单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 场效应管放大电路,引言,：,1.场效应管的特点,(1)它是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件2)它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，,(3)还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点4)在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用2.场效应管的分类,根据结构和工作原理的不同，场效应管可分为两大类：,(1)结型场效应管(JFET),(2)绝缘栅型场效应管(IGFET)3.本章内容,(1)结型场效应管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数,(2)绝缘栅型场效应管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数,(3)场效应管放大电路4.1 结型场效应管,1结型场效应管的结构,结型场效应管的结构如图1(a)所示在一块N型半导体材料的两边各扩散一个高杂质浓度的P+区,就形成两个不对称的P+N结，即耗尽层把两个P+区并联在一起，引出一个电极g，称为栅极，在N型半导体的两端各引出一个电极，分别称为源极s和漏极d场效应管的与三极管的三个电极的对应关系：,栅极g-基极b,源极s-发射极e,漏极d-集电极c,夹在两个P+N结中间的区域称为导电沟道（简称沟道）。
图1(a)所示的管子的N区是电流的通道，称为N沟道结型场效应管N沟道结型场效应管的电路符号如图1(b)所示其中，栅极上的箭头表示栅极电流的方向（由P区指向N区）由结型场效应管代表符号中栅极上的箭头方向，可以确认沟道的类型N沟道JFET的结构剖面图如图2所示,图中衬底和顶部的中间都是P+型半导体，它们连接在一起（图中未画出）作 为栅极g两个N+区分别作为源极s和漏极d三个电极s、g、d分别由不同的铝接触层引出如果在一块P型半导体的两边各扩散一个高杂质浓度的N+区，就可以制成一个P沟道的结型场效应管P沟道结型场效应管的结构示意图和它在电路中的代表符号如图3所示2.结型场效应管的工作原理,N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同，现以N沟道结型场效应管为例，分析其工作原理N沟道结型场效应管工作时，需要外加如图4所示的偏置电压.,偏置电压的要求：,1.栅-源极间加一负电压(vGS 0),作用：使栅-源极间的P+N结反偏，栅极电流iG0，场效应管呈现很高的输入电阻(高达108W左右)2.漏-源极间加一正电压(vDS0),作用：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作漂移运动，形成漏极电流iD。
在上述两个电源的作用下,iD的大小主要受栅-源电压vGS控制，同时也受漏-源电压vDS的影响因此，讨论场效应管的工作原理就是：,（1）讨论栅-源电压vGS对漏极电流iD（或沟道电阻）的控制作用,（2）讨论漏-源电压vDS对漏极电流iD的影响1)vGS对iD的控制作用,图5所示电路说明了vGS对沟道电阻的控制作用为便于讨论，先假设漏-源极间所加的电压vDS=0a)当vGS=0时，沟道较宽，其电阻较小，如图5(a)所示b)当vGS0，且其大小增加时，在这个反偏电压的作用下，两个P+N结耗尽层将加宽由于N区掺杂浓度小于P+区，因此，随着|vGS|的增加，耗尽层将主要向N沟道中扩展，使沟道变窄，沟道电阻增大，如图5(b)所示当|vGS|进一步增大到一定值|VP|时，两侧的耗尽层将在沟道中央合拢，沟道全部被夹断，如图2(c)所示由于耗尽层中没有载流子，因此这时漏-源极间的电阻将趋于无穷大，即使加上一定的电压vDS，漏极电流iD也将为零这时的栅-源电压vGS称为夹断电压，用VP表示如图5(c)所示上述分析表明:,(a)改变栅源电压vGS的大小，可以有效地控制沟道电阻的大小b)若同时在漏源-极间加上固定的正向电压vDS，则漏极电流iD将受vGS的控制，|vGS|增大时，沟道电阻增大，iD减小。
c)上述效应也可以看作是栅-源极间的偏置电压在沟道两边建立了电场，电场强度的大小控制了沟道的宽度，即控制了沟道电阻的大小，从而控制了漏极电流iD的大小2)vDS对iD的影响,设vGS值固定，且VPvGSVp 时，沟道全部被夹断，iD0，这时场效应管处于截止状态截止区处于输出特性曲线图的横座标轴附近(图1中未标注)2）转移特性曲线,转移特性曲线用来描述vDS取一定值时，iD与vGS间的关系的曲线，即:,由于转移特性和输出特性都是用来描述vGS、vDS及iD间的关系的，所以转移特性曲线可以根据输出特性曲线绘出作法如下：在图7所示的输出特性中作一条vDS=10V的垂线，将此垂线与各条输出特性曲线的交点A、B和C所对应的iD、vGS的值转移到iD-vGS直角坐标系中，即可得到转移特性曲线 ，如图8(a)所示改变vDS的大小，可得到一族转移特性曲线，如图8(b)所示由此图可以看出，当vDS （图中为vDS5V）后，不同vDS下的转移特性曲线几乎重合，这是因为在饱和区内iD几乎不随vDS而变因此可用一条转移特性曲线来表示饱和区中iD与vGS的关系在饱和区内iD可近似地表示为,它反映了栅-源电压vGS对iD的控制作用。
VPvGS0),式中IDSS为vGS=0，vDS0 时的漏极电流，称为饱和漏极电流4.结型场效应管主要参数,(1).夹断电压VP,当vDS为某一固定值(例如10V)，使iD等于某一微小电流(例如50mA)时，栅-源极间所加的电压即夹断电压2).饱和漏极电流IDSS,在vGS=0的条件下，场效应管发生预夹断时的漏极电流IDSS是结型场效管管子所能输出的最大电流3).直流输入电阻RGS,它是在漏-源极间短路的条件下，栅-源极间加一定电压时，栅-源极间的直流电阻4).低频跨导gm,当vDS为常数时，漏极电流的微小变化量与栅-源电压vGS的微小变化量之比为跨导，即,gm反映了栅-源电压对漏极电流的控制能力，是表征场效应管放大能力的一个重要参数单位为西门子(s)，有时也用ms或,?s,表示需要指出的是，gm与管子的工作电流有关，iD越大，gm就越大在放大电路中，场效应管工作在饱和区(恒流区)，gm可由式和 求得，即,4.3 金属-氧化物-半导体场效应管,结型场效应管的输入电阻虽然可达106109W，但在要求输入电阻更高的场合，还是不能满足要求本节介绍的金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）具有更高的输入电阻，可10,15,欧姆。
并具有是制造工艺简单、适于集成电路的优点MOS管也有N沟道和P沟道之分，而且每一类又分为增强型和耗尽型两种增强型MOS管在vGS=0时，没有导电沟道存在而耗尽型MOS管在vGS=0时，就有导电沟道存在4.3.1 N沟道增强型MOS管的结构,在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s然后在半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)它的栅极与其它电极间是绝缘的图 1(a)、(b)分别是它的结构示意图和代表符号代表符号中的箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)P沟道增强型MOS管的箭头方向与上述相反，如图 1(c)所示,图1 MOS管的结构,N沟道增强型MOS管的工作原理,1vGS对iD及沟道的控制作用,图2 vGS对iD及沟道的控制作用,（1）vGS=0 的情况,从图1(a)可以看出，增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结当栅-源电压vGS=0时，即使加上漏-源电压vDS，而且不论vDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流iD0。
2）vGS0 的情况,若vGS0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个电场电场方向：垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场电场的作用：这个电场能排斥空穴而吸引电子排斥空穴：使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层吸引电子：将 P型衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面导电沟道的形成：,当vGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图1(b)所示vGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当vGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个N+区相连通，在漏-源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称为反型层，如图1(c)所示vGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压，用VT表示结论：,上面讨论的N沟道MOS管在vGSVT时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态只有当vGSVT时，才有沟道形成这种必须在vGSVT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管沟道形成以后，在漏-源极间加上正向电压vDS，就有漏极电流产生。
2vDS对iD的影响,图 2 vDS对iD的影响,如图2(a)所示，当vGSVT且为一确定值时，漏-源电压vDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似漏极电流iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大，这里沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为vGD=vGS-vDS，因而这里沟道最薄但当vDS较小（vDSvGS,VT）时，它对沟道的影响不大，这时只要vGS一定，沟道电阻几乎也是一定的，所以iD随vDS近似呈线性变化随着vDS的增大，靠近漏极的沟道越来越薄，当vDS增加到使vGD=vGS-vDS=VT(或vDS=vGS-VT)时，沟道在漏极一端出现预夹断，如图2(b)所示再继续增大vDS，夹断点将向源极方向移动，如图2(c)所示由于vDS的增加部分几乎全部降落在夹断区，故iD几乎不随vDS增大而增加，管子进入饱和区，iD几乎仅由vGS决定.,4.3.2 N沟道增强型MOS管的特性曲线、电流方程及参数,1特性曲线和电流方程,(1)输出特性曲线,N沟道增强型MOS管的输出特性曲线如图1(a)所示与结型场效应管一样,其输出特性曲线也可分为可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区几部分。
2)转移特性曲线,转移特性曲线如图1(b)所示,由于场效应管作放大器件使用时是工作在饱和区(恒流区),此时iD几乎不随vDS而变化,即不同的vDS所对应的转移特性曲线几乎是重合的,所以可用vDS大于某一数值(vDSvGS-VT)后的一条转移特性曲线代替饱和区的所有转移特性曲线.,(1),iD与vGS的近似关系,与结型场效应管相类似在饱和区内,iD与vGS的近似关系式为,式中I,DO,是vGS=2VT时的漏极电流iD,2.参数,MOS管的主要参数与结型场效应管基本相同，只是增强型MOS管中不用夹断电压VP，而用开启电压VT表征管子的特性4.3.3 N沟道耗尽型MOS管,1.基本结构,图（a）N沟道耗尽型MOS管的基本结构（b）N沟道管的符号,（c）N沟道管的符,号,结构：N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管基本相似区别：耗尽型MOS管在vGS=0时，漏源极间已有导电沟道产生,增强型MOS管要在vGSVT时才出现导电沟道原因：制造N沟道耗尽型MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+(制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子)，如图1(a)所示，因此即使vGS=0时，在这些正离子产生的电场作用下，漏源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道)，只要加上正向电压vDS，就有电流iD。
如果加上正的vGS，栅极与N沟道间的电场。