第四章 场效应管放大电路 2017年4月7日
场效应管 BJT是一种电流控制元件(iB~ iC)，工作时，多数载流子和少 数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。 场效应管（Field Effect Transistor简称FET）是一种电压控 制器件(vGS~ iD) ，工作时，只有一种载流子参与导电，因此 它是单极型器件。 场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器 件。 特点是耗电省、寿命长，输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、 抗辐射能力强、制造工艺简单。它的应用范围广，特别是在 大规模LSI和超大规模集成电路VLSI中得到了广泛的应用。 根据结构的不同，场效应管可分为两大类： 结型场效应管(JFET) 金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)
§4-1结型场效应管JFET JFET利用半导体内的电场 效应进行工作，称为体内 场效应器件。 在一块N型半导体材料两 边扩散高浓度的P型区， 形成两个PN结。两边P型 区引出两个欧姆接触电极 连在一起称为栅极g，在N 型本体材料的两端各引出 一个电极，分别称为源极 s和漏极d。 两个PN结中间的N型区域 称为导电沟道。
N型沟道JFET工作原理 代表符号如右图，箭头的方向表示栅 结正向偏置时，栅极电流的方向是由 P指向N，故从符号上就可识别d、s 之间是N沟道。 N沟道JFET工作时，在栅极与源极 间需加负电压(vGS＜0)，使栅极、沟 道间的PN结反偏，栅极电流iG0， 场效应管呈现高达107以上的输入 电阻。 在漏极与源极间加正电压(vDS＞0)， 使N沟道中的多数载流子(电子)在电 场作用下由源极向漏极运动，形成电 流iD。iD的大小受vGS控制。
vGS对iD的控制作用 当vGS由零向负值增大时，在反偏电压vGS作用下，两 个PN结的耗尽层将加宽，使导电沟道变窄，沟道电 阻增大。当vGS增大到某一定值|VF |，两侧耗尽层将在 中间合拢，沟道全部被夹断，此时漏源极间的电阻将 趋于无穷大，相应的栅源电压称为夹断电压VP。 改变vGS的大小，可以有效地控制沟道电阻的大小。若在漏源极间加上固定的正向电压vDS ，则由漏极流向源极的电流iD将受vGS的控制。
vGS对iD的控制作用 当vGS ＜0时，PN结反偏，耗尽层变厚，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小； vGS更负，沟道更窄， iD更小；直至沟道被耗尽层全部覆盖，沟道被夹断， iD ≈0。这时所对应的栅源电压vGS称为夹断电压VP。
vDS对iD的影响 当vDS=0时，iD=0。 随着vDS逐渐增加，一方面沟道电场强度加大，有利于 漏极电流iD增加；但有了vDS ，就在由源极经沟道到 漏极组成的N型半导体区域中，产生了一个沿沟道的 电位梯度。沟道区的电位差则从靠源端的零电位逐渐 升高到靠近漏端的vDS 。 在从源端到漏端的不同位置上，栅极与沟道之间的电 位差是不相等的，离源极愈远，电位差愈大，加到该 处PN结的反向电压也愈大，耗尽层也愈向中心扩展， 使靠近漏极处的导电沟道比靠近源极要窄。所以增加 vDS ，又产生了阻碍漏极电流iD提高的因素。 在vDS较小时，导电沟道靠近漏端区域仍较宽，这时阻 碍的因素是次要的，故iD随vDS升高成正比地增大。
vDS对iD的影响 当vDS继续增加， 使漏栅间的电位 差加大，靠近漏 端电位差最大， 耗尽层也最宽。 当两耗尽层在A 点相遇时，称为 预夹断，A点耗 尽层两边的电位 差用夹断电压VP 来描述。
在栅源间加电压VGS＞VP，漏源间加电压VDS。则因漏端耗尽层所受的反偏电压为VGD=VGS-VDS，比源端耗尽层所受的反偏电压VGS大,(如:VGS=-2V, VDS =3V, VP=-9V,则漏端耗尽层受反偏电压为-5V，源端耗尽层受反偏电压为-2V),使靠近漏端的耗尽层比源端厚，沟道比源端窄，故VDS对沟道的影响是不均匀的，使沟道呈楔形。 当VDS继续增加时，预夹断点向源极方向伸长为预夹断区。由于预夹断区电阻很大，使主要VDS降落在该区，由此产生的强电场力能把未夹断区漂移到其边界上的载流子都扫至漏极，形成漏极饱和电流。 当VDS增加到使VGD=VGS-VDS =VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断点 随VDS增大，这种不均匀性越明显。
N沟道JFET的输出特性 沟道在A点预夹断后，随着vDS上升，夹断长度会略 有增加。但由于夹断处场强也增大，仍能将电子拉过 夹断区形成漏极电流。 在从源极到夹断处的沟道上，沟道内电场基本上不随 vDS改变而变化。所以， iD基本上不再随vDS增加而 上升，漏极电流趋于饱和。
JFET特点 综上分析，可得下述结论： JFET栅极、沟道之间的PN结是反向偏置的，电阻 很高。 JFET是电压控制电流器件， iD受 vGS 控制。 预夹断前， iD与vDS呈近似线性关系，预夹断后， iD趋于饱和。
JFET的特性曲线 1．输出特性 JFET的输出特性是指在栅源电压vGS一定的情况下， 漏极电流iD与漏源电压vDS之间的关系，即 N沟通JFET的输出特性。 JFET的工作情况可分为三个区域。
JFET的特性曲线 在I区内，栅源电压愈负，输出特性愈倾斜，漏源间 的等效电阻愈大。因此，在I区中，FET可看作一个 受栅源电压vGS控制的可变电阻，故得名为可变电阻 区。 II区称为饱和区或恒流区，FET用作放大电路时，一 般就工作在这个区域，称为线性放大区。 III区的特点是，当vDS增至一定的数值，由于加到沟 道中耗尽层的电压太高，电场很强，致使栅漏间的 PN结发生雪崩击穿， iD迅速上升，称为击穿区。进 入雪崩击穿后，管子不能正常工作，甚至很快烧毁。 所以，FET不允许工作在这个区域。 当vGS ＜vP时， iD=0称为截止区（夹断区）。
可变电阻区 特点: (1)当vGS 为定值时,iD 是 vDS 的线性函数，管子的漏源间呈现为线性电阻，且其阻值受 vGS控制。 （2）管压降vDS 很小。 条件：源端与漏端沟道都不夹断 用途：做压控线性电阻和无触点的、闭合状态的电子开关。
夹断区 特点： 用途：做无触点的、接通状态的电子开关。 条件：整个沟道都夹断 击穿区 当漏源电压增大到 时，漏端PN结发生雪崩击穿，使iD 剧增的区域。其值一般为（20— 50）V之间。由于VGD=VGS-VDS, 故vGS越负，对应的VP就越小。管子不能在击穿区工作。
JFET的特性曲线 2．转移特性 FFT是电压控制器件，由于栅 极输入端基本上没有电流，故 讨论它的输入特性没有意义。 所谓转移特性是在一定漏源电 压vDS下，栅源电压vGS对漏极电 流iD的控制特性，即
输入电压VGS对输出漏极电流ID的控制
结型场效应管的特性小结 结型场效应管 N 沟 道 耗 尽 型 P
JFET主要参数 (1)夹断电压VP 当vDS为某一固定值时，使iD等于一个微小的电流时， 栅源之间所加的电压称为夹断电压， vGS=VP。 (2)饱和漏电流IDSS 在vGS=0的情况下，当vDS ＞ |VP|时的漏极电流称为饱 和漏电流IDSS (3)最大漏源电压V(BR)DS V(BR)DS是指发生雪崩击穿、 iD开始急剧上升时的vDS 值。由于加到PN结上的反向偏压与vGS有关，因此vGS 愈负， V(BR)DS越小。 (4)最大栅源电压V(BR)GS V(BR)GS是指输入PN结反向电流开始急剧增加时的vGS 值。
JFET主要参数 (5)直流输入电阻RGS 在漏源之间短路的条件下，栅源之间加一定电压时 的直流输入电阻。 (6)低频互导(跨导)gm 在vDS等于常数时，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压的微变量之比称为互导，即 互导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，它相 当于转移特性上工作点的斜率，单位为mS或S。
JFET主要参数 (7)输出电阻rd 输出电阻rd说明了vDS对iD的影响，是输出特性某一 点上切线斜率的倒数。在饱和区(即线性放大区)， iD 随vDS改变很小，因此，rd的数值很大，一般在几十 k到几百k之间。 (8)最大耗散功率PDM JFET的耗散功率PDM=vDSiD ，耗散在管子中的功率将变为热能，使管子的温度升高。
§4-2 金属-氧化物-半导体场效应管 JFET的直流输入电阻虽然一般可达106-109 ，这个 电阻从本质上来说是PN结的反向电阻，总会有一些 反向电流存在，限制了输入电阻的进一步提高。 MOSFET是利用半导体表面的电场效应进行工作的， 也称为表面场效应器件。由于栅极处于不导电(绝缘) 状态，输入电阻可大为提高，可达1015 。 MOSFET有N沟道和P沟道两类，其中每一类又可分 为增强型和耗尽型两种。 耗尽型：当vGS=0时，存在导电沟道，iD0，(显然 JFET就属于耗尽型) 增强型：当vGS=0时，没有导电沟道，即iD=0
N沟道增强型MOSFET N沟道增强型MOSFET以一块 掺杂浓度较低，电阻率较高的P 型硅半导体薄片作为衬底。 利用扩散方法在P型硅中形成两 个高掺杂的N+区，在P型硅表面 生长一层二氧化硅绝缘层，在二 氧化硅表面及N+型区分别安置 三个铝电极：栅极g、源极s和漏 极d。 由于栅极与源极、漏极无电接触， 称绝缘栅极。 箭头方向表示由P(衬底)指向 N(沟道)。对于P沟道MOSFET， 箭头方向与上述相反。
增强型MOSFET的工作原理 当栅源短接(vGS=0)时，源区 (N+型)、衬底(P型)和漏区 (N+型)就形成两个背靠背的 PN结，不管vDS的极性如何， 其中总有一个PN结是反偏 的。 如果源极s与衬底相连接电源 VDD负极，漏极接电源正极， 漏极和衬底间的PN结是反 偏的，此时漏源之间的电阻 很大，没有形成导电沟道， 基本上没有电流流过， iD=0 。
增强型MOSFET的工作原理 若在栅源之间加正向电压，则栅 极和P型硅片相当于以二氧化硅为 介质的电容器，在正的栅源电压 作用下，介质中产生一个垂直于 半导体表面的由栅极指向P型衬底 的电场(绝缘层很薄，几伏的栅源 电压vGS ，可产生高达105- 106V/cm的强电场)。 栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，留下不能移动的受主离子，形成耗尽层，同时P型衬底中的少子电子被吸引到衬底表面。 当正的栅源电压到达一定数值时，这些电子在栅极附近的P型硅表面形成了一个N型薄层，称为反型层或感生沟道。
增强型MOSFET的工作原理 栅源电压vGS愈正，作用于半导体 表面的电场就愈强，吸引到P型 硅表面的电子就愈多，感生沟道 将愈厚，沟道电阻将愈小。 原来被P型衬底隔开的两个N+型 区(源区和漏区) 被感生沟道连在 一起。在正的漏极电源VDD作用 下，将有漏极电流iD产生。 把在漏源电压作用下开始导电时的栅源电压叫做开启电压VT 。 当vGS VT ，外加较小的vDS时，漏极电流iD将随vDS上升迅速增大，但由于沟道存在电位梯度，因此沟道厚度是不均匀的；靠近源端厚，靠近漏端薄。
增强型MOSFET的工作原理 当vDS增大到一定数值(例如vGD = vGS-vDS= VT )，靠近漏端被夹 断， vDS继续增加，将形成一 夹断区。和JFET相类似，沟道 被夹断后， vDS上升， iD趋于 饱和。
特性曲线 N沟道增强型MOSFET的输出特性和转移特性如图。 在恒流区内，N沟道增强型MOSFET的iD可近似地表 示为 ID0是vGS =2VT时的iD值。
N沟道耗尽型MOSFET N沟道耗尽型MOSFET的结构 与增强型基本相同。但在制造 时，由于在二氧化硅绝缘层中 掺有大量的正离子，即使在vGS =0时，由于正离子的作用，也 能在源区和漏区的中间P型衬 底上感应出较多的负电荷，形 成N型构道，将源区和漏区连 通起来。 在栅源电压为零时，在正的vDS作用下，也有较大的漏极电流iD由漏极流向源极。若栅源电压vGS为负，则使沟道中感应的负电荷减少，从而使漏极电流减小，这与JFET相类似，所以称它为耗尽型。
两种N沟道耗尽型FET比较 N沟道JFET在负的vGS 下工作 ，当vGS ＞0时，将使 PN结处于正向偏置，产生较大的栅流，破坏了它对 漏极电流iD的控制作用。 N沟道耗尽型MOSFET在vGS ＞0时，由于绝缘层的 存在，并不会产生PN结的正向电流，而是在沟道中 感应出更多的负电荷。在vDS作用下，iD将具有更大的 数值。N沟道耗尽型MOSFET可以在正或负的栅源 电压下工作，而且基本上无栅流，这是耗尽型 MOSFET的一个重要特点。
各种场效应管的符号对比
各种场效应管的符号对比
各种FET的特性比较
各种FET的特性比较
各种FET的特性比较
各种场效应管的转移特性对比
各种场效应管的输出特性对比
双极型三极管与场效应三极管的比较 双极型三极管 场效应三极管 结构 NPN型 结型 N沟道 P沟道 双极型三极管 场效应三极管 结构 NPN型 结型 N沟道 P沟道 与 PNP型 绝缘栅 增强型 N沟道 P沟道 分类 C与E一般不可 绝缘栅 耗尽型 N沟道 P沟道 倒置使用 D与S有的型号可倒置使用 载流子 多子扩散少子漂移 多子漂移 输入量 电流输入 电压输入 控制 电流控制电流源 电压控制电流源 噪声 较大 较小 温度特性 受温度影响较大 较小，且有零温度系数点 输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上 静电影响 不受静电影响 易受静电影响 集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成
§4-3场效应管放大电络 由FET组成放大电路和 BJT一样，要建立合适 的Q点。所不同的是， FET是电压控制器件， 因此它需要有合适的栅 极电压。 通常偏置的形式有两种， 以N沟道耗尽型JFET为 例： (1)自偏压电路 (2)分压器式自偏压电路
自偏压电路 在源极接入源极电阻R， 组成自偏压电路。 考虑到耗尽型FET即使在 vGS =0时，也有漏源电流 流过R，而栅极是经电阻 Rg接地的，所以在静态时 栅源之间将有负栅压vGS =-IDR。 电容C对R起旁路作用， 称为源极旁路电容。
分压器式自偏压电路 增强型FET只有栅源电压先达到某个开启电压VT时 才有漏极电流ID，因此这类管子不能用于自偏压电路。 分压器式自偏压电路是在自偏压电路基础上加接分压电阻后组成的。 漏极电源VDD经分压电阻Rg1和Rg2分压后，通过Rg3供给栅极，VG=Rg2VDD/(Rgl+Rg2)，同时, 漏极电流在源极电阻R上也产生压降VS=IDR，静态时，栅源电压为
静态工作点的确定 对FET放大电路的静态分析 可以采用图解法或用公式计 算，图解的原理和BJT相似。 用公式进行计算，确定Q点：
FET的小信号模型 FET可用互导gm、输出电阻rd和小信号参数来描述， 称为电压放大系数，它们有如下关系： 如果用 表示电压 控制的电流源，用rd表示电流源电阻，作为双口有源器件的FET可导出其小信号模型，输入电阻rgs是栅源间的电阻，其值极大。
应用小信号模型分析放大电路 中频电压增益 输入电阻 输出电阻
例4.4.2 典型的共漏电路—源极输出 器，试求其中频电压益 ， 输入电阻Ri和输出电阻Ro。 解 (1)中频电压增益
解答 (2)输入电阻 (3)输出电阻 令 ，保留其内阻Rs ，将RL开路，在输出端加一测试电压VT，共漏电路输出电阻Ro的电路如图。
三种基本放大电路的性能比较
三种基本放大电路的性能比较 组态对应关系： BJT FET CE CS CC CD CB CG 电压增益： BJT FET CE： CS：
三种基本放大电路的性能比较 输入电阻： BJT FET CE： CS： CC： CD： CB： CG： 输出电阻： CE： CS： CC：
作业 习题 4.1.1，4.4.2，4.8.3 ，4.8.7 ，4.8.8 预习第七章（旧版第六章）