2.5 場效應(yīng)管放大電路

三極管是一種電流控制型器件，當(dāng)輸入電流Ib變化時(shí)，輸出電流Ic會隨之變化；而場效應(yīng)管是一種電壓控制型器件，當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓會發(fā)生變化。

根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，場效應(yīng)管可分為結(jié)型場效應(yīng)管和絕緣柵型場效應(yīng)管，絕緣柵型場效應(yīng)管簡稱為MOS管（MOS的含義為金屬-氧化物-半導(dǎo)體），MOS管又可分成耗盡型MOS管和增強(qiáng)型MOS管。同三極管一樣，場效應(yīng)管也具有放大功能，因此它也能組成放大電路。

2.5.1 結(jié)型場效應(yīng)管及其放大電路

1. 結(jié)型場效應(yīng)管

（1）結(jié)構(gòu)

與三極管一樣，場效應(yīng)管也是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的，三極管有PNP型和NPN型兩種，場效應(yīng)管則可分為P溝道和N溝道兩種。兩種溝道的結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)如圖2-31所示。

圖2-31（a）所示為N溝道場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出，場效應(yīng)管內(nèi)部有兩塊P型半導(dǎo)體，它們通過導(dǎo)線內(nèi)部相連，再引出一個(gè)電極，該電極稱柵極G，兩塊P型半導(dǎo)體以外的部分均為N型半導(dǎo)體，在P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體交界處形成兩個(gè)耗盡層（即PN結(jié)），耗盡層中間區(qū)域?yàn)闇系?，由于溝道由N型半導(dǎo)體構(gòu)成，所以稱為N溝道，漏極D與源極S分別接在溝道兩端。

圖2-31（b）所示為P溝道場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)圖，P溝道場效應(yīng)管內(nèi)部有兩塊N型半導(dǎo)體，柵極G與它們連接，兩塊N型半導(dǎo)體與鄰近的P型半導(dǎo)體在交界處形成兩個(gè)耗盡層，耗盡層中間區(qū)域?yàn)镻溝道。

如果在N溝道場效應(yīng)管D、S極之間加電壓，如圖2-31（c）所示，電源正極輸出的電流就會由場效應(yīng)管D極流入，在內(nèi)部通過溝道從S極流出，回到電源的負(fù)極。場效應(yīng)管流過電流的大小與溝道的寬窄有關(guān)，溝道越寬，能通過的電流越大。

（2）工作原理

場效應(yīng)管在電路中主要用來放大信號電壓。下面通過圖2-32來說明場效管的工作原理。

圖2-32所示點(diǎn)畫線框內(nèi)為N溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)在D、S極之間加上正向電壓UDS，會有電流從D極流向S極，若再在G、S極之間加上反向電壓UGS（P型半導(dǎo)體接低電位，N型半導(dǎo)體接高電位），如圖2-32（a）所示，場效應(yīng)管內(nèi)部的兩個(gè)耗盡層變厚，溝道變窄，由D極流向S極的電流ID就會變小。反向電壓UGS越高，溝道越窄，ID電流越小。

由此可見，改變場效應(yīng)管G、S極之間的電壓UGS，就能改變溝道寬窄，從而改變D極流向S極的ID電流的大小，并且ID電流變化較UGS電壓變化大得多，這就是場效應(yīng)管的放大原理。場效應(yīng)管的放大能力大小用跨導(dǎo)gm表示，即

gm反映了柵源電壓UGS對漏極電流ID的控制能力，是表征場效應(yīng)管放大能力的一個(gè)重要的參數(shù)（相當(dāng)于三極管的β），gm的單位是西門子（S），也可以用A/V表示。

若給N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的G、S極之間加正向電壓，如圖2-32（b）所示，場效應(yīng)管內(nèi)部兩個(gè)耗盡層都會導(dǎo)通，耗盡層消失，不管如何增大G、S間的正向電壓，溝道寬度都不變，ID電流也不變化。也就是說，當(dāng)給N溝道結(jié)型場效應(yīng)管G、S極之間加正向電壓時(shí)，無法控制ID電流變化。

在正常工作時(shí)，N溝道結(jié)型場效應(yīng)管G、S極之間應(yīng)加反向電壓，即UG＜US，UGS=UG-US為負(fù)壓；P溝道結(jié)型場效應(yīng)管G、S極之間應(yīng)加正向電壓，即UG＞US，UGS=UG-US為正壓。

2. 結(jié)型場效應(yīng)管放大電路

結(jié)型場效應(yīng)管放大電路如圖2-33所示。

在圖2-33（a）所示電路中，場效應(yīng)管VT的G極通過R1接地，G極電壓UG=0V，而VT的ID電流不為0A（結(jié)型場效應(yīng)管在G極不加電壓時(shí)，內(nèi)部就有溝道存在），ID電流在流過電阻R2時(shí)，R2上有電壓UR2；VT的S極電壓US不為0V，US=UR2，場效應(yīng)管的柵源電壓UGS=UG-US為負(fù)壓，該電壓滿足場效應(yīng)管工作需要。

如果交流信號電壓Ui經(jīng)C1送到VT的G極，G極電壓UG會發(fā)生變化，場效應(yīng)管內(nèi)部溝道寬度就會變化，ID的大小就會變化，VT的D極電壓有很大的變化（如ID增大時(shí)，UD會下降），該變化的電壓就是放大的交流信號電壓，它通過C2送到負(fù)載。

在圖2-33（b）所示電路中，電源通過R1為場效應(yīng)管VT的G極提供UG電壓，此電壓較VT的S極電壓US低，這里的US電壓是指ID電流流過R4，在R4上得到的電壓，VT的柵源電壓UGS=UG-US為負(fù)壓，該電壓也能讓場效應(yīng)管正常工作。

2.5.2 增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管及其放大電路

1. 增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管

（1）圖形符號與結(jié)構(gòu)

增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管又稱增強(qiáng)型MOS管，它分為N溝道MOS管和P溝道MOS管，其圖形符號如圖2-34（a）所示，圖2-34（b）所示為增強(qiáng)型N溝道MOS管（簡稱增強(qiáng)型NMOS管）的結(jié)構(gòu)示意圖。

增強(qiáng)型NMOS管是以P型硅片作為基片（又稱襯底），在基片上制作兩個(gè)含很多雜質(zhì)的N型半導(dǎo)體材料，再在上面制作一層很薄的二氧化硅（SiO2）絕緣層，在兩個(gè)N型半導(dǎo)體材料上引出兩個(gè)鋁電極，分別稱為漏（D）極和源（S）極，在兩極中間的SiO2絕緣層上制作一層鋁制導(dǎo)電層，從該導(dǎo)電層上引出的電極稱為G極。P型襯底通常與S極連接在一起。

（2）工作原理

增強(qiáng)型NMOS管需要加合適的電壓才能工作。加有合適電壓的增強(qiáng)型NMOS管如圖2-35所示，圖2-35（a）所示為結(jié)構(gòu)圖形式，圖2-35（b）所示為電路圖形式。

如圖2-35（a）所示，電源E1通過R1接場效應(yīng)管D、S極，電源E2通過開關(guān)S接場效應(yīng)管的G、S極。在開關(guān)S斷開時(shí)，場效應(yīng)管的G極無電壓，D、S極所接的兩個(gè)N區(qū)之間沒有導(dǎo)電溝道，所以兩個(gè)N區(qū)之間不能導(dǎo)通，ID電流為0A；如果將開關(guān)S閉合，場效應(yīng)管的G極獲得正電壓，與G極連接的鋁電極有正電荷，它產(chǎn)生的電場穿過SiO2層，將P襯底的很多電子吸引靠近SiO2層，從而在兩個(gè)N區(qū)之間出現(xiàn)導(dǎo)電溝道，由于此時(shí)D、S極之間加上正向電壓，馬上有ID電流從D極流入，再經(jīng)導(dǎo)電溝道從S極流出。

如果改變E2電壓的大小，也即改變G、S極之間的電壓UGS，與G極相通的鋁層上的電荷產(chǎn)生的電場大小就會變化，SiO2下面的電子數(shù)量就會變化，兩個(gè)N區(qū)之間的溝道寬度就會變化，流過的ID電流大小會隨之變化。UGS電壓越高，溝道就越寬，ID電流就越大。

由此可見，改變場效應(yīng)管G、S極之間的電壓UGS，D、S極之間的內(nèi)部溝道寬窄就會發(fā)生變化，從D極流向S極的ID電流大小也就發(fā)生變化，并且ID電流變化較UGS電壓變化大得多，這就是增強(qiáng)型NMOS管的放大原理（即電壓控制電流變化原理）。增強(qiáng)型NMOS場效應(yīng)管的放大能力同樣用跨導(dǎo)gm表示，即

增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管的特點(diǎn)是：在G、S極之間未加電壓（即UGS=0V）時(shí)，D、S極之間沒有溝道，ID=0A；當(dāng)G、S極之間加上合適電壓（大于開啟電壓UT）時(shí)，D、S極之間有溝道形成，UGS電壓變化時(shí)，溝道寬窄會發(fā)生變化，ID電流也會變化。

對于增強(qiáng)型N溝道絕緣柵場效應(yīng)管，G、S極之間應(yīng)加正電壓（即UG＞US，UGS=UG-US為正壓），D、S極之間才會形成溝道；對于增強(qiáng)型P溝道絕緣柵場效應(yīng)管，G、S極之間須加負(fù)電壓（即UG＜US，UGS=UG-US為負(fù)壓），D、S極之間才有溝道形成。

2. 增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管放大電路

增強(qiáng)型N溝道MOS管放大電路如圖2-36所示。

在電路中，電源通過R1為MOS管VT的G極提供UG電壓，此電壓較VT的S極電壓US高，VT的柵源電壓UGS=UG-US為正壓，該電壓能讓VT正常工作。

如果交流信號通過C1加到VT的G極，UG電壓會發(fā)生變化，VT內(nèi)部溝道寬窄也會變化，ID電流的大小會有很大的變化，電阻R3上的電壓UR3（UR3=ID×R3）有很大的變化，VT的D極電壓UD也有很大的變化（UD=VCC-UR3，UR3變化，UD就會變化），該變化很大的電壓即為放大的信號電壓，它通過C2送到負(fù)載。

2.5.3 耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管及其放大電路

1. 耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管

耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管又稱耗盡型MOS管，它分為N溝道MOS管和P溝道MOS管，其圖形符號如圖2-37（a）所示，圖2-37（b）所示為耗盡型N溝道MOS管（簡稱耗盡型NMOS管）的結(jié)構(gòu)示意圖。

耗盡型N溝道MOS管是以P型硅片作為基片（又稱襯底），在基片上制作兩個(gè)含很多雜質(zhì)的N型半導(dǎo)體材料，再在上面制作一層很薄的二氧化硅（SiO2）絕緣層，在兩個(gè)N型半導(dǎo)體材料上引出兩個(gè)鋁電極，分別稱為漏（D）極和源（S）極，在兩極中間的SiO2絕緣層上制作一層鋁制導(dǎo)電層，從該導(dǎo)電層上引出的電極稱為G極。

與增強(qiáng)型MOS管不同的是，在耗盡型MOS管內(nèi)的SiO2中摻入含有大量的正電荷的雜質(zhì)，它將襯底中大量的電子吸引靠近SiO2層，從而在兩個(gè)N區(qū)之間出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。

當(dāng)場效應(yīng)管D、S極之間加上電源E1時(shí)，由于D、S極所接的兩個(gè)N區(qū)之間有導(dǎo)電溝道存在，所以有ID電流流過溝道；如果再在G、S極之間加上電源E2，E2的正極除了接S極外，還與下面的P襯底相連，E2的負(fù)極則與G極的鋁層相通，鋁層負(fù)電荷電場穿過SiO2層，排斥SiO2層下方的電子，從而使導(dǎo)電溝道變窄，流過導(dǎo)電溝道的ID電流減小。

如果改變E2電壓的大小，與G極相通的鋁層產(chǎn)生的電場大小就會變化，SiO2下面的電子數(shù)量就會變化，兩個(gè)N區(qū)之間導(dǎo)電溝道的寬度就會變化，流過的ID電流大小就會變化。例如E2電壓增大，G極負(fù)電壓更低，溝道就會變窄，ID電流就會減小。

耗盡型MOS管具有的特點(diǎn)是：在G、S極之間未加電壓（即UGS=0V）時(shí)，D、S極之間就有溝道存在，ID不為0A。在工作時(shí)，耗盡型N溝道MOS管G、S極之間應(yīng)加負(fù)電壓，即UG＜US，UGS=UG-US為負(fù)壓；耗盡型P溝道MOS管G、S極之間應(yīng)加正電壓，即UG＞US，UGS=UG-US為正壓。

2. 耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管放大電路

耗盡型N溝道絕緣柵場效應(yīng)管放大電路如圖2-38所示。

在電路中，電源通過R1、R2為場效應(yīng)管VT的G極提供UG電壓，VT的ID電流在流過電阻R5時(shí)，在R5上得到電壓UR5，UR5與S極電壓US相等，這里的US＞UG，VT的柵源電壓UGS=UG-US為負(fù)壓，該電壓能讓場效應(yīng)管正常工作。

如果交流信號通過C1加到VT的G極，UG電壓會發(fā)生變化，VT的導(dǎo)通溝道寬窄也會變化，ID電流會有很大的變化，電阻R4上的電壓UR4（UR4=ID×R4）也有很大的變化，VT的D極電壓UD會有很大變化，該變化的UD電壓即為放大的交流信號電壓，它經(jīng)C2送給負(fù)載RL。