场效应管及其基本放大电路

第3章 场效应管及其基本放大电路

许多电子设备中除了要用到三极管放大器外，还经常使用场效应管放大器，尤其在功率放大、射频放大及集成电路中的应用较多。

场效应管（FET）是一种仍具有PN结但工作机理与三极管全然不同的新型半导体器件。它利用输入回路的电场效应来控制输出回路的电流大小，故以此命名。这种器件不仅兼有体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特点，而且还有输入阻抗高（107～1012Ω）、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单等优点，因而广泛地应用于各种电子电路中。

由于场效应管几乎仅靠半导体中的多数载流子导电，故又称单极型晶体管。根据结构的不同，场效应管可分为两大类，即结型场效应管（JFET）和金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）。本章主要介绍场效应管的基本特性及其基本放大电路。

3.1 结型场效应管

3.1.1 JFET的结构与符号

b）

a） c ） d）

图3-1 结型场效应管结构、符号及其偏置

a）N沟道管平面结构示意图 b）N沟道管符号 c）P沟道管符号 d）N沟道管的偏置

场效应管器件的外形与封装基本类同于三极管。场效应管按导电类型（电子型或空穴型）的不同可分为两大类，即N沟道场效应管和P沟道场效应管。

N沟道结型场效应管的剖面结构示意图如图3-1a所示。它是在一块N型半导体材料两侧分别扩散出高浓度的P型区（用P+表示）并形成两个PN结而构成的。两个P+型区外侧各引出一个电极并连接在一起，作为一个电极，称为栅极G。在N型半导体材料的两端各引出一个电极，分别称为源极S和漏极D。G，S，D三个电极的作用分别类似于BJT的B，E，C。两个PN结中间的N型区域，称为导电沟道。由于该导电沟道为N型沟道，因此这种结构的管子称为N沟道结型场效应管。图3-1b所示为它的电路符号，其中箭头的方向表示PN结正偏的方向即由P指向N，因此从符号上可直接看出D，S之间是N沟道，同时箭头位置在水平方向与S极对齐，因此也可从符号上直接读出G，S，D极。

按照类似的方法，在一块P型半导体材料两侧分别扩散出高浓度的N型区（用N+表示），

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并引出相应的G，S，D极，就可以得到P沟道结型场效应管，其电路符号如图3-1c所示（其中箭头的方向与N沟道管相反）。

场效应管的命名方法见附录A。 3.1.2 JFET的工作原理 1.JFET的偏置

N沟道JFET的直流偏置电路如图3-1d所示（P沟道JFET的直流电源极性与之相反）。N沟道JFET正常工作时，栅极与源极之间应加负电压，即uGS＜0，使栅极、沟道间的PN结任何一处都处于反偏状态，因此，栅极电流iG≈0，场效应管可呈现高达107?以上的输入电阻。而漏极与源极之间则加正电压，即uDS＞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（与“源”和“漏”的字面含义相吻合），形成漏极电流iD。

2.JFET的工作原理

电路测试26：JFET各电压与电流关系的测量（见9.3） 下面以N沟道JFET为例，讨论JFET的工作原理。

N沟道JFET正常工作时，偏置电压为uGS＜0，uDS＞0。分析JFET的工作原理，主要是讨论uGS对iD的控制作用以及uDS对iD的影响。

（1）uGS对iD的控制作用

为讨论方便，首先假设uDS=0。当uGS由0向负值增大时，反向偏置加大，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大，反之亦然，如图3-2a所示（因为P+区杂质浓度远高于N区，则N区耗尽层要比P区宽得多，因此图中只画出了N区的耗尽层）。

图3-2 uDS=0时uGS对沟道的影响

a）UGS,off＜uGS＜0 b）uGS≤UGS,off

当?uGS?进一步增加到某一数值时，两侧耗尽层相遇，沟道被耗尽层完全夹断，导电沟道的宽度为零，如图3-2b所示，此时漏源极间的电阻将趋于无穷大。两侧耗尽层正好相遇时的栅源电压称为夹断电压，用UGS,off表示。显然，N沟道JFET的UGS,off＜0。

由以上讨论可知，通过改变uGS可以有效地控制沟道电阻的大小，从而控制漏源极之间的导电性能和漏极电流iD的大小（在外加一定的正向电压uDS的情况下）。

（2）uDS对iD的影响

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为讨论方便，首先假设uGS=0。

当uGS=0时，导电沟道最宽，沟道电阻最小，在一定uDS作用下的iD也最大。粗略地看，沟道呈现一线性电阻特性，iD将随uDS增大而线性增大，反之亦然。不过实际情况并非如此简单。

显然，若一开始uDS=0，则iD=0。但随着uDS的逐渐增大，一方面iD随之增大；另一方面，当iD流过沟道时，沿着沟道产生电压降，使沟道各点电位不再相等，即沟道各点PN结的反向电压也不相等，而是沿沟道从源极到漏极逐渐增加，在源端PN结的反向电压为0（最小），在漏端PN结的反向电压为uDS（最大），这使得耗尽层从源端到漏端逐渐加宽，形成源端较宽、漏端较窄的楔形沟道，并使沟道电阻有所增大，如图3-3a所示。由此可见，uDS的增大，一方面促使了iD的增大，另一方面又减缓了iD的增加速度。不过在uDS较小时，导电沟道在漏端区的区域仍较宽，减缓的作用并不明显，因此iD基本上随uDS增大而线性增大，在输出特性曲线上表现为线性上升特性，如图3-4a所示。

随着uDS的进一步增大，漏端区的沟道变得更加狭窄。当uDS增大到?UGS,off?（即uGD=UGS,off）时，漏端区的耗尽层在A点相遇，如图3-3b所示，这种情况称为预夹断（点夹断，区别于uGS= UGS,off 时的全夹断），此时的iD称为饱和漏电流，用IDSS表示。IDSS下标中的第2个S表示栅源极间短路的意思。

图3-3 uGS=0时uDS对沟道的影响

a）0＜uDS＜?UGS,off? b）uDS＝?UGS,off? c）uDS＞?UGS,off?

当uDS继续增大时，夹断长度会有所增加，A点向源极方向延伸，形成夹断区，如图3-3c所示。需要指出的是，夹断区的形成并不意味着iD将下降甚至为零，因为若iD下降为零，则夹断区也不复存在。实际上，出现预夹断以后，uDS超过?UGS,off?那部分电压将落在夹断区上，使夹断区的电场很强，仍能将电子拉过夹断区（即为耗尽层）并形成漏极电流iD。在未被夹断的沟道上，沟道内电场基本上不随uDS的改变而变化，所以iD基本上不随uDS增大而上升，而大致保持IDSS值，管子呈现恒流（饱和）特性，在输出特性曲线上表现为线性水平特性，如图3-4a所示。

当UGS,off＜uGS＜0时，相对于uGS =0而言，整个沟道在一开始就相对较窄，因此在相同uDS的作用下iD也相对较小，在输出特性曲线上表现为对应的曲线整体均在uGS =0所对应的曲线下方，如图3-4a所示。显然，由于加在漏端区PN结的反向电压|uGD|=|uGS ?uDS|，而UGS, off是固定的，因此，随着|uGS|的增大，发生预夹断所对应的uDS也减小，相应地iD也随之减小。

当uGS≤UGS,off时，整个沟道被全夹断，此时无论uDS大小如何，均有iD=0。

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综上所述，可得JFET的基本特点如下。

① JFET的PN结应为反向偏置，即uGS＜0，因此其iG≈0，输入电阻很高。 ② 预夹断前，iD与uDS呈线性关系；预夹断后，iD趋于饱和（不受uDS控制）。 ③ JFET是电压控制电流型器件，iD受uGS控制（当uDS较大时）。 3.1.3 JFET的特性曲线

JFET的输出电流iD不但取决于输出电压uDS，而且还与输入电压uGS有关，即

iD=f (uDS ,uGS) （3-1）

为了在二维平面上绘出它们的关系曲线，可以把uGS或uDS作为参变量，从而可以得到JFET的输出特性和转移特性曲线。

1.输出特性

JFET的输出特性是指当栅源电压uGS为某一定值时，漏极电流 iD与漏源电压uDS之间的关系，即

iD?f(uDS)uGS?常数 如图3-4a所示为某N沟道JFET的输出特性曲线。其中，管子的工作情况可分为4个区域，现分别加以讨论。

图3-4 N沟道结型场效应管的特性曲线

a）输出特性 b）转移特性

（1）可变电阻区

即图3-4a中预夹断轨迹左边的区域（满足uGS＞UGS,off 和uDS＜uGS?UGS,off的条件）。该区域uDS较小，管子工作在预夹断前的状态。工作在这一区域的场效应管可看成一个受栅源电压uGS控制的可变电阻，所以，该区被称为“可变电阻区”。

（2）恒流区或饱和区

即图3-4a中预夹断轨迹右边、但尚未击穿的区域（满足uGS＞UGS,off 和uDS＞uGS?UGS,off 的条件）。该区域uDS较大，管子工作在预夹断后的状态，其工作原理已如前所述。当JFET用在放大电路中时，就工作在这一区域。因此该区又被称为线性放大区。

（3）击穿区

随着uDS的继续增大，PN结将因反向电压过大而击穿，iD急剧增加，管子处于击穿状态，所以这个区域称为击穿区。由于击穿时管子不能正常工作且容易烧毁，因此FET不允许工作在这个区域。

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（4）夹断区

当uGS≤UGS,off（即?uGS?≥? UGS, off?）时，沟道被全部夹断，iD≈0。图3-4a中靠近横轴的部分，就是夹断区，它相当于BJT的截止区。

【例3-1】电路中3个N沟道JFET的UGS,off=－3.5V，若测得直流电压UGS，UDS分别为下列各组数值，试判断它们各自的工作区域。

① UGS=－2V，UDS=4V。 ② UGS=－2V，UDS=1V。 ③ UGS=－4V，UDS=3V。

解 ①由于UGS＞UGS,off ，又UGD=UGS―UDS=―2―4=―6V，即UGD＜UGS,off ，故漏极出现夹断区，管子工作在恒流区。

② 由于UGS＞UGS,off ，又UGD=UGS－UDS=―2―1=－3V，即UGD＞UGS,off，故管子工作在可变电阻区。

③ 由于UGS＜UGS,off ，UDS＞0，故管子工作在夹断区。 2.转移特性

由于FET是电压控制型器件，不同于电流控制型器件BJT，其输入电流（iG）几乎等于0，所以讨论FET的输入特性是没有意义的。

这里所讨论的转移特性是指当漏源电压uDS为某一定值时，漏极电流iD与栅源电压uGS

的关系，即

iD?f(uGS)uDS?常数

容易看出，转移特性与输出特性都是反映iD与uGS，uDS的关系，只不过自变量与参变量对换而已。显然，可以直接由输出特性转换而得到转移特性。如图3-4b所示为与图3-4a所示输出特性相对应的转移特性曲线。实际上，每改变一次uDS值，就可以得到一条转移特性曲线。但是当uDS较大时，管子工作在恒流区，此时iD几乎不随uDS而变化，因此不同的转移特性曲线几乎重合，因此可用图3-4b所示的一条转移特性曲线来代表恒流区的所有转移特性曲线，从而使分析得以简化。该曲线直观地反映了uGS对iD的控制作用。

若UGS,off≤uGS≤0，则恒流区的转移特性可用下式近似表示

?uiD?IDSS?1?GS?UGS, off??? （3-2） ??2由式（3-2）可知，只要给出IDSS和UGS,off值，就可以得到转移特性曲线中的任意一点的值。 3.1.4 JFET的微变等效电路

与BJT相似，FET也有3种组态，即共源、共漏和共栅。场效应管的共源组态如图3-5a所示。

如果输入信号很小，FET工作在线性放大区，即输出特性中的恒流区，与BJT一样，也可用微变电路来等效分析。

对于输入回路，由于FET的栅极电流iG≈0，其输入电阻很高，因此可近似认为栅、源极间开路。输入回路的等效电路如图3-5b所示。

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