源电压u D S 使JFET 工作于放大区时的漏极电流称为饱和漏电流
I D S S 。

在转移特性上,就是u G S =0时的漏极电流。

3.击穿电压U (B R )D S U (B R )D S 表示漏源之间发生击穿,漏极电流从恒流值开始急剧上升时的u D S 值。

选用JFET 时,
外加电压u D S 不允许超过该值。

4.直流输入电阻R G S R G S 表示栅源之间的直流电阻。

由于u G S 为反偏电压,所以R G S 的值很大,一般大于10M Ω。

5.输出电阻r D S 在放大区,r D S 数值很大,一般在几十至几百千欧。

在可变电阻区,沟道畅通,其值很小,当u G S =0时,该电阻称为JFET 的导通电阻。

6.低频跨导g m
在u D S 为规定值的条件下,漏极电流变化量与引起这个变化的栅源电压变化量之比,称为跨
导g m (或互导),即·25·
(3-2)
g m=Δi DΔu
G S U D S=常数
跨导g m的单位是S(西门子)常用mS或μS。

跨导g m反映了栅源电压对漏极电流的控制能力。

3.2绝缘栅场效应管
JFET的直流输入电阻虽然可达106～109Ω,但由于这个电阻是PN结的反向电阻,PN结反向偏置时总会有一些反向电流存在,这就限制了输入电阻的进一步提高,而且JFET的输入电阻还受温度的影响。

绝缘栅场效应管是利用半导体的表面场效应进行工作的,它的栅极和沟道之间是绝缘的,因此它的输入电阻可大于109Ω,最高可达1015Ω。

目前应用最广的绝缘栅场效应管是金属-氧化物-半导体场效应管,称为MOSFET(简称MOS管)。

MOS管除了有N沟道和P沟道之分外,还有增强型和耗尽型之分。

所谓增强型,就是在u G S =0时,没有导电沟道;所谓耗尽型,是当u G S=0时,就存在导电沟道。

下面主要讨论N沟道增强型的MOSFET,然后比较各种MOSFET的特点。

3.2.1N沟道增强型MOSFET
1.结构
N沟道增强型MOSFET的结构如图3-7(a)所示。

它以一块掺杂浓度较低的P型半导体作为衬底B,利用扩散工艺在P型硅片上形成两个高掺杂的N+区,分别作为源极S和漏极D。

然后在栅极G(金属铝电极)与衬底P之间生成一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层,称为绝缘栅。

图3-7(b)是N沟道增强型MOS管(简称NMOS管)的代表符号,箭头方向是由P(衬底)指向N 沟道。

图3-7(c)是P沟道增强型MOS管(简称PMOS管)的代表符号,其箭头方向是由P沟道指向N(衬底)。

图3-7增强型MOS管
(a)结构(b)NMOS管(c)PMOS管
2.工作原理
MOS管的源极S和衬底通常是连在一起的(大多数MOS管在出厂前就已连接好)。

若在栅
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源之间加上正向电压,则栅极和衬底之间相当于以SiO2为介质的平板电容器。

在u G S作用下,将
在绝缘层中产生指向衬底的电场。

这个电场将P区中的自由电子吸引到衬底表面,同时排斥衬底表面的空穴。

u G S越大,吸引到P衬底表面层的电子越多,当u G S达到一定数值时,这些电子在
栅极附近的P型半导体表面形成的一个N型薄层,通常把这个在P型衬底表面形成的N型薄层称为反型层,这个反型层实际上就构成了源极和漏极之间的N型导电沟道。

若在漏源之间加上电压u D S,就会产生漏极电流i D。

显然,在u D S一定时,栅源电压u G S越大,则作用于半导体表面的电场就越强,吸引到衬底表面的电子就越多,导电沟道就越宽,沟道电阻就越小,漏极电流i D就
越大。

与JFET类似,可以通过改变u G S的大小,达到控制漏极电流i D的目的。

通常把开始形成导电沟道时的栅源电压称为开启电压,用U T表示。

图3-8画出了增强型NMOS管在u G S≥U T 时产生导电沟道的情况。

图3-8增强型NMOS产生导电沟道的情况
3.特性曲线和参数
(1)转移特性曲线
图3-9(a)是增强型NMOS管的转移特性曲线。

从图中可以看出,当u G S<U T时,i D=0, NMOS管截止;当u G S>U T时,NMOS管导通,在u D S一定时,i D随着u G S增大而增大。

图3-9NMOS管的特性曲线
(a)转移特性(b)输出特性
(2)输出特性曲线
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图3-9(b)是增强型NMOS管的输出特性曲线。

从图中可以看出u D S对i D的影响。

NMOS管的输出特性也可分为可变电阻区、放大区和截止区,其基本原理与JFET相似,这里不再赘述。

(3)参数
增强型MOS管的参数大部分与JFET类似,只不过用开启电压U T取代夹断电压U P,此外没有饱和漏电流这一参数。

有的教材用U G S(th)表示开启电压。

3.2.2各种场效应管的特性比较及使用注意事项
1.各种场效应管的特性比较
上面以增强型NMOS管为例,讨论了它的结构、工作原理、特性及参数,这些分析也适用于增强型PMOS管。

为了帮助读者学习,特将各类场效应管的特性列于表3-1中。

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MOSFET中还有一种采用特殊工艺制造的垂直沟道VMOS管,VMOS管具有跨导较大、适合大功率使用等特点。

VMOS管的漏极电流可达8A,漏极电源电压可达500V。

2.使用注意事项
(1)场效应管的漏极和源极可以互换,但有的MOSFET产品在出厂前已将源极与衬底相连,这时则不能将漏极和源极对调使用。

(2)应当注意,JFET的栅源之间必须加反偏电压,以保证有高的输入电阻。

(3)要防止栅极悬空,在保存时应将栅源间处于短路状态,以免外电场击穿绝缘层而使管子损坏。

3.3场效应管放大电路
对应三极管的共射、共集及共基放大电路,场效应管放大电路也有共源、共漏和共栅三种基本组态。

下面以JFET组成的共源极放大电路为例,介绍场效应管放大电路的工作原理。

3.3.1场效应管放大电路的直流偏置电路
1.自偏压电路
自偏压电路如图3-10所示。

在图中,场效应管栅极通过栅极电阻R G接地,源极通过源极电阻R S接地。

这种偏置方式利用JFET(或耗尽型MOS管)在栅源电压u G S=0时,漏极电流i D≠0的特点,以漏极电流在源极电阻R S上的直流压降,给栅源之间提供反向偏置电压。

也就是说,在静态时,源极电位u S=i D R S,由于栅极电流为0,R G上没有压降,栅极电位u G=0,所以栅源之间的偏置电压为
u G S=u G-u S=-i D R S(3-3)要说明的是,自偏压方式不能用于由增强型MOS管组成的放大电路。

因为增强型MOS管·65·
只有当u G S达到U T时才有i D产生。

对于图3-10电路的静态工作点,可以利用式(3-1)和式(3-3)求联立方程,即
I D=I D S S(1-U G S/U P)2(3-4)
U G S=-I D R S(3-5)求得I D和U G S之后,则有
U D S=V D D-I D(R D+R S)(3-6)例3-1电路如图3-10所示,已知I D S S=0.5mA,U P=-1V,试确定电路的静态工作点。

解:根据上面分析得到的公式有
I D=0.5(1+U G S)2
U G S=-2I D
将U G S表达式代入I D表达式中,得
I D=0.5(1-2I D)2
解方程得
I D=(0.75±0.56)mA
而I D S S=0.5mA,I D不应大于I D S S,所以
I D Q=0.19mA
U G S Q=0.38V
U D S Q=11.9V
图3-10自偏压电路图3-11分压式自偏压电路
2.分压式自偏压电路
虽然自偏压电路比较简单,但是当静态工作点确定后,u G S和i D就确定了,因而R S选择的范围很小。

分压式自偏压电路是在图3-10电路的基础上加接分压电阻后组成的,如图3-11所示。

漏极电源V D D经分压电阻R G1和R G2分压后,通过R G3供给栅极电压,u G=R G2V D D/(R G1+ R G2);同时漏极电流在源极电阻R S上也产生压降,u S=i D R S。

因此,静态时加在JFET上的栅源电压为
u G S=u G-u S
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=V D D R G2/(R G1+R G2)-i D R S(3-7)同样可根据式(3-1)和(3-7)求联立方程,即
I D=I D S S(1-U G S/U P)2
U G S=V D D R G2/(R G1+R G2)-I D R S
从而求出I D和U G S,并求出
U D S=V D D-I D(R D+R S)
得出电路的静态工作点。

3.3.2场效应管放大电路的动态分析
图3-10自偏压电路可以用图3-12的交流等效电路来表示,图中R L为放大电路外加的负载电阻。

从图中不难求出电压放大倍数A u、R i和R o三个性能参数。

图3-12共源放大电路交流等效电路
1.电压放大倍数A u
由图3-12可得出
A u=u o/u i=(-i d R′L)/u gs=-(g m u g s R′L)/u g s
即
A u=-g m R′L(3-8)其中,R′L=R D∥R L。

式(3-8)表明,JFET共源放大电路的电压放大倍数A u与跨导g m成正比,且输出电压与输入电压反相。

2.输入电阻R i和输出电阻R o
由图3-12可得
R i≈R G(3-9)
R o≈R D(3-10)可见,共源放大电路的输入电阻R i主要由偏置电阻R G决定,而输出电阻R o则由漏极电阻R D决定。

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本章小结
第2章讨论的三极管是电流控制电流器件,有两种载流子参与导电,属于双极型器件;而场效应管是电压控制电流器件,参与导电的只有一种载流子,因而称为单极型器件。

虽然这两种器件的控制原理有所不同,但组成电路形式极为相似,分析方法也基本相同。

结型场效应管是通过改变PN 结的反偏电压大小来改变导电沟道宽窄的。

JFET 有N 沟道和P 沟道两种类型,类型不同,漏极电源的极性也应当不同。

场效应管通常用转移特性来表示输入电压对输出电流的控制性能,用输出特性的三个区来表示它的输出性能。

工作于可变电阻区的FET 可作为压控电阻使用,工作于放大区可作为放大器件使用,工作于截止区和导通区(通常指可变电阻区)时可作为开关使用。

绝缘栅场效应管是利用改变栅源电压来改变导电沟道宽窄的。

MOS 管分N 沟道和P 沟道两种,每一种还分增强型和耗尽型。

MOS 管由于制造工艺简单,十分便于大规模集成,所以在大规模和超大规模数字集成电路中得到极为广泛的应用,同时在集成运算放大器和其他模拟集成电路中已得到迅速发展。

场效应管的直流偏置电路分自偏压和分压式两种,场效应管放大电路也有共源、共漏和共栅三种组态。

分析三极管放大电路所用的方法基本上适用于场效应管放大电路,但是要充分考虑到场效应管具有极高的输入电阻并且是一种电压控制器件这两个特点。

在应用方面,凡是三极管可以使用的场合,原则上也可以使用场效应管。

但必须注意,场效应管的突出优点是输入电阻极高,不足之处是单级增益较低。

思考题与习题
3-1 为什么MOSFET 的输入电阻比JFET 还高?3-2 FET 有许多类型,它们的输出特性及转移特性各不相同,请总结出判断FET 类型及电压极性的规律。

图T3-3
3-3 一个JFET 的转移特性曲线如图T3-3所示,试问:
(1)它是P 沟道还是N 沟道的JFET ?(2)它的夹断电压U P 和饱和漏极电流I D SS 各为多少?
·
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3-4图T3-4所示为MOSFET的转移特性,请分别说明各属于何种沟道。

如是增强型,说明它的开启电压U T为多少;如是耗尽型,说明它的夹断电压U P为多少。

(假定图中i D的正方向为流进漏极。

)
图T3-4
3-5增强型FET能否用自偏压的方法来设置静态工作点?请说明理由。

3-6电路参数如图T3-6所示,其中R G1=2MΩ,R G2=47kΩ,R D=30kΩ,R S=2kΩ,V D D=18V,FET的U P=-1V,I D SS=0.5mA,请确定静态工作点。

图T3-6图T3-7
3-7如图T3-7所示的自偏压电路,设V D D=20V,R D=4.3kΩ,R S=5kΩ,R L=1MΩ,R G=1MΩ,C S=10μF,C1=C2=0.1μF,管子参数U P=-2V,I D S S=0.5mA,输出电阻忽略不计。

试求电路的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。

已知g m=-2U P I D SS I D Q mS
3-8为什么场效应管低频放大电路中的耦合电容一般取值较小,例如0.01μF,而普通三极管放大电路耦合电容的取值较大,例如10μF以上?
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