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1、第四章 场效应管放大电路由于半导体三极管工作在放大状态时，必须保证发射结正偏，故输入端始终存在输入电流。改变输入电流就可改变输出电流，所以三极管是电流控制器件，因而三极管组成的放大器，其输入电阻不高。场效应管是通过改变输入电压(即利用电场效应)来控制输出电流的，属于电压控制器件，它不吸收信号源电流，不消耗信号源功率，因此输入电阻十分高，可高达上百兆欧。除此之外，场效应管还具有温度稳定性好，抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等优点，所得到广泛的应用。场效应管分为结型场效应管(JFET)和绝缘栅场效应管(IGFET)，目前最常用的MOS管。由于半导体三极管参与导电的两种极性的载流子，电子
2、和空穴，所以又称为半导体三极管双极性三极管。场效应管仅依靠一种极性的载流子导电，所以又称为单极性三极管。FETField Effect transistorJFETJunction Field Effect transistorIGFETInsulated Gate Field Effect TransistorMOSMetal-Oxide-Semiconductor（一）课程内容 1 结型场效应管和绝缘栅型场效应管。 2 场效应管的主要参数。 3 场效应管的特点。 4 场效应管放大电路。（二）教学基本要求 1 了解结型和绝缘栅型场效应管的结构，工作原理及伏安特性。 2 理解场效应管的主要参数
3、。 3 理解场效应管的特点。 4 了解场效应管放大电路的结构，工作原理，静态和动态分析。（三）本章重点1 场效应管的结构。2 工作原理及其特点。第四章 场效应管放大电路1 结型场效应管一、结构结型场效应管有两种结构形式。N型沟道结型场效应管和P型沟道结型场效应管。以N沟道为例。在一块N型硅半导体材料的的两边，利用合金法、扩散法或其它工艺做成高浓度的P+型区，使之形成两个PN结，然后将两边的P+型区连在一起，引出一个电极，称为栅极G。在N型半导体两端各引出一个电极，分别作为源极S和漏极D。夹在两个PN结中间的N型区是源极与漏极之间的电流通道，称为导电沟道。由于N型半导体多数载流子是电子，故此沟道
4、称为N型沟道。同理，P型沟道结型场效应管中，沟道是P型区，称为P型沟道，栅极与N型区相连。电路符号如图所示，箭头方向可理解为两个PN结的正向导电方向。 二、工作原理从结型场效应管的结构可看出，我们在D、S间加上电压UDS，则在源极和漏极之间形成电流ID。我们通过改变栅极和源极的反向电压UGS，则可以改变两个PN结阻档层(耗尽层)的宽度。由于栅极区是高掺杂区，所以阻挡层主要降在沟道区。故|UGS|的改变，会引起沟道宽度的变化，其沟道电阻也随之而变，从而改变了漏极电流ID。如|UGS|上升，则沟道变窄，电阻增加，ID下降。反之亦然。所以改变UGS的大小，可以控制漏极电流。这是场效应管工作的基本原理
5、，也是核心部分。下面我们详细讨论。1UGS对导电沟道的影响为了便于讨论，先假设UDS=0。(a)UGS=0(b)UGS0当UGS由零向负值增大时，PN结的阻挡层加厚，沟道变窄，电阻增大。(c)UGS=Up若UGS的负值再进一步增大，当UGS=Up时，两个PN结的阻挡层相遇，沟道消失，我们称沟道被“夹断”了，UP称为夹断电压，此时ID=0。2ID与UDS、UGS之间的关系假定：栅、源电压|UGS|0时，(为方便假定UDS=0)，则在SiO2的绝缘层中，产生了一个垂直半导体表面，由栅极指向P型衬底的电场。这个电场排斥空穴吸引电子，当UGSUT时，在绝缘栅下的P型区中形成了一层以电子为主的N型层。由
6、于源极和漏极均为N+型，故此N型层在漏、源极间形成电子导电的沟道，称为N型沟道。UT称为开启电压，此时在漏、源极间加UDS，则形成电流ID。显然，此时改变UGS则可改变沟道的宽窄，即改变沟道电阻大小，从而控制了漏极电流ID的大小。由于这类场效应管在UGS=0时，ID=0，只有在UGSUT后才出现沟道，形成电流，故称为增强型。3特性曲线N沟道增强型场效应管，也用转移特性、输出特性表示ID、UGS、UDS之间的关系，如下图所示。转移特性：UGS0时，将产生较大的漏极电流ID。如果使UGS0，则它将削弱正离子所形成的电场，使N沟道变窄，从而使ID减小。当UGS更负，达到某一数值时沟道消失，ID=0。
7、使ID=0的UGS我们也称为夹断电压，仍用UP表示。UGSUP沟道消失，称为耗尽型。3特性曲线N沟道MOS耗尽型场效应管的特性曲线如下图所示，也分为转移特性和输出特性。其中：IDSS UGS=0时的漏极电流。UP 夹断电压，使ID=0对应的UGS的值。P沟道场效应管的工作原理与N沟道类似。我们不再讨论。下面我们看一下各类绝缘栅场效应管(MOS场效应管)在电路中的符号。3 场效应管的主要参数场效应管主要参数包括直流参数、交流参数、极限参数三部分。一、直流参数1饱合漏极电流IDSSIDSS是耗尽型和结型场效应管的一个重要参数。定义：当栅、源极之间的电压UGS=0，而漏、源极之间的电压UDS大于夹断
8、电压UP时对应的漏极电流。2夹断电压UPUP也是耗尽型和结型场效应管的重要参数。定义：当UDS一定时，使ID减小到某一个微小电流(如1A，50A)时所需UGS的值。3开启电压UTUT是增强型场效应管的重要参数。定义：当UDS一定时，漏极电流ID达到某一数值(如10A)时所需加的UGS值。4直流输入电阻RGSRGS是栅、源之间所加电压与产生的栅极电流之比，由于栅极几乎不索取电流，因此输入电阻很高，结型为106以上，MOS管可达1010以上。二、交流参数1低频跨导gm此参数是描述栅、源电压UGS对漏极电流的控制作用，它的定义是当UDS一定时，ID与UGS的变化量之比，即跨导gm的单位是mA/V。它
9、的值可由转移特性或输出特性求得。在转移特性上工作点Q外切线的斜率即是gm。或由输出特性看，在工作点处作一条垂直横坐标的直线(表示UDS=常数)，在Q点上下取一个较小的栅、源电压变化量UGS，然后从纵坐标上找到相应的漏极电流的变化量ID/UGS，则gm=ID/UGS。此外。对结型场效应管，可由求得只要将工作点处的UGS值代入就可求得gm2极间电容场效应管三个极间的电容。包括CGS、CGD和CDS。这些极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个pF。三、极限参数1漏极最大允许耗散功率PDmPDm=IDUDS2漏源间击穿电压BUDS在场效应管输出特性曲线上，当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。工作时，外加在漏极、源极之间
