场效应管原理及放大电路

场效应管(MOSFET)是一种外形与普通晶体管相似，但控制特性不同的半导体器件。它的输入电阻可高达10¹⁵W，而且制造工艺简单，适用于制造大规模及超大规模集成电路。
场效应管也称做MOS管，按其结构不同，分为结型场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管两种类型。在本文只简单介绍后一种场效应晶体管。 一、绝缘栅场效应晶体管 绝缘栅场效应晶体管按其结构不同，分为N沟道和P沟道两种。每种又有增强型和耗尽型两类。下面简单介绍它们的工作原理。
1．增强型绝缘栅场效应管
图6-38是N沟道增强型绝缘栅场效应管示意图。
在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，称做漏极D和源极S如图6-38(a)所示。然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(S_iO₂)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装一个铝电极，称做栅极G。另外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。它的栅极与其他电极间是绝缘的。图6-38(b)所示是它的符号。其箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。
　 图6-38 N沟道增强型场效应管 场效应管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数场效应管在出厂前已联结好)。从图6-39(a)可以看出，漏极D和源极S之间被P型存底隔开，则漏极D和源极S之间是两个背靠背的PN结。当栅-源电压U_GS=0时，即使加上漏-源电压U_DS，而且不论U_DS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I_D≈0。
若在栅-源极间加上正向电压，即U_GS＞0，则栅极和衬底之间的S_iO₂绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电子，因而使栅极附近的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，同时P衬底中的电子(少子)被吸引到衬底表面。当U_GS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6-39(b)所示。U_GS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当U_GS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6-39(c)所示。U_GS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。我们把开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压，用U_T表示。 图6-39 N沟道增强型场效应管的沟道形成图 由上述分析可知，N沟道增强型场效应管在U_GS＜U_T时，不能形成导电沟道，场效应管处于截止状态。只有当U_GS≥U_T时，才有沟道形成，此时在漏-源极间加上正向电压U_DS，才有漏极电流I_D产生。而且U_GS增大时，沟道变厚，沟道电阻减小，I_D增大。这是N沟道增强型场效应管的栅极电压控制的作用，因此，场效应管通常也称为压控三极管。
N沟道增强型场效应管的输出特性曲线和转移特性曲线如图6-40和图6-41所示。 图6-40 N沟道增强型场效应管的输出特性曲线 图6-41 N沟道增强型场效应管的转移特性曲线 2．耗尽型绝缘栅场效应管
从结构上看，N沟道耗尽型场效应管与N沟道增强型场效应管基本相似，其区别仅在于当栅-源极间电压U_GS= 0时，耗尽型场效应管中的漏-源极间已有导电沟道产生，而增强型MOS管要在U_GS≥U_T时才出现导电沟道。原因是制造N沟道耗尽型场效应管时，在S_iO₂绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na⁺或K⁺(制造P沟道耗尽型场效应管时掺入负离子)，如图6-42(a)所示，因此即使U_GS=0，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U_DS，就有电流I_D。如果加上正的U_GS，栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子，沟道加宽，沟道电阻变小，I_D增大。反之，U_GS为负时，沟道中感应的电子减少，沟道变窄，沟道电阻变大，I_D减小。当U_GS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，I_D趋于零，该管截止，故称为耗尽型。沟道消失时的栅-源电压称为夹断电压，用U_P表示，为负值。在U_GS=0、U_GS>0、U_P<U_GS<0的情况下均能实现对I_D的控制，而且仍能保持栅-源极间有很大的绝缘电阻，使栅极电流下均能实现对I_D的控制，而且仍能保持栅-源极间有很大的绝缘电阻，使栅极电流为零。这是耗尽型场效应管的一个重要特点。 图6-42 N沟道耗尽型场效应管 图6-42(b)是N沟道耗尽型场效应管的代表符号。图6-43是N沟道耗尽型场效应管的输出特性曲线，图6-44是N沟道耗尽型场效应管的转移特性曲线。实验表明，耗尽型场效应管的转移特性可近似用表示为
图6-43 N沟道耗尽型场效应管的输出特性曲线 图6-44 N沟道耗尽型场效应管的转移特性曲线 以上介绍了N沟道绝缘栅场效应增强型和耗尽型管，实际上P沟道也有增强型和耗尽型，其符号如图6-45所示。 图6-45 P沟道绝缘栅场效应晶体管

关于场效应管的各种参数及特性见《电路与电子技术实验指导》附录五。
绝缘栅场效应管还有一个表示放大能力的参数，即跨导，用符号g_m表示。跨导g_m是当漏—源电压U_DS为常数时，漏极电流的增量ΔI_D对引起这一变化的栅—源电压ΔU_DS的比值，即
(6-23)
跨导是衡量场效应晶体管栅—源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数，它的单位是μA/V或mA/V。
二、场效应管放大电路

由于场效应管具有高输入电阻的特点，它适用于作为多级放大电路的输入级，尤其对高内阻信号源，采用场效应管才能有效地放大。
和双极型晶体管比较，场效应管的源极、漏极、栅极对应于它的发射极、集电极、基极，两者的放大电路也类似。在双极型晶体管放大电路中必须设置合适的静态工作点，否则将造成输出信号的失真。同理，场效应管放大电路也必须设置合适的工作点。
场效应管的共源极放大电路和普通晶体管的共发射极放大电路在电路结构上类似。场效应管中常用的直流偏置电路有两种形式，即自偏压偏置电路和分压式偏置电路。
1．自偏压偏置电路
图6-46所示电路是一个自偏压偏置电路，源极电流I_S(等于I_D)流经源极电阻R_S，在R_S上产生电压降R_SI_S，显然U_GS= R_SI_S= R_SI_D，它是自给偏压。
R_S为源极电阻，静态工作点受它控制，其阻值约为几千欧；
C_S为源极电阻上的交流旁路电容，其容量约为几十微法；
R_G为栅极电阻，用以构成栅、源极间的直流通路，R_G的值不能太小，否则影响放大电路的输入电阻，其阻值约为200 kΩ～10 MΩ；
R_D为漏极电阻，它使放大电路具有电压放大功能，其阻值约为几十千欧；
C₁、C₂分别为输入电路和输出电路的耦合电容，其容量约为0.01～0.047 μF。 图6-46 耗尽型绝缘栅场效应管的自偏压电路 应该指出，由N沟道增强型绝缘栅场效应晶体管组成的放大电路，工作时U_GS为正，所以无法采用自给偏压偏置电路。
2．分压式偏置电路 图6-47 分压式偏置电路 图6-47为分压式偏置电路，R_G1和R_G2为分压电阻。
栅-源电压为(电阻RG中并无电流通过)
(6-24)
式中，U_G为栅极电位。对N沟道耗尽型场效应管，U_GS为负值，所以R_SI_D＞U_G；对N沟道增强型场效应管，U_GS为正值，所以R_SI_D＜U_G。
当有信号输入时，我们对放大电路进行动态分析，主要是分析它的电压放大倍数及输入电阻与输出电阻。图6-48是图6-47所示分压式偏置放大电路的交流通路，设输入信号为正弦量。
在图6-47的分压式偏置电路中，假如R_G= 0，则放大电路的输入电阻为

因为场效晶体管的输入电阻r_GS是很高的，比R_G1或R_G2都高得多，三者并联后可将r_GS略去。显然，由于R_G1和R_G2的接入使放大电路的输入电阻降低了。因此，通常在分压点和栅极之间接入一个阻值较高的电阻R_G，这样就大大提高了放大电路的输入电阻。
(6-25)
R_G的接入对电压放大倍数并无影响；在静态时R_G中无电流通过，因此也不影响静态工作点。
由于场效应晶体管的输出特性具有恒流特性(从输出特性曲线可见)

故其输出电阻是很高的。在共源极放大电路中，漏极电阻R_D和场效应管的输出电阻r_DS是并联的，所以当r_DSR_D时，放大电路的输出电阻
r_o≈R_D (6-26)
这点和晶体管共发射极放大电路是类似的。
输出电压为
(6-27)
式中，由式(6-23)得出。
电压放大倍数为
(6-28)
式中的负号表示输出电压和输入电压反相。
【例6-7】 在图6-47所示的放大电路中，已知U_DD=20 V，R_D=10 kΩ，R_S=10 kΩ，R_G1=100 kΩ，R_G2=51 kΩ，R_G=1 MΩ，输出电阻为R_L=10 kΩ。场效应管的参数为I_DSS=0.9 mA，U_P= 4 V，g_m=1.5 mA。试求：(1)静态值；(2)电压放大倍数。
解：(1) 由电路图可知

并可列出
U_GS = U_G－R_SI_D = 4－10×10³I_D
在U_GP≤U_GS≤0范围内，耗尽型场效晶体管的转移特性可近似用下式表示
联立上列两式

解之得
并由此得
(2) 电压放大倍数为

式中，。