场效应管及其基本放大电路

1、323场效应管及其基本放大电路场效应管（FET）1场效应管的特点场效应管诞生于20世纪60年代，它主要具有以下特点： 它几乎仅靠半导体中的多数载流子导电，故又称为单级型晶体管。 场效应管是利用输入回路的电场效应来控制输出回路的电流，并以此命名。 输入回路的内阻高达 107-1012 Q;另外还具有噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、 耗电小，体积小、重量轻、寿命长等特点，因而广泛地应用于各种电子电路中。场效应管分为结型和绝缘栅型两种不同的结构，下面分别加以介绍。2.结型场效应管结型场效应管的符号和N沟道结型场效应管的结构结型场效应管（JFET）有N沟道和P沟道两种类型，图3-62（a）所示为它们

2、的符号。 N沟道结型场效应管的结构如图3-62（b）所示。它在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区，并将它们连接在一起，引出电极，称为栅极G; N型半导体的两端分别引出两个 电极，一个称为漏极 D, 个称为源极 S。P区与N区交界面形成耗尽层，漏极与源极间的非耗尽层区域称为导电沟道。N冏道P沟道符号（b）N沟道管的结构示意图图3-62结型场效应管的符号和结构示意图结型场效应管的工作原理为使N沟道结型场效应管正常工作， 应在其栅-源之间加负向电压（即U GS ”： 0 ）,以保 证耗尽层承受反向电压；在漏 -源之间加正向电压 uDS,以形成漏极电流iD。下面通过栅-源 电压Ugs和漏-源电压U

3、ds对导电沟道的影响，来说明管子的工作原理。 当Uds=0V （即卩D、S短路）时，Ugs对导电沟道的控制作用i当Ugs=OV时，耗尽层很窄，导电沟道很宽，如图3-63（a）所示。（c）所示）,沟道电阻趋于无ii当Ugs增大时，耗尽层加宽，沟道变窄（图 （b）所示），沟道电阻增大。说当UGS增大到某一数值时，耗尽层闭合，沟道消失（图穷大，称此时Ugs的值为夹断电压U GS（off ）。dN PlS Ugs= 0V(b)U GS(off) Ugs 0V (b)Ugd =U GS(off )(C)Ugd U GS(off)0.图 3-64 U gs(off) Ugs 0 的情况i若Uds=0V时，

4、则虽有导电沟道存在，但多子不会产生定向移动，因而漏极电流为ii若UdsOV时，则有电流iD从漏极流向源极，从而使沟道中各点的电位与栅极电位不再相等，而是沿沟道从源极到漏极逐渐升高，造成靠近漏极一边的耗尽层比靠近源极一边的宽，见图3-64(a)所示。说若Uds增大，则电流iD将随Uds的增大而线性增大；D-S间呈现电阻特性，但阻值 随栅-源电压UGS确定。卜若Uds的增大使Ugd等于U GS(off)，则漏极一边的耗尽层就会出现夹断区，(见图(b)所示)，称Ugd=Ugs5)为予夹断。v若Uds继续增大，则Ugd U GS (off) (注意：Ugd和U GS(off) 均为负值，即 Ugd|

5、A|UGS(Off)，耗尽层闭合部分将沿沟道方向延伸，即夹断区加长，见图(C)所示。这时，一方面电流所受阻力加大，只能从夹断区的窄缝以较高速度通过，从而导致iD减小；另一方面，随着Uds的增大，使漏-源间的纵向电场增强，也必然导致iD增大。实际上，上述iD的两种变化趋势相抵消，使iD几乎不变，表现出iD的恒流特性。这时，iD仅仅决定于UGS。当UGDUGS(off)时，未出现夹断现象，对应于不同的Ugs , D-S间等效成不同阻值的电 阻。ii当Uds增大使Ugd =U GS(off)时，D-S之间予夹断。iii当Uds继续增大，夹断区加长时，漏极电流iD几乎仅仅决定于Ugs。结型场效应管的特

6、性曲线 输出特性曲线iDf数(3-76 )输出特性曲线描述当栅-源电压为常量时，漏极电流iD与漏-源电压UDS之间的函数关系，即对应于每一个Ugs，都有一条曲线，因此输出特性为一族曲线，如图3-65所示。图3-65场效应管的输出特性场效应管有三个工作区域：i可变电阻 区（或非 饱和 区）：图中的虚 线为予 夹断轨迹，它是各 条曲线上使UGD =U GS（off）的点连接而成的。予夹断轨道的左边区域称为可变电阻区，该区域中曲线近似为不同斜率的直线。当UGS确定时，直线的斜率也唯一地被确定，直线斜率的倒数为D-S间等效电阻。因而在此区域中，可以通过改变Ugs的大小（即压控的方式）来改变漏 -源电阻

7、的阻值，故称之为可变电阻区。ii横流区（或饱和区）：图中予夹断轨迹的右边区域为横流区。当UGDUGs（off）时，各曲线近似为一族横轴的平行线。当uDS增大时，iD仅略有增大。因而可将iD近似为电压UGS控制的电流源，故称该区域为横流区。利用场效应管作放大管时，应使其工作在该区域。iii夹断区：当UGs 0V;而且，当管子工作在可变电阻区时，对于不同的Uds，转移特性曲线将有很大差别。3.绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管(IGFET)的栅极与源极、栅极与漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离，由此而得名。又因栅极为金属铝，故又称为MOS管。它的栅-源间电阻比结型场效应管的大的多，可达101Q以上，还

8、因为它比结型场效应管温度稳定性好、集成化时工艺简单，而广 泛用于大规模和超大规模集成电路之中。与结型场效应管相同，MOSt也有N沟道和P沟道两类，但每一类又分为增强型和耗尽型两种，因此 MOS管的四种类型为：N沟道增强型管、N沟道耗尽型管，P沟道增强型管、P 沟道耗尽型管。凡栅-源电压Ugs为零时，漏极电流也为零的管子，均属于增强型管；凡栅 - 源电压Ugs为零时，漏极电流不为零的管子，均属于耗尽型。下面讨论它们的管子原理和特 性。N沟道增强型 MOSfN沟道增强型 MOSf的结构N沟道增强型 MOSf的结构如图3-67(a)所示,(b)为N沟道和P沟道两种增强型管子的 符号。0 dQ gdo

9、 s ?1Jl0OE0 d J I OBSOOsF沟道(b)符号(a)结构示意图图3-67 N沟道增强型 MOS管结构示意图及增强型 MOS的符号它以一块低掺杂的 P型硅片为衬底，利用扩散工艺制作两个高掺杂的N区，并引出两个电极，分别为源极s和漏极d,半导体之上制作一层 SiO2绝缘层，再在SiO2之上制作一层金 属铝，引出电极，作为栅极 g。通常将衬底与源极接在一起使用。栅极和衬底各相当于一个 极板，中间是绝缘层，形成电容。当栅-源电压变化时，将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。可见，MOST与结型场效应管的导电机理与电流控制原理均不相同。 N沟道增强型 MOS管的

10、工作原理i当栅-源之间不加电压时(注意：衬底与源极是接在一起的)，漏-源之间是两只背向的 PN结，不存在导电沟道，因此即使漏 -源之间加电压，也不会有漏极电流。ii当Uds=0且Ugs0时，因为SiO2的存在，栅极电流为零。但是栅极金属铝层将聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近SiO2一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层，如图3-68(a)所示。iii当Ugs增大时，一方面耗尽层增宽，另一方面将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个 N型薄层，称为反型层，如图（b）所示。这个反型层就构成了漏-源之间的导电沟道。使沟道刚刚形成的栅-源电压称为开启电压 UGS（th）。UGS愈

11、大，反型层愈厚， 导电沟道电阻愈小。1b*（a）耗尽层的形成（b）导电沟道（反型层）的形成图3-68 U ds =0时U gs对导电沟道的影响dS1F 耗恳层d(a) uds U gs _ U GS(th)时(b) Uds u gs _u Gs(th)时(c) uds u g _ u Gs(th)时图3-69 u GS为大于U GS（th）的某一值时U DS对I D的影响iv当Ugs是大于U GS（th）的一个确定值时，若在漏-源之间加正向电压，则将产生一定的漏极电流。此时，Uds的变化对导电沟道的影响与结型场效应管相似。即当Uds较小时，随Uds的增大使Id线性增大，导电沟道沿源-漏方向逐渐

12、变窄，如图3-69（a）所示；当Uds增大到使UGD=UGS（th）时，沟道在漏极一侧出现夹断点，称为予夹断，如图（b）所示；如果Uds继续增大，夹断区随之延长，如图（C）所示。而且，Uds的增大部分几乎全部用于克服夹断乎仅决定于uGS。在U DS UgS - U GS(th)时，对应于每一个UgS就有一个确定的i D。此时，可将i D视为电压Ugs控制的电流源。 特性曲线与电流方程(b)输出特性(a)转移特性图3-70 N沟道增强型MOS管的特性曲线图3-70(a)和(b)分别为N沟道增强型 MOS管的转移特性曲线和输出特性曲线，它们之间的关系见图中标注。与结型场效应管一样，MOS管也有三个

13、工作区：可变电阻区、恒流区及夹断区，如图中所标注。与结型场效应管相类似，iD与uGS的近似关系式为iDdo(罟 -1)2U GS(th)(3-79)其中，1 DO 是 UGS =2U GS(th)时的 i D。N沟道耗尽型 MOStN沟道耗尽型MOS管的工作原理如果在制作MOSf时，在SiO2绝缘层中掺入大量正离子， 那么即使uGS=0,在正离子作 用下P型衬底表层也存在反型层，即漏 -源之间存在导电沟道。只要在漏 -源间加正向电压， 就会产生漏极电流，如图 3-71(a)所示。当ugs为正时，反型层变宽，沟道电阻变小，iD增大；当ugs为负时，反型层变窄，沟道电阻变大，iD减小；而当Ugs从

14、零减小到一定值时，反型层消失，漏-源之间导电沟道消 失，iD=0.此时的Ugs称为夹断电压UGS(off)。与N沟道结型场效应管相同，N沟道耗尽型MOSt的夹断电压也为负值。但是，前者只能在Ugs 0的情况下工作，而后者的Ugs可以在正、负值的一定范围内控制iD，且仍保证栅-源之间有非常大的绝缘电阻。N沟道耗尽型MOSf的结构和符号N沟道耗尽型 MOS管的结构与增强型的不同之处，主要是在在SiO2绝缘层中掺入大量正离子，并在P型衬底表层存在反型层(即导电沟道)。耗尽型MOS管的符号见图3-71(b)所示。0 d耗尽型N沟道管耗尽型P沟道管(a)示意图(b)符号图3-71 N沟道耗尽型MOS管结

15、构示意图及符号与N沟道MOS管相对应,P沟道MOSfP沟道增强型 MOSf的开启电压U GS(th) 0,当Ugs0, UGS可在正负值的一定范围内控制 iD，漏-源之间也应加负电压。应当指出，如果MOS管的衬底不与源极相连接， 则衬-源之间电压uBS必须保证衬-源间 的PN结反向偏置。因此，N沟道管的Ubs应小于0,而P沟道管的Ubs应大于0.此时，导电沟道宽度将受Ugs和Ubs双重控制，Ubs使开启电压或夹断电压的数值增大。比较而言，N沟道管受Ubs的影响更大些。场效应管(FET)4场效应管的主要参数直流参数开启电压UGS(th)： U GS(th)是在漏-源电压Uds为一常数时，使漏极电

16、流iD大于0所需的最小栅-源电压Ugs的值。手册中给出的是在漏-源电流为规定的微小电流（如5AA ）时的栅-源电压值。夹断电压U GS（off）：与开启电压类似，夹断电压U GS（off）是在漏-源电压Uds为常量情况下，使漏极电流iD为规定的微小电流（如 5 3 ）时的栅-源电压Ugs。 饱和漏极电流Idss :对于结型管，在栅-源电压Ugs=0V。情况下，产生予夹断时的漏极电流定为饱和漏极电流Idss。 直流输入电阻Rgs（dc）:直流输入电阻 Rgs（dc）等于栅-源电压与栅极电流之比。结型 管的直流输入电阻 Rgs（dc）大于IO%，MOS管的Rgs（dc）大于10% 手册中一般只给出

17、栅极 电流的大小。交流参数低频跨导gm : gm数值的大小表示栅-源电压Ugs对漏极电流iD控制的强弱。当管子工作在横流区且漏-源电压Uds为常量的条件下,i D的微小变化量.: iD与引起它变化的栅-源电压变化量.：Ugs之比，称为低频跨导。即gm%心Ugs U ds=常量(3-80 )gm的单位是S （西门子）。极间电容：场效应管的三个电极之间均存在极间电容。通常栅-源电容CGS和栅-漏电容CGD约为1-3pF，漏-源电容CDS约为0.1-1pF。在高频电路中，应考虑极间电容的影响。管子的最高工作频率 fM是综合考虑了三个电容的影响而确定的工作频率的上限。极限参数击穿电压：管子进入横流区后

18、，使最大漏极电流Idm : Idm是管子正常工作时漏极电流的上限值。i D骤然增大的Uds称为漏-源击穿电压U（br）ds对于结型场效应管，使栅极与沟道间Uds超过此值会使管子损坏。PN结反向击穿的ugs为栅-源击穿电压U（br）gs ；最大耗散功率 PDM :场效应管的耗散功率 PDM =uDS. iD ，这些耗散在管子中的功率将 变为热能， 使管子的温度升高。 为了限制管子的温度不要升的太高， 就要限制它的耗散功率 不能超过最大值，否则管子会被烧坏。显然，最大耗散功率受管子的最高工作温度限制。 。另外，需要说明的是：对于 MOSt,栅-衬之间的电容容量很小，只要有少量的感应电 荷就可产生很高的电压。而因为直流输入电阻RGS( DC )很大，感应电荷难以释放，以至于感应电荷所产生的高压使很薄的绝缘层击穿, 造成管子损坏。 因此, 无论是在存放还是在工作 电路中,都应为栅 -源之间提供直流通路,避免栅极悬空；同时在焊接时,要将电烙铁良好 接地。5.场效应管与晶体管的比较场效应管的栅极g、源极s、漏极d对应于晶体管的基极 b、发射极e、集电极c，它们 的作用相类似。场效应管用栅-源电压Ugs控制漏极电流iD，栅极基本不取电流。而晶体管工作时， 基极总要索取一定的电流。因此，要求输入电阻高的电路，因选用场效应管；而若信号源提 供一定的电流，则可选晶体管。场效应管几乎只有多子参与