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第 3章
场效应管及其放大电路
内容提要:由双极性三极管组成的放大电路,不管在什么组态下,其输入端都存在输入电流,这样就使放大电路的输入电阻不会太高。为了满足高输入电阻的要求,可以使用场效应管放大电路。
场效应管(场效应晶体管的简称)按结构可分为两大类,一类是结型场效应管(junction field effect transistor,JFET)。另一类是金属-氧化物-半导体场效应管(metal-oxide-semiconductor field effect traNsistor,MOSFET)。第二类场效应管也称为绝缘栅型场效应管。
本章首先介绍两种场效应管(结型场效应管、绝缘栅型场效应管)的基本结构、放大原理,共源极条件下的输出V−I特性曲线、转移特性曲线,以及场效应管的主要参数。然后对各种场效应管的特点、性能进行比较,加深对场效应管的理解。接着以共源极放大电路为例,介绍场效应管放大电路的基本分析方法,同时讨论场效应管的另外两种放大组态:共栅极、共漏极放大组态。重点对场效应管三种组态下的增益、输入电阻、输出电阻进行分析,总结三种组态的特点。最后给出场效应管几种基本的应用。
基本概念:栅极、源极、漏极,沟道夹断,夹断电压VP,沟道预夹断,输出特性曲线,转移特性曲线,跨导gm,管耗PDM,开启电压VT,Q点。
结型场效应管
结型场效应管(JFET)的类型和结构

结型场效应管分为两类:一类是N沟道结型场效应管,另一类是P沟道结型场效应管。它们的结构示意图和电路符号如图3-1-1所示。由箭头方向即可判断出是N型还是P型结型场效应管。

(a)N型沟道(b)P型沟道
图3-1-1 结型场效应管的结构示意图及符号

由图3-1-1(a)可知,N沟道结型场效应管是在一块N型的半导体上掺杂三价的离子,形成两个P型区域构成的,并且要求P区的掺杂浓度远大于N区的浓度。将两个P区连在一起接出一条引线,称为栅极,用g表示;在两个P型区域各接一条引线,一条称为漏极,用d表示;另一条称为源极,用s表示。由图中可看出,在结型场效应管中有两个PN结,形成两个空间电荷区,由于P区的掺杂浓度远远大于N区的浓度,因此空间电荷区主要存在于N区内。在两个空间电荷区之间的N型区域,称为N型导电沟道。显而易见,如果在漏极和源极间加上电压,就会有电流通过N型导电沟道,在N型沟道中,电子是多子,空穴是少子,所以沟道中的电流主要是由于电子运动形成的,由空穴运动产生的电流很小。
P沟道场结型效应管也是根据同样的原理制作而成的。即在P型半导体上掺杂五价离子,形成两个N型区域。在P型导电沟道中,多子是空穴,少子是电子,电流主要是由空穴的运动产生,电子运动产生的电流很小。
结型场效应管的工作原理
下面以N沟道结型场效应管为例介绍结型场效应管的工作原理。
值得注意的是:结型场效应管在工作时一定要保证PN结反偏。所以对于N沟道的结型场效应管vGS为负值,vDS为正值。对于P沟道的结型场效应管vGS为正值,vDS为负值。外加偏置电压的极性如图3-1-2所示。
(a)N沟道(b)P沟道
图3-1-2 结型场效应管偏置电压的极性
由于PN结处于反偏状态,场效应管的输入电阻非常大,可达到108Ω左右,输入电流极小,几乎为零。
场效应管是在vGS、vDS共同作用下工作的:
图3-1-3 N沟道场效应管工作原理图
vGS、vDS可以控制沟道内空间电荷区(耗尽层)的宽窄,从而控制沟道电阻的大小;同时N沟道内的多子(电子)在vDS的控制下形成漏极电流iD。
讨论结型场效应管的工作原理,就是了解栅-源电压vGS对电流iD的影响、漏-源电压vDS对电流iD的影响。

图3-1-3为JFET的工作原理图。
为了使问题简单化,首先假设vDS = 0,如图3-1-4所示。
由于vDS =0,漏极和源极间短路,使整个沟道内没有压降,即整个沟道内的电位和源极的相同。
令反偏的栅-源电压vGS由零向负值增大,使PN结处于反偏状态,此时,耗尽层将变宽;由于在结型场效应管制作中,P区的浓度远大于N区的浓度,所以,耗尽层主要在N沟道内变宽,随着耗尽层宽度加大,沟道变窄,沟道内的电阻增大,如图3-1-4(a)、(b)所示。继续反向加大vGS,耗尽层将在沟道内合拢,此时,沟道电阻将变的无穷大,如图3-1-4(c)所示,这种现象称为沟道夹断,此时的vGS对应的电压称为夹断电压,记做VP。
(a)vGS=0 (b)VP < vGS < 0 (c)vGS = VP
图3-1-4 当vDS =0时,栅源电压vGS对iD的影响
图3-1-5 N沟道结型场效应管在
vDS一定时,iD