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第四章 场效应管放大电路 场效应管是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。场效应管的分类根据结构和工作原理的不同，场效应管可分为两大类：结型场效应管(JFET)绝缘栅型场效应管(IGFET)。 主要内容: 结型场效应管的结构及工作原理 金属-氧化物-半导体场效应管的结构及工作原理 场效应管放大电路的静态及动态性能分析 教学要点： 了解结型场效应管和MOS管的工作原理、特性曲线及主要参数 掌握用公式法和小信号模型分析法分析其放大电路的静态及动态性能 了解三极管及场效应管放大电路的特点 基本要求: 介绍结型场效应管和MOS管的工作原理、特性曲线，重点介绍用公式法和小信号模型分析法分析其放大电路静态及动态性能4.1 结型场效应管 4.1.1 JFET的结构和工作原理 1. 结构 在一块N型半导体材料的两边各扩散一个高杂质浓度的P+ 区,就形成两个不对称的PN结，即耗尽层。把两个P+区并联在一起，引出一个电极g，称为栅极，在N型半导体的两端各引出一个电极，分别称为源极s和漏极d。 场效应管的与三极管的三个电极的对应关系：栅极g基极b源极s发射极e漏极d集电极c 夹在两个PN结中间的区域称为导电沟道（简称沟道）。如果在一块P型半导体的两边各扩散一个高杂质浓度的N+区，就可以制成一个P沟道的结型场效应管。P沟道结型场效应管的结构示意图和它在电路中的代表符号如图所示。 2. 工作原理 vGS对iD的控制作用 为便于讨论，先假设漏源极间所加的电压vDS=0。 (a) 当vGS=0时，沟道较宽，其电阻较小。 (b) 当vGS0，且其大小增加时，在这个反偏电压的作用下，两个PN结耗尽层将加宽。由于N区掺杂浓度小于P+区，因此，随着|vGS| 的增加，耗尽层将主要向N沟道中扩展，使沟道变窄，沟道电阻增大。当|vGS| 进一步增大到一定值|VP| 时，两侧的耗尽层将在沟道中央合拢，沟道全部被夹断。由于耗尽层中没有载流子，因此这时漏源极间的电阻将趋于无穷大，即使加上一定的电压vDS，漏极电流iD也将为零。这时的栅源电压vGS称为夹断电压，用VP表示。在预夹断处：VGD=VGSVDS =VP 上述分析表明: (a)改变栅源电压vGS的大小，可以有效地控制沟道电阻的大小。 (b)若同时在漏源-极间加上固定的正向电压vDS，则漏极电流iD将受vGS的控制，|vGS|增大时，沟道电阻增大，iD减小。 (c)上述效应也可以看作是栅源极间的偏置电压在沟道两边建立了电场，电场强度的大小控制了沟道的宽度，即控制了沟道电阻的大小，从而控制了漏极电流iD的大小。 vDS对iD的影响 设vGS值固定，且VPvGS0。 (a)当漏-源电压vGS从零开始增大时，沟道中有电流iD流过。 (b)在vDS的作用下,导电沟道呈楔形 由于沟道存在一定的电阻，因此，iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点的电位不再相等，漏极端电位最高，源极端电位最低。这就使栅极与沟道内各点间的电位差不再相等，其绝对值沿沟道从漏极到源极逐渐减小，在漏极端最大(为 |VGD| )，即加到该处PN结上的反偏电压最大，这使得沟道两侧的耗尽层从源极到漏极逐渐加宽，沟道宽度不再均匀，而呈楔形。(c)在vDS较小时，iD随vDS增加而几乎呈线性地增加 它对iD的影响应从两个角度来分析： 一方面vDS增加时，沟道的电场强度增大，iD随着增加； 另一方面，随着vDS的增加，沟道的不均匀性增大，即沟道电阻增加，iD应该下降，但是在vDS较小时，沟道的不均匀性不明显，在漏极附近的区域内沟道仍然较宽，即vDS对沟道电阻影响不大，故iD随vDS增加而几乎呈线性地增加。 随着vDS的进一步增加，靠近漏极一端的PN结上承受的反向电压增大，这里的耗尽层相应变宽，沟道电阻相应增加，iD随vDS上升的速度趋缓。 (d)当vDS增加到vDS=vGS-VP，即VGD=vGS -vDS=VP(夹断电压)时，沟道预夹断 此时,漏极附近的耗尽层即在A点处合拢，这种状态称为预夹断。 与前面讲过的整个沟道全被夹断不同，预夹断后，漏极电流iD≠0。因为这时沟道仍然存在，沟道内的电场仍能使多数载流子(电子)作漂移运动，并被强电场拉向漏极。 (e)若vDS继续增加，使vDS＞vGS－VP,即VGD＜VP时，耗尽层合拢部分会有增加，即自A点向源极方向延伸，夹断区的电阻越来越大，但漏极电流iD不随vDS的增加而增加,基本上趋于饱和， 因为这时夹断区电阻很大，vDS的增加量主要降落在夹断区电阻上，沟道电场强度增加不多，因而iD基本不变。但当vDS增加到大于