場效應管3.1場效應晶體管放大電路3.2第3章場效應管及其基本放大電路

3.1場效應管

場效應管是利用輸入回路的電場效應來控制輸出回路電流的一種半導體器件，除了具有晶體管體積小、重量輕、耗電省、壽命長等優點外，還具有噪聲低、熱穩定性好、抗輻射能力強等特點，因此得到了廣泛的應用。。

場效應管與晶體管的主要區別是：①場效應管僅靠半導體中的多數載流子（電子或者空穴）導電，又稱單極型晶體管；②場效應管是一種由輸入電壓控制其輸出電流大小的電壓控制型器件，它的輸入阻抗高達107～1014Ω。場效應管的主要缺點是放大能力較低。按結構的不同，場效應管可分為結型場效應管（JFET）和絕緣柵型場效管（IGFET）兩大類。根據溝道類型的不同，結型場效應管可為N溝道和P溝道兩種類型。圖3-1中，在一塊N型半導體兩側擴散生成兩個高摻雜濃度的P+區，從而形成兩個P+N結。P+區與N區交界面形成耗盡層，兩個P+N結的耗盡層之間的Ｎ型區域稱為導電溝道。

3.1.1結型場效應管1結型場效應管結構及原理圖3-1N溝道結型場效應管

圖3-2P溝道結型場效應管

N溝道結型場效應管正常工作時，應在其柵－源之間加反向電壓（即uGS<0），使PN結反偏；當在漏－源之間加正向電壓（即uDS>0）時，在導電溝道內形成了漏極電流iD。當uDS=0時，uGS對導電溝道的控制當uDS=0且uGS=0時，兩個P+N結均處于零偏狀態，導電溝道很寬且溝道等寬，如圖3-3（a）所示。

當UGS(off)<

uGS<0時，兩個P+N結均處于反偏狀態，隨著的增大，導電溝道變窄，溝道電阻增大，導電能力下降，如圖3-3（b）所示。

當增大到某一數值時，溝道兩側耗盡層相遇，導電溝道消失，稱為“夾斷”，溝道電阻趨于無窮大，此時的uGS值稱為夾斷電壓UGS(off)，如圖3-3（c）所示。

圖3-3uDS=0時uGS對導電溝道的控制作用

（a）uGS=0

（b）UGS(off)<

uGS<0（c）uGS=0

當UGS(off)<

uGS<0時，漏源電壓uDS對導電溝道的控制當UGS(off)<

uGS<0時，若uDS=0，則uGS變化時，導電溝道的寬度發生變化，導致導電溝道電阻變化。但是，由于漏極和源極之間電壓uDS=0，則導電溝道內的自由電子不會產生定向運動，所以漏極電流iD=0。

當uGD=UGS(off)時，則漏極一邊的導電溝道閉合，如圖3-4（b）所示。

當UGS(off)<

uGS<0時，若uDS>0，則uGS<0使耗盡層變寬，導電溝道變窄；uDS>0使導電溝道不等寬。隨著的增大，導電溝道變窄，溝道電阻增大，在同樣的uDS作用下所產生的電流iD減小。，當uDS逐漸增大時，uGD逐漸減小，導致靠近漏極一邊的導電溝道比靠近源極一邊的窄，如圖3-4（a）所示。

若uDS繼續增大時，則uGD<UGS(off)

，耗盡層閉合部分沿溝道方向延伸，如圖3-4（c）所示。當uDS增大時，iD幾乎不變。

圖3-4UGS(off)<

uGS<0且uDS>0時對導電溝道的控制作用

（a）uGD>UGS(off)

（b）uGD=UGS(off)

（c）uGD<UGS(off)

當uGD=uGS–uDS<UGS(off)

時，在uDS為常量的情況下，對于確定的柵源電壓uGS就有確定的漏極電流iD。iD僅僅取決于uGS而與uDS無關。體現了柵源電壓uGS對漏極電流iD的控制作用。因此可以通過uGS來控制iD的大小。

當uGD<UGS(off)時，uGS對導電溝道的控制

結型場效應管的輸出特性曲線可以劃分為四個區：可變電阻區、恒流區、夾斷區和擊穿區。

2．結型場效應管的特性曲線

（1）

輸出特性曲線

可變電阻區:最左側的虛線為預夾斷軌跡（滿足uDS=uGS–UGS(off)的點的連線），可變電阻區位于預夾斷軌跡左側。該區場效應管的特性呈現為一個由uGS控制的可變電阻。恒流區：iD基本上不隨uDS變化，iD的值主要決定于uGS。對于N溝道結型場效應管，當管子工作在恒流區時，漏極電流iD的近似表達式為

可變電阻區:在此區域，uGS<UGS(off)，iD=0，導電溝道被夾斷。

（2）轉移特性曲線3.1.2絕緣柵型場效應管

結型場效應管的輸入電阻是P+N結的反向電阻，可達107Ω以上。絕緣柵型場效應管的柵極與源極、柵極與漏極之間均采用SiO2絕緣層隔離，因此其輸入電阻很高，可達109Ω~1015Ω。又稱之為MOS管。

從導電溝道來分，絕緣柵場效應管也有N溝道和P溝道兩種類型。無論N溝道或P溝道，又都可以分為增強型和耗盡型兩種。若uGS=0時漏—源之間已經存在導電溝道，稱為耗盡型場效應管；如果當uGS=0時不存在導電溝道，則稱之為增強型場效應管。

1．N溝道增強型場效應管的結構及原理

圖3-7N溝道增強型MOS場效應管結構示意圖及增強型MOS的符號

（a）結構示意圖

（b）N溝道電路符號

（c）P溝道電路符號

以N溝道增強型絕緣柵場效應管為例討論其工作原理。當柵源之間的電壓uGS=0時，漏源之間是兩只背靠背的PN結，不存在導電溝道，因此即使漏源之間的電壓uDS>0，也不會有漏極電流，即iD=0。

當uDS=0且uGS>0時，在uGS的作用下，在柵極與襯底之間產生了垂直于襯底表面、柵極G指向P型襯底的電場。在柵極附近的P型襯底表面形成一個自由電子薄層，由于它的導電類型與P型襯底相反，故稱為反型層。這個反型層就構成了漏源之間的導電溝道。使導電溝道剛剛形成的柵源電壓稱為開啟電壓UGS(th)。uGS越大，反型層越厚，導電溝道電阻越小。

當uGS>UGS(th)時，漏源之間形成一個導電溝道。這時若漏源之間的電壓uDS>0，就會有漏極電流iD產生。uGS越大，反型層越厚，導電溝道電阻越小，在相同uDS作用下所產生的iD就越大。故通過控制uGS的大小，就可以控制導電溝道電阻的大小，從而控制漏極電流iD的大小。

導電溝道形成后，當uDS=0時，管內溝道是等寬的。隨著uDS的增加，漏極電流iD沿溝道從漏極流向源極產生電壓降，使柵極與溝道內各點的電壓不再相等，靠近源極一端電壓最大，其值為uGS，靠近漏極一端電壓最小，其值為uGD，于是溝道沿源—漏方向逐漸變窄，如圖3-9（a）所示。當uDS增大到uGD=UGS(th)時，溝道在漏極一側出現夾斷點，稱為預夾斷，如圖3-9（b）所示。如果uDS繼續增大，夾斷區隨之延長，如圖3-9（c）所示。

圖3-9uGS大于UGS(th)時uDS對導電溝道的影響

（a）uDS<uGS-UGS(th)

（b）uDS=uGS-UGS(th)

（c）uDS>uGS-UGS(th)

耗盡型的MOS場效應管，即使柵極不加電壓，在正離子作用下P型襯底表面也存在反型層，從而產生N型導電溝道。當uGS由零向正值增大時，則加強了絕緣層中的電場，使溝道加寬，iD增大；反之，uGS由零向負值增大時，則削弱了絕緣層中的電場，使溝道變窄，iD減小。當uGS負向增加到UGS(off)時，導電溝道消失，iD=0。

2．N溝道耗盡型場效應管的結構及原理

3．絕緣柵場效應管的特性曲線

N溝道增強型場效應管的輸出特性曲線如圖3-11a)所示。分為四個區域：可變電阻區、恒流區、夾斷區和擊穿區。

在可變電阻區，柵源電壓uGS>UGS（th）。圖3-11(a)中的預夾斷軌跡滿足uDS=uGS–UGS(th)，可變電阻區位于預夾斷軌跡左邊的區域，則uDS<uGS–UGS(th)。漏源電壓uDS的值比較小，當uGS為一定值時，iD與uDS成線性關系，根據不同的uGS值可得到一組近似直線。在此區域，MOS管漏源之間相當于一個受電壓uGS控制的可變電阻。

在恒流區，柵源電壓uGS≥UGS(th)。uDS≥uGS–UGS(th)。當uGS為一定值時，uDS變化時iD幾乎不變，呈恒流特性，iD僅與uGS有關系。在此區域，MOS管漏源之間一個受電壓uGS控制的電流源。MOS管用于放大電路時，一般就工作在恒流區。

在夾斷區，柵源電壓uGS<UGS（th）。該區域為圖3-11(a)中靠近橫軸的區域，導電溝道被全部夾斷，漏極電流iD＝0，MOS管截止。圖3-11a)N溝道增強型場效應管的輸出特性曲線

擊穿區位于圖3-11(a)中右邊的區域。由于uDS過大導致PN結反向擊穿，漏極電流iD急劇增加。不允許MOS管工作在擊穿區。

N溝道增強型場效應管的轉移特性曲線如圖3-11b)所示。當漏極電流iD為零時所對應的柵源電壓UGS就是開啟電壓UGS(th)。

當N溝道增強型MOS管工作在恒流區時，其轉移特性可近似表示如下

IDO是uGS=2UGS(th)時的漏極電流iD值。

圖3-11b)N溝道增強型場效應管的轉移特性曲線N溝道耗盡型場效應管的輸出特性曲線和轉移特性曲線，如圖3-12所示。

（a）輸出特性（b）轉移特性圖3-12N溝道耗盡型場效應管的特性曲線3.1.3場效應管的主要參數1．直流參數

開啟電壓UGS(th)：是指在uDS為某一固定數值的情況下，使漏極電流iD大于零所需的最小柵源電壓值。

夾斷電壓UGS(off)：是指uDS為常量的情況下，使iD減小到某一微小電流時所需的uGS。

飽和漏極電流IDSS：是指在uGS＝0時的飽和漏極電流。

直流輸入電阻RGS：結型場效應管的RGS>107Ω，而MOS管的RGS>109Ω。2．交流參數

低頻跨導gm：當uDS為常數時，漏極電流的變化量和引起這一變化的柵－源極電壓變化量之比

。極間電容

：場效應管的三個電極之間存在的電容稱為極間電容，包括CGS、CGD和CDS，極間電容越小，則場效應管的高頻性能越好，一般為0.1pF~3pF。3．極限參數最大漏極電流IDM：場效應管在工作時允許的最大漏極電流。最大功率PDM：PDM＝uDSiD，其值受場效應管最高工作溫度的限制。

漏－源極擊穿電壓U(BR)DS：是指漏－源極間所能承受的最大電壓

。

3.1.4場效應管與晶體管的比較（1）場效應管是一種電壓控制器件，而晶體管是一種電流控制器件。（3）場效應管的輸入電阻非常高，而晶體管的輸入電阻較小。（2）場效應管比晶體管的溫度穩定性好。（4）場效應管的制造工藝簡單，利于大規模集成。3.2.1場效應管放大電路的靜態分析1．自給偏壓偏置電路圖3-13自給偏壓電路

3.2場效應管放大電路靜態時，由于柵極電流IG=0，所以電阻RG上的電流為零，則柵極電位UG=0。

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