2.5 场效应晶体管放大电路

晶体管是一种电流控制型器件，当输入电流I_b变化时，输出电流I_c会随之变化；而场效应晶体管是一种电压控制型器件，当输入电压发生变化时，输出电压会发生变化。

根据结构的不同，场效应晶体管可分为结型场效应晶体管和绝缘栅型场效应晶体管，绝缘栅型场效应晶体管称作MOS管（MOS的含义为金属-氧化物-半导体），MOS管又可分成耗尽型MOS管和增强型MOS管。同晶体管一样，场效应晶体管具有放大功能，因此它也能组成放大电路。

2.5.1 结型场效应晶体管及其放大电路

1.结型场效应晶体管

（1）结构

与晶体管一样，场效应晶体管也是由P型半导体和N型半导体组成的，晶体管有PNP型和NPN型两种，场效应晶体管则可分为P沟道和N沟道两种。两种沟道的结型场效应晶体管的结构如图2-41所示。

图2-41a所示为N沟道场效应晶体管的结构图。从图2-41a中可以看出，场效应晶体管的内部有两块P型半导体，它们通过导线内部相连，再引出一个电极，该电极称为栅极G，两块P型半导体以外的部分均为N型半导体，在P型半导体与N型半导体的交界处形成两个耗尽层（即PN结），耗尽层的中间区域为沟道，由于沟道由N型半导体构成，所以称为N沟道，漏极D与源极S分别接在沟道的两端。

图2-41b所示为P沟道场效应晶体管的结构图。P沟道场效应晶体管的内部有两块N型半导体，栅极G与它们连接，两块N型半导体与邻近的P型半导体在交界处形成两个耗尽层，耗尽层的中间区域为P沟道。

如果在N沟道场效应晶体管D、S极之间加电压，如图2-41c所示，电源正极输出的电流就会由场效应晶体管D极流入，在内部通过沟道从S极流出，回到电源的负极。场效应晶体管流过电流的大小与沟道的宽窄有关，沟道越宽，能通过的电流越大。

（2）工作原理

场效应晶体管在电路中主要用来放大信号电压。下面通过图2-42来说明场效应晶体管的工作原理。

图2-42点画线框内为N沟道结型场效应晶体管结构图。当在D、S极之间加上正向电压U_DS，会有电流从D极流向S极，若再在G、S极之间加上反向电压U_GS（P型半导体接低电位，N型半导体接高电位），如图2-42a所示，场效应晶体管内部的两个耗尽层变厚，沟道变窄，由D极流向S极的电流I_D就会变小，反向电压U_GS越高，沟道越窄，电流I_D越小。

由此可见，改变G、S极之间的电压U_GS，就能改变沟道的宽窄，从而改变D极流向S极的电流I_D的大小，并且电流I_D的变化较U_GS电压的变化大得多，这就是场效应晶体管的放大原理。场效应晶体管的放大能力大小用跨导g_m表示，即

g_m反映了栅源电压U_GS对漏极电流I_D的控制能力，是表征场效应晶体管放大能力的一个重要的参数（相当于晶体管的β），g_m的单位是S，也可以用A/V表示。

若给N沟道结型场效应晶体管的G、S极之间加正向电压，如图2-42b所示，其内部的两个耗尽层都会导通，直至消失，不管如何增大G、S间的正向电压，沟道的宽度都不变，电流I_D也不变化。也就是说，当给N沟道结型场效应晶体管G、S极之间加正向电压时，无法控制电流I_D的变化。

在正常工作时，N沟道结型场效应晶体管G、S极之间应加反向电压，即U_G<U_S，U_GS=U_G-U_S为负压；P沟道结型场效应晶体管G、S极之间应加正向电压，即U_G>U_S，U_GS=U_G-U_S为正压。

2.结型场效应晶体管放大电路

结型场效应晶体管放大电路如图2-43所示。

在图2-43a所示的电路中，场效应晶体管VT的G极通过R₁接地，G极电压U_G=0V，而VT的电流I_D不为0（结型场效应晶体管在G极不加电压时，内部就有沟道存在），电流I_D在流过电阻R₂时，R₂上有电压U_R2；VT的S极电压U_S不为0，U_S=U_R2，场效应晶体管的栅源电压U_GS=U_G-U_S为负压，该电压满足场效应晶体管的工作需要。

如果交流信号电压U_i经C₁送到VT的G极，G极电压U_G会发生变化，场效应晶体管内部沟道的宽度就会变化，I_D的大小就会发生变化，VT的D极电压有很大的变化（如I_D增大时，U_D会下降），该变化的电压就是放大的交流信号电压，它通过C₂送到负载。

在图2-43b所示的电路中，电源通过R₁为场效应晶体管VT的G极提供电压U_G，此电压较VT的S极电压U_S低，这里的电压U_S是电流I_D流过R₄，在R₄上得到的电压，VT的栅源电压U_GS=U_G-U_S为负压，该电压能让场效应晶体管正常工作。

2.5.2 增强型绝缘栅型场效应晶体管及其放大电路

1.增强型绝缘栅型场效应晶体管

（1）符号与结构

增强型绝缘栅型场效应晶体管又称增强型MOS管，它分为N沟道MOS管和P沟道MOS管，其电路符号如图2-44a所示，图2-44b所示为增强型N沟道MOS管（简称增强型NMOS管）的结构示意图。

增强型NMOS管是以P型硅片作为基片（又称衬底），在基片上制作两个含很多杂质的N型半导体材料，再在上面制作一层很薄的二氧化硅（SiO₂）绝缘层，在两个N型半导体材料上引出两个铝电极，分别称为漏极（D）和源极（S），在两极中间的二氧化硅绝缘层上制作一层铝制导电层，从该导电层上引出的电极称为G极。P型衬底通常与S极连接在一起。

（2）工作原理

增强型NMOS管需要加合适的电压才能工作。加有合适电压的增强型NMOS管如图2-45所示，图2-45a所示为结构图形式，图2-45b所示为电路图形式。

如图2-45a所示，电源E₁通过R₁接场效应晶体管的D、S极，电源E₂通过开关S接场效应晶体管的G、S极。在开关S断开时，场效应晶体管的G极无电压，D、S极所接的两个N区之间没有导电沟道，所以两个N区之间不能导通，电流I_D为0；如果将开关S闭合，场效应晶体管的G极获得正电压，与G极连接的铝电极有正电荷，它产生的电场穿过SiO₂层，将P衬底的很多电子吸引靠近SiO₂层，从而在两个N区之间出现导电沟道，由于此时D、S极之间加上正向电压，马上有电流I_D从D极流入，再经导电沟道从S极流出。

如果改变电压E₂的大小，也就是改变G、S极之间的电压U_GS，与G极相通的铝层产生的电场大小就会发生变化，SiO₂下面的电子数量就会变化，两个N区之间沟道的宽度就会变化，流过的电流I_D的大小会随之变化。电压U_GS越高，沟道就越宽，电流I_D就越大。

由此可见，改变G、S极之间的电压U_GS，D、S极之间的内部沟道的宽窄就会发生变化，从D极流向S极的电流I_D的大小也就发生变化，并且电流I_D的变化较电压U_GS的变化大得多，这就是增强型NMOS管的放大原理（即电压控制电流变化原理）。增强型NMOS管的放大能力同样用跨导g_m表示，即

增强型绝缘栅型场效应晶体管的特点是：在G、S极之间未加电压（即U_GS=0）时，D、S极之间没有沟道，I_D=0；当G、S极之间加上合适的电压（大于开启电压U_T）时，D、S极之间有沟道形成，电压U_GS变化时，沟道的宽窄会发生变化，电流I_D也会变化。

对于N沟道增强型绝缘栅型场效应晶体管，G、S极之间应加正电压（即U_G>U_S，U_GS=U_G-U_S为正压），D、S极之间才会形成沟道；对于P沟道增强型绝缘栅型场效应晶体管，G、S极之间须加负电压（即U_G<U_S，U_GS=U_G-U_S为负压），D、S极之间才有沟道形成。

2.增强型绝缘栅型场效应晶体管放大电路

N沟道增强型MOS管放大电路如图2-46所示。

2.5.3 耗尽型绝缘栅型场效应晶体管及其放大电路

1.耗尽型绝缘栅型场效应晶体管

耗尽型绝缘栅型场效应晶体管又称耗尽型MOS管，它分为N沟道MOS管和P沟道MOS管，其电路符号如图2-47a所示，图2-47b所示为耗尽型N沟道MOS管（简称耗尽型NMOS管）的结构示意图。

N沟道耗尽型MOS管是以P型硅片作为基片（又称衬底），在基片上制作两个含很多杂质的N型半导体材料，再在上面制作一层很薄的SiO₂绝缘层，在两个N型半导体材料上引出两个铝电极，分别称为漏极（D）和源极（S），在两极中间的SiO₂绝缘层上制作一层铝制导电层，从该导电层上引出的电极称为G极。

与增强型MOS管不同的是，在耗尽型MOS管内的SiO₂中掺入含有大量的正电荷的杂质，它将衬底中大量的电子吸引靠近SiO₂层，从而在两个N区之间出现导电沟道。

当场效应晶体管D、S极之间加上电源E₁时，由于D、S极所接的两个N区之间有导电沟道存在，所以有电流I_D流过沟道；如果再在G、S极之间加上电源E₂，E₂的正极除了接S极外，还与下面的P衬底相连，E₂的负极则与G极的铝层相通，铝层负电荷电场穿过SiO₂层，排斥SiO₂层下方的电子，从而使导电沟道变窄，流过导电沟道的电流I_D减小。

如果改变电压E₂的大小，与G极相通的铝层产生的电场大小就会变化，SiO₂下面的电子数量就会变化，两个N区之间导电沟道的宽度就会变化，流过的电流I_D的大小就会变化。例如电压E₂增大，G极负电压更低，沟道就会变窄，电流I_D就会减小。

耗尽型MOS管具有的特点是：在G、S极之间未加电压（即U_GS=0）时，D、S极之间就有沟道存在，I_D不为0。在工作时，N沟道耗尽型MOS管G、S极之间应加负电压，即U_G<U_S，U_GS=U_G-U_S为负压；P沟道耗尽型MOS管G、S极之间应加正电压，即U_G>U_S，U_GS=U_G-U_S为正压。

2.耗尽型绝缘栅型场效应晶体管放大电路

N沟道耗尽型绝缘栅型场效应晶体管放大电路如图2-48所示。