2.5 场效应管放大电路

三极管是一种电流控制型器件，当输入电流Ib变化时，输出电流Ic会随之变化；而场效应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。

根据结构不同，场效应管可分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管，绝缘栅型场效应管简称为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。同三极管一样，场效应管也具有放大功能，因此它也能组成放大电路。

2.5.1 结型场效应管及其放大电路

1. 结型场效应管

（1）结构

与三极管一样，场效应管也是由P型半导体和N型半导体组成的，三极管有PNP型和NPN型两种，场效应管则可分为P沟道和N沟道两种。两种沟道的结型场效应管的结构如图2-31所示。

图2-31（a）所示为N沟道场效应管的结构图，从图中可以看出，场效应管内部有两块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型半导体交界处形成两个耗尽层（即PN结），耗尽层中间区域为沟道，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分别接在沟道两端。

图2-31（b）所示为P沟道场效应管的结构图，P沟道场效应管内部有两块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，耗尽层中间区域为P沟道。

如果在N沟道场效应管D、S极之间加电压，如图2-31（c）所示，电源正极输出的电流就会由场效应管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

场效应管在电路中主要用来放大信号电压。下面通过图2-32来说明场效管的工作原理。

图2-32所示点画线框内为N沟道结型场效应管结构图。当在D、S极之间加上正向电压UDS，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UGS（P型半导体接低电位，N型半导体接高电位），如图2-32（a）所示，场效应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ID就会变小。反向电压UGS越高，沟道越窄，ID电流越小。

由此可见，改变场效应管G、S极之间的电压UGS，就能改变沟道宽窄，从而改变D极流向S极的ID电流的大小，并且ID电流变化较UGS电压变化大得多，这就是场效应管的放大原理。场效应管的放大能力大小用跨导gm表示，即

gm反映了栅源电压UGS对漏极电流ID的控制能力，是表征场效应管放大能力的一个重要的参数（相当于三极管的β），gm的单位是西门子（S），也可以用A/V表示。

若给N沟道结型场效应管的G、S极之间加正向电压，如图2-32（b）所示，场效应管内部两个耗尽层都会导通，耗尽层消失，不管如何增大G、S间的正向电压，沟道宽度都不变，ID电流也不变化。也就是说，当给N沟道结型场效应管G、S极之间加正向电压时，无法控制ID电流变化。

在正常工作时，N沟道结型场效应管G、S极之间应加反向电压，即UG＜US，UGS=UG-US为负压；P沟道结型场效应管G、S极之间应加正向电压，即UG＞US，UGS=UG-US为正压。

2. 结型场效应管放大电路

结型场效应管放大电路如图2-33所示。

在图2-33（a）所示电路中，场效应管VT的G极通过R1接地，G极电压UG=0V，而VT的ID电流不为0A（结型场效应管在G极不加电压时，内部就有沟道存在），ID电流在流过电阻R2时，R2上有电压UR2；VT的S极电压US不为0V，US=UR2，场效应管的栅源电压UGS=UG-US为负压，该电压满足场效应管工作需要。

如果交流信号电压Ui经C1送到VT的G极，G极电压UG会发生变化，场效应管内部沟道宽度就会变化，ID的大小就会变化，VT的D极电压有很大的变化（如ID增大时，UD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2-33（b）所示电路中，电源通过R1为场效应管VT的G极提供UG电压，此电压较VT的S极电压US低，这里的US电压是指ID电流流过R4，在R4上得到的电压，VT的栅源电压UGS=UG-US为负压，该电压也能让场效应管正常工作。

2.5.2 增强型绝缘栅场效应管及其放大电路

1. 增强型绝缘栅场效应管

（1）图形符号与结构

增强型绝缘栅场效应管又称增强型MOS管，它分为N沟道MOS管和P沟道MOS管，其图形符号如图2-34（a）所示，图2-34（b）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（D）极和源（S）极，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。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2-35所示，图2-35（a）所示为结构图形式，图2-35（b）所示为电路图形式。

如图2-35（a）所示，电源E1通过R1接场效应管D、S极，电源E2通过开关S接场效应管的G、S极。在开关S断开时，场效应管的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，ID电流为0A；如果将开关S闭合，场效应管的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ID电流从D极流入，再经导电沟道从S极流出。

如果改变E2电压的大小，也即改变G、S极之间的电压UGS，与G极相通的铝层上的电荷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区之间的沟道宽度就会变化，流过的ID电流大小会随之变化。UGS电压越高，沟道就越宽，ID电流就越大。

由此可见，改变场效应管G、S极之间的电压UGS，D、S极之间的内部沟道宽窄就会发生变化，从D极流向S极的ID电流大小也就发生变化，并且ID电流变化较UGS电压变化大得多，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场效应管的放大能力同样用跨导gm表示，即

增强型绝缘栅场效应管的特点是：在G、S极之间未加电压（即UGS=0V）时，D、S极之间没有沟道，ID=0A；当G、S极之间加上合适电压（大于开启电压UT）时，D、S极之间有沟道形成，UGS电压变化时，沟道宽窄会发生变化，ID电流也会变化。

对于增强型N沟道绝缘栅场效应管，G、S极之间应加正电压（即UG＞US，UGS=UG-US为正压），D、S极之间才会形成沟道；对于增强型P沟道绝缘栅场效应管，G、S极之间须加负电压（即UG＜US，UGS=UG-US为负压），D、S极之间才有沟道形成。

2. 增强型绝缘栅场效应管放大电路

增强型N沟道MOS管放大电路如图2-36所示。

在电路中，电源通过R1为MOS管VT的G极提供UG电压，此电压较VT的S极电压US高，VT的栅源电压UGS=UG-US为正压，该电压能让VT正常工作。

如果交流信号通过C1加到VT的G极，UG电压会发生变化，VT内部沟道宽窄也会变化，ID电流的大小会有很大的变化，电阻R3上的电压UR3（UR3=ID×R3）有很大的变化，VT的D极电压UD也有很大的变化（UD=VCC-UR3，UR3变化，UD就会变化），该变化很大的电压即为放大的信号电压，它通过C2送到负载。

2.5.3 耗尽型绝缘栅场效应管及其放大电路

1. 耗尽型绝缘栅场效应管

耗尽型绝缘栅场效应管又称耗尽型MOS管，它分为N沟道MOS管和P沟道MOS管，其图形符号如图2-37（a）所示，图2-37（b）所示为耗尽型N沟道MOS管（简称耗尽型NMOS管）的结构示意图。

耗尽型N沟道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（D）极和源（S）极，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ID电流流过沟道；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ID电流减小。

如果改变E2电压的大小，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ID电流大小就会变化。例如E2电压增大，G极负电压更低，沟道就会变窄，ID电流就会减小。

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

2. 耗尽型绝缘栅场效应管放大电路

耗尽型N沟道绝缘栅场效应管放大电路如图2-38所示。

在电路中，电源通过R1、R2为场效应管VT的G极提供UG电压，VT的ID电流在流过电阻R5时，在R5上得到电压UR5，UR5与S极电压US相等，这里的US＞UG，VT的栅源电压UGS=UG-US为负压，该电压能让场效应管正常工作。

如果交流信号通过C1加到VT的G极，UG电压会发生变化，VT的导通沟道宽窄也会变化，ID电流会有很大的变化，电阻R4上的电压UR4（UR4=ID×R4）也有很大的变化，VT的D极电压UD会有很大变化，该变化的UD电压即为放大的交流信号电压，它经C2送给负载RL。