场效应管及其放大电路基础知识
场效应管及其放大电路基础知识

场效应晶体管FET(Field Effect Transistor)简称场效应管，是利用电压产生的电场效应来控制输出电流的大小的，它和晶体三极管一样具有放大作用。

场效应管不仅具有一般晶体三极管体积小、重量轻、寿命长等特点，而且还有输入阻抗高、噪声低、易于制造、便于集成等优势，故被广泛应用于集成电路中。

根据其结构的不同，场效应管通常分为结型场效应管(JFET)和绝缘栅场效应管(IGFET)两大类。本章首先介绍了两种场效应管的结构、工作原理及其特性曲线；分析比较场效应管与晶体三极管的特点，阐述了其主要参数；最后介绍了场效应管的两种基本放大电路——共源放大电路及共漏放大电路，我们应掌握其偏置电路、交流等效电路分析法及其性能指标的计算。



3.1 结型场效应管



3.1.1 结型场效应管基本结构和类型

结型场效应管可分为N沟道和P沟道两种类型。它们的结构示意图及相应的电路符号见图3.1。图3.1(a)是N沟道结型场效管的内部结构及电路符号。它在一块N型半导体材料两侧，通过高浓度扩散制造两个重掺杂的P+型区，形成两个P+N结。把两个P+区接在一起形成一个电极，称为栅极（G）。中间的N型区是载流子的流通路径，称之为导电沟道，在它的两端分别引出两个电极，分别称为源极（S）和漏极（D）。所以这一器件从外部看也有三条电极引线，从内部看也是背靠背的两个PN结。由于它的导电沟道为N型半导体，故取名N沟道结型FET。图3.1(b)是P沟道JFET的结构及电路符号，它与N沟道JFET相类似，只是导电沟道变为P 型半导体。图中栅极G的箭头方向表示了GS之间PN结的正偏方向。



3.1.2 结型场效应管的基本工作原理

场效应管是利用电压产生的电场效应来控制输出电流的大小的，其实质就是通过改变加在栅源之间的反偏电压UGS来改变PN结耗尽层的宽度，从而改变了导电沟道的宽度，也就是改变了导电沟道的电阻，最终实现对输出电流ID的控制。

N沟道JFET在正常工作时，栅源之间所加电压 UGS＜0，即栅源之间的PN结处在反偏状态。若忽略反向电流，则栅极电流为零。这时漏源之间电流ID的大小由沟道呈现的电阻大小决定。而沟道电阻的大小则由沟道的半导体材料的电阻及尺寸决定，由于栅源之间的P+N加的是反偏电压，故P+N结的空间电荷区宽度将随反偏电压增大而增大，而且空间电荷 区主要向沟道一侧延伸，这样，改变UGS的大小时就达到了控制沟道宽度的目的，从而实现了对沟道电阻的控制作用。当漏源之间加有UDS＞0的电压时，漏源电流ID就将随UGS的变化而变化，进而达到UGS对ID的控制目的。



在图3.2所示的情况下，我们可以看到当UDS＝0时，UGS变化对其导电沟道的影响。它表示了UGS对沟道宽度的控制作用。由图可见，当UGS＝0时，导电沟道最宽，若此时加的漏源电压UDS，则相应的ID最大。|UGS|越大，其导电沟道就越窄，相应的沟道电阻就越大，因而当漏源之间加有电压UDS时，其漏极电流就越小。当|UGS|增加到一个数值为||的电压时，由于P+N结的耗尽区向沟道一侧扩展的结果，使沟道完全消失（即两个P+N结的耗尽区完全合拢），如图3.2(c)所示。这种状态通称为沟道的夹断状态，相应的称为夹断电压。此时JFET的漏源之间即使加有电压UDS，也不会有沟道电流产生，即ID＝0。



由此我们可以知道，由于栅源之间加的反偏电压，故从栅

极看进去所呈现的阻抗很高；此外，依靠UGS产生的电场效

应通过对P+N结耗尽区宽度的控制可以有效地实现对漏极电

流的控制作用，且当UGS＜UP时，由于沟道夹断，漏源之

间处在断路状态。

2.ＵDS对ID的影响

当UGS＝0时，改变UDS对导电沟道产生的影响，如图3.3所示。当N沟道JFET正常工作时，UDS＞0，即漏源之间为正极性电压。在UGS＝UDS＝0时，靠近漏端与源端的沟道宽度一样，即具有均匀的沟道宽度，如图3.2(a)所示。当UGS＝0，UDS＞0时，则靠近漏端的P+N结反偏电压要大于靠近源端P+N结的反偏电压，因此耗尽区向沟道一侧延伸的宽度就不同了，导致靠近漏端的沟道宽度窄而靠近源端的沟道宽度宽。这种延沟道长度方向上沟道宽度的不均匀性是由UDS引起的。其具体解释如下：因为UDS＞0，漏源之间产生了一个较大电流，因为ID的方向是从上到下，所以沿沟道的方向从上至下有一上电压降落。设源极（最下面）电位为参考点，则沟道上各点的电位不同，最下面D点的电位最高，最下面源极处电位最低。PN结的反向偏压数值在最上面靠近漏极D点最大，所以耗尽区最宽，而最下面源极S处为最小，所以耗尽区最窄，因而形成的耗尽区的形状是上宽下窄。随着UDS增加这种沟道宽度不均匀性将越发明显。

一旦当UDS＝－时，则靠近漏端就出现了沟道合拢的情况，如图3.3(b)所示。这种状态通常称为预夹断状态。预夹断与前面的夹断是不一样的，器件在预夹断时，漏源之间有较大的电流流过。而夹断状态时，则ID＝0。当器件到达预夹断状态后，若继续加大UDS，则将会出现耗尽区的合拢点（预夹断点）沿沟道向源极方向移动的现象，如3.3(c)所示。这将导致导电沟道变短，从而使沟道电阻略有减小，但变化不大，这是由于夹断区是高阻区，外加电压UDS的增量主要降落在预夹断区，因而对沟道长度的影响甚小。这种随UDS变化沟道长度随之略有变化的现象称为沟道长度调制效应。可见，在沟道预夹断之后，UDS变化对沟道电流ID的影响是很小的。场效应管的这种工作状态称为恒流区（饱和区或放大区）。作为放大元器件，场效应管就是工作在这一状态。不过应当注意，当UDS过大时，由于P+N结的反偏过大，将产生反向击穿现象，工作时必须避免这种情况发生。

3.1.3结型场效应管的特性曲线及数学描述



输出特性







(4) 击穿区

击穿区为图3.4(b)中最右侧的部分，表示为升高到一定程度后，反向偏置的PN结被击穿，将急剧增大，若电流过大，管子将被损坏。一般用U(BR)DS来表示它的漏源之间的击穿电压。使用器件时，必须保证U DS＜U(BR)DS，以防止器件进入击穿区。一般U(BR)DS在20～50V之间，且随UGS的增加而增加，这在使用时应予以注意。

对于P沟道JFET的原理和特性，它与N沟道JFET的主要差别是在于UGS及UDS所需的电压极性，在P沟道JFET中，UGS＞0，而UDS＜0。器件的原理与特性同学们可以自行分析。

3.2 绝缘栅场效应管

3.2.1 绝缘栅场效应管基本结构和类型

绝缘栅场效应管也可有N沟道与P 沟道两种类型。N沟道IGFET的基本结构如图3.5所示，它用一块杂质浓度较低的P型薄硅片做衬底，在其顶部形成两个高掺杂的N+区，分别作为器件的源区和漏区，并相应地

引出两个电极：源极S和漏极D。在源区与漏区之间的P型衬底平面利用氧化工艺生长一层极薄的二氧化硅绝缘层，在该绝缘层上沉积出金属铝层并引出电极作为栅极G。衬底引出一个欧姆接触电极，称为衬底电极，用符号B表示。这种器件的栅极与衬底表面的绝缘层是SiO2，故把它称为金属–氧化物–半导体场效应管。即MOSFET。



根据在栅源电压UGS＝0时，漏源之间是否存在导电沟道的情况，MOSFET又可分为增强型和耗尽型两种类型，分别用EMOSFET和DMOSFET表示。当UGS＝0时，D、S之间无导电沟道存在，就称为增强型器件；当UGS＝0时，D、S之间有导电沟道存在，就称为耗尽型器件。这样，MOSFET共有4类：N沟道增强型MOSFET；N沟道耗尽型MOSFET；P沟道增强型MOSFET和P沟道耗尽型MOSFET。它们的符号分别由图3.6所示。



3.2.2 N沟道增强型MOSFET

前面我们已经讨论了N沟道IGFET的基本结构，如图3.5所示，如果在制作MOSFET时，在二氧化硅绝缘层中不掺正离子，则就是N沟道增强型MOSFET，若掺入大量正离子，则为N沟道耗尽型MOSFET，下面我们来讨论N沟道增强型MOSFET的工作原理及相应的特性。

1.N沟道增强型MOSFET的工作原理

当器件工作在恒流区也就是在放大状态时，其工作原理与JFET不尽相同。此时N沟道增强型MOSFET的衬底电极B必须接在电路中的最低电位上或与源极相接。而UDS＞0，这样使DS的两个N+区与衬底之间始终处在反偏状态。UGS必须加正极性的电压，以保证形成漏源之间的导电沟道。下面具体讨论。

(1) UGS对ID的控制

当UGS＝0时，N+源区与漏区之间被P型衬底所隔开，就好像两个背靠背的PN结，故漏源无电流流过，这时，可认为管子处于夹断状态。当UGS＞0时，在栅极与衬底之间形成了由栅极指向衬底的电场。此时栅极与衬底之间极薄的SiO2绝缘层犹如一个平板电容器的介质，在电场的作用下，P型衬底中不少子自由电子被吸引到衬底表面处，而多子空穴被排斥离开衬底表面。随着UGS的增加，栅极垂直于衬底表面的电场也增强，被吸引到衬底表面的自由电子也越多。一旦当UGS增加到某一电压UT时，衬底表面的自由电子数量就大于空穴数量，于是在衬底的表面形成了与P型材料相反的N型区，它把源区和漏区相互连接起来，形成了源漏区之间的导电通路。这一N型层通常称之为反型层，相应的开始形成反型层所需的栅源电压UT称为开启电压，其大小一般在2～10V之间。如果此时继续加大UGS，则相应的反型层厚度就随之加大，导电能力也就越强。说明N沟道增强型MOSFET沟道形成的示意图如图3.7所示。UGS对沟道的控制结果也就达到了对ID控制的目的，其具体情况可由转移特性来表示，即Id=f(Ugs)|Ugs=常数.



2.N沟道增强型MOSFET的特性曲线及其数学描述

N沟道增强型MOSFET的转移特性曲线与输出特性曲线如图所示。

3.2.3 其它类型的MOSFET

除N沟道增强MOSFET外，还有N沟道耗尽型MOSET和P沟道增强型和耗尽型三种

3.2.4 VMOS功率场效应管简介

通常提高MOS管功率容量的办法是：采用纵向（垂直）导电沟道和大规模集成电路技术，将许多小功率MOS管的管芯并联起来扩大电路，减小导通电阻，构成功率MOS管。

以N沟道MOS管(NMOS)为例，介绍这种具有纵向结构的V型MOS管(VMOSFET)的结构特点。图3.9是其结构剖面图。它以N+型硅材料作衬底（形成漏极D），并在此基础上依

次制作出低掺杂的N－外延层、P型区

（导电沟道）和高掺杂的N+区（形成源

极S）。穿过N+区和P区，刻蚀成一个V

型槽，并在表面生长一层SiO2,再覆盖一

层金属作为栅极G。



当栅极加正电压时，在氧化膜下的P型层两边表面上形成导电沟道。在漏源之间加正电压(UGS＞0)，则电子从源极通过两个沟道，达到N－外延层，再通过N+衬底流入漏极,可见电子沿导电沟道的运动是纵向的。

由于功率MOS管的漏区面积大，有利于散热，且P层与N－外延层形成一反偏的PN结，它的耗尽层大多位于掺杂更轻的外延层中，因此漏极与源极之间的反向击穿电压较高，有利于制作成大功率器件。目前，有的功率MOS管耐压可达1000V以上，最大连续电流200A。

V型MOS管有开关速度高、驱动电流小、过载能力强、易于并联等特点，但MOS管与双极型晶体管相比，其低频损耗大，且易受静电破坏，所以应用时需加保护电路。

3.3 场效应管的特点及主要参数

3.3.1 场效应管与晶体三极管的比较

场效应管与双极型晶体管相比较，具有如下一些特点：

(1) BJT输入端的PN结为正向偏置，因而它的输入电流较大，相应的输入电阻数小。而JFET输入端的PN结为反向偏置，对IGMOSFET则有绝缘层隔离，故它们的输入电阻很大。通常JFET的输入电阻10^8，而IGFET的输入电阻可大于10^11～10^12。

(2) FET是靠多子导电的器件，所以也称为单极型器件，而BJT中，自由电子及空穴均参与工作，所以又称为双极型器件。由于多子浓度受温度、光照、辐射等环境变化的影响小，所以FET特别适合于环境条件变化较大的电子设备中。

(3) 在低压小电流工作时，FET可作为电压控制的可变线性电阻和导通电阻很小的无触点开关。而BJT则无此优异特性。

(4) FET是一种自隔离器件，制造工作简单，特别适合于大规模与超大规模集成电路的设计与制造。从当前的发展趋势看，在这些集成度很高的大规模与超大规模集成电路中，MOSFET已日益取代了BJT。

(5) 从器件的结构看，FET的漏极与源极是对称的，可以互换使用，设计时也较BJT灵活。

特别需要指出的是在保存和使用MOSFET时要倍加留心，因为它的栅极与衬底表面之间的绝缘层很薄，当带电体或人体接触金属栅时，由于会在栅极与衬底上产生感生电荷，而栅极与衬底之间的平板电容器容量又很小，所以常常这些感生电荷积累会在绝缘层上产生很高的电压，极易导致绝缘层的击穿而损坏管子。所以这种器件在保存时应将各电极引线短接，焊接应将电烙铁外壳良好接地，必要时还可在管子的栅源之间接入背靠背的两只稳压管，以限制感生电荷在栅源之间产生的最大电压，避免管子栅源之间因击穿而损坏。

3.3.2 场效应管的主要参数

1.直流参数

3.4 场效应管基本放大电路

场效应管的三个电极与晶体三极管的三个电极存在着对应关系：即栅极与基极B、源极S与发射极E及漏极D与集电极C分别对应。同样，由场效应管组成的放大电路也具有共源、共栅、共漏三种组态。其放大倍数的计算，也采用交流小信号等效电路分析方法。

3.4.1 场效应管的偏置电路

场效应管放大电路也应由偏置电路建立一个合适的静态工作点。所不同的是，场效应管是电压控制元件，它只需要合适的偏压，而不需要输入电流；另外，不同类型的场效应管对偏置电压的极性有不同要求，在实际电路中，既要满足电压极性要求，又要尽量满足单电源供电，因此场效应管放大电路一般都采用自给偏压的方法。



1.直流偏置电路

(1) 自偏压电路

图3.10(a)是由N沟道结型场效应管构成放大电路的自偏压电路。RG称为栅极电阻，也称为栅极漏电阻，简称栅漏电阻，可用来释放栅极感应电荷，防止栅极被感应电压击穿，同时也为栅偏压提供了直流通路，通常RG取值很大以提高输入电阻



可见，该电路使＞0，＜0，提供了一个合适的静态工作点，使场效应管能够起正常的放大作用。这种电路的栅偏压是靠场效应管的自由漏电流产生的，故称为自偏压电路。



(2) 分压式自偏压电路(混合偏置)

上述自偏压电路虽然结构简单，但RS不能过大，否则静态工作点将下降，影响动态工作范围，减小放大倍数，因此的调节范围较小，并且该电路只能提供负的栅偏压，适用于耗尽型场效应管，不能适用于增强型场效应管，因此在自偏压电路上给栅极再加一定的分压，则栅偏压的变化范围就可以增大。如图3.10(b)所示是分压式自偏压电路，它是在自偏压电路基础上接入分压电阻构成的，特点是能稳定静态工作点，且适用于各类场效应管的放大电路。



2.静态分析

3.4.2 场效应管的微变等效电路



3.4.3 场效应管的基本放大电路性能分析

场效应管也具有共源、共漏和共栅极三种组态的放大电路，其动态分析与三极管的动态分析方法相同，其步骤也是找出其交流通路，做微变等效替换，然后按电路分析方法计算。

1.共源电路

共源放大电路如图3.13(a)所示，图(b)为其交流等效电路。







根据R0的定义，可画出求输出电阻R0的等效电路，如图(c)所示。



3. 三种组态放大电路的比较

除了上述的共源、共漏放大器外，还有一种共栅放大器，在此我们不再进行分析了，这里我们把场效应管三种组态放大电路的性能比较用表3.2来简单描述。