第4章 场效应管 放大电路 *基本要求 了解场效应管的分类、结型场效应管（ JFET）和金属氧化物半导体场效应 管（MOSFET）的结构、工作原理； 熟悉输出特性曲线和转移特性曲线，以 及场效应管的主要参数； 掌握场效应管放大电路的组成、分析方 法和应用。 DateFET 特点 场效应管根据结构和工作原理的不同，分为两大类：结型场效 应管(Junction Field Effect Transistor, JFET)和金属氧化物半导体 场效应管（MOSFET） ，其中包括耗尽型和增强型。本章先介绍 JFET和MOSFET的结构、工作原理、特性曲线及主要参数，再讨论 场效应管放大电路的3种组态：共源极、共漏极和共栅极放大电路 。 BJT工作在放大区时，输入回路的PN结(BE结)加正向偏压，输 入阻抗小，且属于电流控制电流器件。场效应管(FET)虽然也是一 种具有PN结的半导体器件，但它是利用器件内部的电场 效应控制 输出电流的大小，其输入回路的PN结通常工作在反偏压或绝缘 状 态，输入阻抗很高(1071012)。FET具有体积小、耗电少、寿命长、 内部噪声小、热稳定性好、抗辐射能力强、制造工艺简单以及便于 集成等特点。 Date4.1 结型场效应管(JFET) 4.1 N沟道结型场效应管 4.1.1 N沟道结型场效应管的结构 Date如图4-1a所示，在一块N型半导体材料的各分别扩散一个 高参杂浓度的P型区(用P+表示)，两侧P+区与N沟道交界处形 成两个PN结，由于P+区内侧耗尽层非常窄，可见这两个PN结 都是非对称PN结。 两边P+区各引出一个欧姆接触电极并连接在一起，称为 栅极G(Gate)；在N型半导体的两端各引出一个欧姆接触电极 ，分别称为源极S(Source)和漏极D(Drain)。两个PN结之间的N 型区域称为N型导电沟道，简称N沟道。N沟道JFET的符号如 图4-1c所示，其中，箭头所指方向表示栅极和源极之间的PN 结加正向偏压时，栅极电流的方向是从P指向N。 如图4-1b所示为P型沟道JFET的结构示意图，其符号如图 4-1c所示。对于P沟道JFET，在使用过程中，除了直流电源电 压极性和漏极电流的方向与N型沟道JFET相反外，两者的工 作原理完全一样。 Date4.1.2 N沟道结型场效应管的工作原理 Date4.1.2.1 对导电沟道和 的控制作用 导电沟道沟道变窄沟道夹断DateDate沟道最宽但电 流为零沟道变窄Date沟道预夹断沟道夹断DateDate(4-1) Date4.1.3 结型场效应管的特性曲线 (4-2) 图4-5a所示N沟道JFET的输出特性曲线。 Date可变电阻区截止区放大区击穿区转移特性DateDateDate2转移特性曲线 (4-3) (4-4) Date4.2 绝缘栅场效应管(IG-FET) Date4.2.1 N沟道增强型MOSFET 4.2.1.1 N沟道增强型MOSFET的结构 绝缘层衬底吕电极Date在一块掺杂浓度较低的P型半导体材料(衬底)上，利用扩散工艺在衬底上形成两个高掺杂浓度的N型区域( 用N+表示)，并在此N区域上引出两个接触电极(铝电极) ，分别称为源极(S)和漏极(D)，两个电极之间的衬底表 面覆盖一层二氧化硅(SiO2)绝缘层，该绝缘层上再沉积 金属铝层并引出电极作为栅极(G)，从衬底引出的电极称 为衬底电极(B)，通常将衬底电极和栅极连接在一起使用。 Date4.2.1.2 N沟道增强型MOSFET的工作原理 Date反型层导 电沟道Date导电沟道 发生变化导电沟道 夹断DateDateDate4.2.1.3 N沟道增强型MOSFET的特性曲线 N沟道增强型MOSFET的特性曲线也分为输出特性和转移 特性，如图4-8所示。 图4-8b为N沟道增强型MOSFET的输出特性曲线，输出特 性同样分为可变电阻区、放大区(饱和区)、击穿区和截止区。 Date(4-6) Date4.2.2 N沟道耗尽型MOSFET N沟道耗尽型MOSFET的结构示意图如图4-9a所示。耗 尽型MOSFET 的符号如图4-9b所示。N沟道耗尽型MOSFET 的结构与增强型MOSFET结构相似，不同之处在于N沟道耗 尽型MOSFET在制造过程中在栅源之间的SiO2中注入一些离 子(图中4-9中用“”表示)，使漏源之间的导电沟道在 时导电沟道就已经存在了，这一沟道称为初始沟道。 Date“”离子导电沟道Date(4- 7) Date4.2.3 MOS场效应晶体管使用注意事项 MOS场效应晶体管在使用时应注意其分类，不能随意互换。MOS场效应 晶体管由于输入阻抗高(包括MOS集成电路)极易被静电击穿，使用时应注意 以下规则。(1) MOS器件启用前通常由生产厂家将MOS器件装在黑色的导电泡沫塑 料袋中，切勿自行随便用其他塑料袋装。也可用细铜线把各个引脚连接在一 起(或用锡纸包装)，以防被静电击穿。 (2) 已取出的MOS器件不能在塑料板上滑动，应用金属盘来盛放待用器件 。 (3) 焊接用的电烙铁必须良好接地，不具备条件时可将电烙铁拔离交流电 源插座再焊接。 (4) 在焊接前先将把电路板的电源线与地线短接，待MOS器件焊接完成后 再恢复。 (5) 焊接MOS器件各引脚的顺序是漏极、源极、栅极。拆卸MOS器件时 顺序相反。 (6) 电路板在装机之前先用良好接地的线夹子去碰触机器的各接线端子， 再把电路板接上去。 (7) 生产过程中，在人体可能接触MOS器件的时，操作人员的手腕应带静 电屏蔽套，并将屏蔽套可靠接地。Date4.2.4 双栅场效应管(DG FET) 双栅 MOS 场效应管有两个栅极，其结构示意图如图4-12所 示。由于双栅MOSFET具有上、下两个栅，增强了对沟道的控制 能力。对于厚膜双栅MOSFET, 硅膜在正面、背面栅压作用下的 最大反型区域小于硅膜厚度, 即 两个反型沟道相对独立, 而硅膜 的中间部分没有反型, 没有电流 通道。在这种状况下, 双栅 MOSFET 相当于两个普通体硅 MOSFET 的简单并联。 导电沟道 Date国产N沟道MOSFET的典型产品单栅管有 3DO1、3DO2、3DO4等，双栅管有4DO1等。 双栅极FET双栅极FET等效双栅极FET引脚图Date4.3.1 FET的主要参数 1直流参数 1) 夹断电压2) 开启电压3) 饱和电流4) 直流输入电阻2. 交流参数 1) 低频跨导(互导)(4-11) (4-12) Date对于增强型MOSFET，将式(4-6)代入(4-11)得到增强型 MOSFET的跨导为 (4-13) 2) 输出电阻 (4-14) Date3极限参数 Date4.4 场效应管放大电路 FET放大电路的分析方法与BJT放大电路的分析方法基本相 同，可以用图解法和低频小信号等效(微变等效)电路法。 4.4.1 直流分析 与BJT放大电路相似，给FET栅极提供直流电压的电路 称为偏置电路。FET的偏置电路分为固定偏置电路、自给 偏置电路和分压式偏置电路三种。 Date1) 固定偏置电路 共源组态的基本放大电路如图4-14所示。 图4-14a是为FET 提供负偏压的固定偏 置放大电路，偏置电 压由外加电压 提 供，由于FET的输入 电阻很大，流过栅极 的电流几乎为零。因 此， 两端的电压 降为零 (4-15) Date与BJT固定偏置电路一样，图4-14a所示FET固定偏置电路 也存在着工作点不稳定的缺陷，因此，实际应用中很少使用， 更常用的是自给偏压电路和分压式偏置电路。 2) 自给偏置电路 偏置电阻Date(4-16) 这种偏置电压是由FET的电流 产生的，所以称为自给偏压。 (4-17) 只要将式(4-16)与(4-17)联立求解，就可以求出静态时漏极电流 和栅源电压 。漏极电流 求出后，根据图4-14b所示电路的输出回路(漏 极回路)列出KVL方程：(4-18) Date3）分压式自给偏压电路 Date(4-20) (4-22) 将(4-16)与(4-22)联立求解，可以得到静态时 漏极电流 和栅源电压 的值。 (4-21) 利用式(4-20)获得合适的 较为 方便，因此，分压式自给偏压电 路不仅适用于增强型FET放大电路，也同样适用于耗尽型FET放大电路 。Date4.4.2 小信号模型分析 4.4.2.1 FET的小信号等效模型 FET的输出特性可知 (4-24) 是式(4-11)表示的跨导是式(4-12)表示的FET输出电阻的倒数。 Date(4-25) 为跨导 ,单位为mA/V或mS 称为FET漏极电阻率，单位为分布电容 Date4.4.2.2 小信号模型分析方法 1. 共源极放大电路分析 FET放大电路的 分析方法和BJT放大 电路的分析方法相同 。给出电路后首先应 该分析电路中各元器 件的作用，然后画出 该电路的低频小信号 等效电路图，再根据 定义计算电路中的相 关参数。 Date将图4-17所示共源极放大电路的交流通路和小信号微变等效电 路绘成图，如图4-18所示。 Date1) 电压增益 (4-26) 式(4-26)中的“”号表示共源极放大器的倒相作用。 2) 电流增益 (4-27) Date3) 输入电阻 (4-28) 4) 输出电阻 (4-29) Date5) 源电压增益(4-30) 4.4.3 共漏极放大电路 1) 电压放大倍数 Date2) 输入电阻 (4-32) Date3) 输出电阻 根据求放大器输出 电阻的定义，令保留信号源内阻 (4-33) Date场效应管的应用示例光耦合开关MOS FET保护二极管Date本章小结 1）介绍了J-FET和MOS FET的结构和工 作原理 应熟悉场效应管的特性曲线 掌握场效应管放大电路的分析方法及其 与晶体三极管放大电路的异同点 了解场效应管的应用注意事项Date