《电子技术基础》-第4章

场效应是指半导体材料的导电能力随电场的改变而变化的效应。前面介绍的半导体三极管是通过基极电流控制输出电流的器件为电流控制型器件。场效应管则是利用输入电压产生电场效应来控制输出电流，属于电压控制型器件。4.1.1场效应管的特点和分类三极管在工作时，有两种载流子参与导电（电子与空穴），称为双极型晶体管；而场效应管工作时，只有一种载流子参与导电（电子或空穴），所以称为单极型晶体管。场效应管的外形与三极管相似，如图4-1所示。根据场效应管的结构不同，可以分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（MOSFET）两种。结型场效应管是利用半导体内电场效应工作的。根据其体内的导电沟道所用的材料不同，分为N沟道和P沟道两种，它的输入阻抗高达10MΩ。4.1场效应管返回下一页绝缘栅型场效应管又称为金属—氧化物—半导体场效应管（简称MOS管），它是利用半导体表面的电场效应工作的。绝缘栅场效应管分为增强型和耗尽型，而每一种根据其导电沟道的不同又分为N沟道和P沟道两类，如图4-2所示。4.1.2N沟道耗尽型绝缘栅场效应管1.结构及符号图4-3为N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的结构示意图，它以一块低掺杂浓度的P型硅片作衬底，用扩散的办法形成两个高掺杂浓度的N型区（用N+表示），并引出两个电极分别作为漏极D和源极So在P型硅表面上生长一层很薄的SiO2绝缘层，再覆盖一层金属薄层，并引出一个电极作为场效应管的栅极Go另外，从衬底引出一个引线B，引线B一般在制造时就与源极S相连。由于栅极G与源极S、漏极D及P型衬底之间是完全绝缘的，故称为绝缘栅器件。4.1场效应管返回下一页上一页2.工作原理制造管子时，预先在SiO2绝缘层中掺入大量的正离子。在正离子产生的正向电场作用下，P型衬底中的空穴被排斥并移到衬底的下方，电子则被吸引到衬底与SiO2绝缘层的交界面上来，形成N型薄层，称为反型层。反型层将两个N+区连通，形成漏极与源极之间的导电沟道如图4-4所示。此时，若在漏极、源极之间加上正向电压UDS，则电子便从源极经N沟道（反型层）向漏极漂移，形成漏极饱和电流IDSS。当UGS＞0，即栅极、源极之间加上正向电压时，由于管子存在SiO2绝缘层，不会形成栅极电流IG，但会从沟道中感应出更多的负电荷，导电沟道变宽，漏极电流ID大于漏极饱和电流IDSS。当UGS＜0，即栅极、源极之间加上负电压时，N沟道的负电荷减少，导电沟道变窄，从而使ID减少。当UGS负电压增大到某一固定值时，沟道被夹断，ID=0，此时的UGS电压称为夹断电压，用UGS（off)或UP表示。4.1场效应管返回下一页上一页3.特性曲线（1）转移特性曲线。转移特性表示漏极电压UDS为一定值时，漏极电流ID与栅源电压UGS之间的关系，即转移特性表示UGS对ID的控制能力，反映了管子的放大作用。如图4-5（a）所示为N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的转移特性曲线。对于N沟道耗尽型管，当UGS=0时就存在着导电沟道，加上UDS就产生ID。当G极、S极加反向偏压时，就会削弱绝缘层中正离子的电场作用，使ID减少。可见，耗尽型场效应管在UGS为正值或负值时都可以对漏极电流进行控制，这一特性使它在应用时具有极大的灵活性。从特性曲线可知，转移特性是非线性的，管子的跨导gm=ΔID/ΔUGS不是一个常数，ID增大时，gm也增大。4.1场效应管返回下一页上一页（2）输出特性。输出特性是指栅源电压UGS一定时，漏极电流ID与漏源电压UDS的关系曲线，用公式表示为：每取一个UGS值，就有一条ID—UDS曲线与之对应，所以输出特性曲线是一簇曲线，其形状与三极管输出特性曲线相似，如图4-5（b）所示。从输出特性曲线上可划分成可变电阻区、放大区（饱和区）和击穿区三个区域。①可变电阻区：在这个区域内，UDS较小，对导电沟道的宽度影响不大，导电沟道的电阻主要由UGS值来决定。ID随UDS增大而增大，而且曲线的上升很快。这时场效应管的动态电阻很小，其阻值主要由导电沟道决定，也就是由UGS决定，改变UGS的大小，就可以改变输出动态电阻，所以该区称为可变电阻区。4.1场效应管返回下一页上一页②放大区（也称饱和区或恒流区）：当增大时，由于漏极正电场削弱了由正离子感应产生导电沟道中的电场强度，因而在靠近漏极处的导电沟道越来越窄，出现了宽度很窄的导电沟道。UDS再增加，导电沟道宽度不变，但变长了，等效电阻增大，ID基本不变，特性曲线呈水平状，即饱和。只有当场效应管工作在这个区域时管子才有放大作用。③击穿区：当增大到一定值时，漏极电流会突然增大，使管子进入击穿区，如图4-6（b)所示曲线的上翘部分。在击穿区管子会因过热而损坏，使用时应防止管子进入击穿区。N沟道增强型绝缘栅场效应管只能在正栅压下工作，所以其转移特性曲线只存在于第一象限，特性曲线如图4-6（a）所示。4.场效应管主要参数（1）夹断电压UP。指当UDS为某固定值时，使漏极电流ID减小到接近零值时的栅源电压。显然，夹断电压参数只适用于结型场效应管和耗尽型MOS管。4.1场效应管返回下一页上一页（2）漏极饱和电流IDSS。指当UGS=0时，漏极加有某固定电压UDS时的漏极电流。（3）直流输入电阻RGS。指加在栅源极之间的直流电压与由它引起的栅极电流之比。场效应管的值一般都高于10MΩ，尤其是MOS管，有的高达108MΩ。（4）跨导gm。指在UDS为某一固定值时，漏极电流变化量ΔID与引起该变化量ΔUGS之比，也称为互导。即：gm的单位是毫西门子（ms)。跨导表示了栅极电压对漏极电流的控制能力，是衡量场效应管放大能力的重要参数。跨导越大，管子的放大能力越好。4.1场效应管返回下一页上一页（5）漏源击穿电压BUDS。在UGS为某固定值的情况下，当UDS增加时，使ID开始急剧增加时的漏源电压值，即为BUDS。工作时，UDS应小于BUDS，否则场效应管会被击穿。（6）耗散功率PD。耗散功率是漏极损耗的功率，其值等于漏极电压与漏极电流的乘积。4.1.3各种场效应管的符号及工作特性前面以N沟道场效应管为例，讨论了场效应管的工作原理、特性曲线及主要参数。其分析方法原则上也适用于P沟道场效应管，但由于P沟道场效应管工作的载流子是空穴，故组成衬底的半导体材料和管子各电极电源的极性都会作相应的改变，现将各种场效应符号、特性曲线汇总见表4-1。4.1场效应管返回上一页和三极管放大电路一样，由于公共端的接法不同，场效应管放大电路分为共源极放大器、共漏极放大器和共栅极放大器三种形式。共源极放大器的电压放大倍数和输入电阻较高，应用广泛；共漏极放大器的输出电压与输入电压相位相同，电压放大倍数接近等于1，常用于阻抗变换；共栅极放大器输入阻抗较小，实际应用不多。4.2.1场效应管放大电路静态分析场效应管要对信号进行有效地放大，必须对场效应管设置合适的静态工作点。场效管的静态工作点由UGS、ID、UDS确定。偏置电路用于确定栅极偏压，常用的偏置电路有分压式偏置电路和自给栅偏压偏置电路。1.分压式偏置电路如图4-7所示，电源电压UDD通过栅极电阻RG1、RG2分压后，经RG3加到栅极G上，由于栅源之间隔了一层绝缘层，电阻很大，栅极基本上没有电流通过，所以栅极电压为4.2场效应管放大电路返回下一页栅、源之间的偏置电压为：选择一定的电阻RG1、RG2和RS，可以将UGS设置为正值或负值。通过阻值很大的电阻RG，还可以保持管子很高输入的阻抗。N沟道绝缘栅场效应管的ID与UGS存在如下关系：式中，IDD为UGS=2UP时的ID值。漏、源之间电压UDS为：

UDS=UDD-IL（RD+RS）4.2场效应管放大电路返回下一页上一页2.自给栅偏压电路自给栅偏压电路适合于结型场效应管和负偏压运行的耗尽型场效应管。如图4-8所示，当漏极电源接通后，就有电流ID流过场效应管，并在源极电阻RS上产生压降US，由于栅极无电流，所以UGS=UG-US=0-US=-IDRS这种栅偏压是靠场效管的漏极电流产生的，故称为自给偏压电路。为防止交流信号在RS上产生交流压降而导致加到栅源之间的净输入信号降低，所以在RS上并联旁路电容CS。图4-7和图4-8所示的电路均属于共源极放大电路。4.2.2场效应管放大电路的动态分析如果场效应放大器的输入信号很小，则场效应管工作在线性放大区，和三极管一样，可以用微变等效电路来进行动态分析。4.2场效应管放大电路返回下一页上一页1.场效应管的微变等效电路场效应管输入回路等效为一个阻值很大的输入电阻RGS，由于RGS很大，所以栅极电流很小，在估算时可将输入回路看作开路。场效应管漏极电流ID的大小受栅源电压UGS控制，所以输出回路可等效为一个受栅源电压控制的电流源，如图4-9所示。2.场效应管的动态参数计算画场效应管放大器微变等效电路的方法与三极管电路相似，即先画出放大器的交流通路，然后用场效应管等效电路代替场效应管，就得到放大器的微变等效电路。图4-10（b）为共源极放大器的微变等效电路。利用微变等效电路可以很方便地求出电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。（1）电压放大倍数。由电路得输出电压4.2