2.9 场效应管及其放大电路
场效应晶体管简称场效应管，是一种常用的半导体器件，它的输入电阻极高，可达109～1014Ω，同时它有噪声小、热稳定性好、耗电少和便于集成等优点，因此在大规模集成电路中应用极为广泛。
前面介绍的晶体管是用基极电流iB控制集电极电流iC，晶体管是电流控制元件；场效应管是用栅源电压uGS控制漏极电流iD，是电压控制元件。晶体管是电子和空穴两种载流子参与导电，称为双极型晶体管；而场效应管是靠多数载流子导电的，即只有一种载流子参与导电，所以称为单极型晶体管。
场效应管有两种类型：结型场效应管和绝缘栅型场效应管。限于篇幅，在此只简单介绍应用更广的绝缘栅型场效应管。
2.9.1 绝缘栅型场效应管
绝缘栅型场效应管根据导电沟道的不同，可分为N沟道和P沟道两类，其中每类又分为增强型和耗尽型两种。以N沟道为例，介绍两种场效应管的结构、工作原理和特性曲线。
N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构如图2-48（a）所示，它是用一块P型薄硅片做衬底，其上扩散两个N+区作为源极（s）和漏极（d），在硅片表面生成一层SiO2绝缘体，绝缘体上的金属电极为栅极（g）。因栅极和其他电极及导电沟道是绝缘的，所以称为绝缘栅型场效应管，或称金属氧化物半导体场效应管，简称MOS管。
工作时在漏极d和源极s之间形成导电沟道，称为N沟道。由于掺入离子数量不同，工作中有差别，又分为耗尽型NMOS管和增强型NMOS管，其符号分别如图2-48（b）、（c）所示。若图中符号的箭头方向相反，则分别表示P沟道耗尽型PMOS管和增强型PMOS管。
图2-48 NMOS管
1.工作原理
当UGS=0时，d、s两极间为由半导体N-P-N组成的两个反向串联的PN结，因此，可认为漏极电流ID=0。当UGS>0时，P型衬底中的电子受到吸引而到达表层形成N型薄层，即N型导电沟道。导电沟道形成后，若在d、s两极间加上正向电压就会有漏极电流ID。这种MOS管在UGS=0时没有导电沟道，只有在UGS增大到开启电压UGS（th）时才能形成导电沟道，因而称为增强型NMOS管。在UGS>UGS（th）时，随栅源电压UGS的变化，ID亦随之变化，这就是增强型MOS管的栅极控制作用。
2.特性曲线
（1）转移特性曲线。转移特性是指在UDS一定时输入电压UGS对输出电流ID的控制特性。虽然UDS不同时会对转移特性有影响，但在场效应管的工作区内，ID几乎与UDS无关；对应不同UDS值的转移特性曲线几乎重合，所以通常只用一条曲线来表示，如图2-49所示。由转移特性曲线可以更清楚地看出栅源电压对漏极电流的控制作用，所以说场效应管是电压控制器件。
（2）输出特性曲线。输出特性曲线是指在UGS一定时，漏极电流ID与漏源电压UDS之间的关系曲线，如图2-50所示，输出特性曲线也是一组曲线。观察ID随UGS的变化情况，可以分成可变电阻区、恒流区和夹断区。场效应管应用于放大电路时就工作在恒流区。在这个区域，ID几乎与UDS无关，而由电压UGS控制。用一个小电压去控制一个大电流，是场效应管的最大特点。
图2-49 增强型NMOS管的转移特性曲线
图2-50 增强型NMOS管的输出特性曲线
3.场效应管主要参数
（1）夹断电压UGS（off）。当UDS为常数时，使ID等于一个微弱电流（如50μA）时，栅源之间所加电压，称为夹断电压UGS（off）。
（2）开启电压UGS（th）。当UDS为常数时，有沟道将漏极、源极连接起来的最小UGS值，称为开启电压UGS（th）。
（3）饱和漏电流IDSS。当UGS=0，且
时的漏极电流，称为饱和漏电流IDSS。
（4）直流输入电阻RGS。栅源电压UGS与对应的栅极电流IG之比，称为直流输入电阻RGS。
（5）低频跨导gm。当UDS为常数时，漏极电流ID与栅源电压UGS变化量的比值称为低频跨导，表示为
跨导gm代表放大能力，类似于晶体管的电流放大倍数。
4.注意事项
（1）由于MOS管的输入电阻很高，栅极的感应电荷不宜释放，可形成很高电压，将绝缘层击穿而损坏。因此，使用时，栅极不能开路；保存时，各极需短路。
（2）结型场效应管漏极与源极可互换使用。对于MOS管，若MOS管内部已将衬底与源极短路，则不能互换，否则可互换。
（3）低频跨导与工作电流有关，ID越大，gm也越大。
MOS管是一种电压控制器件。它也具有3种工作状态。当输入电压uI小于开启电压UGS（th）时，漏极和源极之间没有形成导电沟道，MOS管截止，漏极和源极之间的沟道电阻约为1010Ω，相当于开关断开。
当uI大于开启电压UGS（th）时，漏极和源极之间开始导通。当uI远大于开启电压UGS（th）时，MOS管完全导通，相当于开关闭合。此时漏极和源极之间的沟道电阻最小，约为1000Ω。
从以上分析可看出，可以把MOS管的漏极和源极当作一个受栅极电压控制的开关使用，即当uI>UGS（th）时，相当于开关闭合；当uI<UGS（th）时，相当于开关断开。
本章UGS（th）也习惯称为Uth（on），都是指增强型MOS管的开启电压。
增强型PMOS管的开关特性与增强型NMOS管类似，不同的是此时所加的栅源电压和漏源电压都为负值，开启电压也为负值。所以当|uI|>|Uth（on）|时，P沟道形成，PMOS管导通，相当于开关闭合；当|uI|<|Uth（on）|时，P沟道消失，PMOS管截止，相当于开关断开。
2.9.2 场效应管放大电路
场效应管同晶体管一样，具有放大作用。它也可以构成各种组态的放大电路，共源极、共漏极、共栅极放大电路。场效应管由于具有输入阻抗高、温度稳定性能好、低噪声、低功耗等特点，其所构成的放大电路有着独特的优点，应用越来越广泛。
场效应管放大电路同晶体管电路的分析方法类似。
1.场效应管放大电路的静态分析
场效应管是一个电压控制器件，在构成放大电路时，为了实现信号不失真的放大，同晶体管放大电路一样也要有一个合适的静态工作点Q，但它不需要偏置电流，而是需要一个合适的栅源偏置电压UGS。场效应管放大电路常用的偏置电路主要有两种：自偏压电路和分压式自偏压电路。自偏压电路只适用由耗尽型MOS管或结型场效管组成的放大电路。对增强型MOS管，其偏置电压必须通过分压器来产生。下面以共源放大电路为例（见图2-51），分析其静态工作情况。
图2-51 分压式共源放大电路
共源放大电路静态工作点与晶体管静态工作点不完全一样，主要区别是晶体管有基极电流，而场效应管的栅源间电阻极高，根本没有栅极电流流过Rg。所以，场效应管的栅极对地直流电压Ug是由电源电压UDD经电阻器Rg1，Rg2分压得到的，而场效应管的栅源电压为
适当选择Rg1或Rg2的值，就可使栅极与源极之间获得正、负及零3种偏置电压。接入Rg是为了提高放大器的输入电阻，并隔离Rg1，Rg2对交流信号的分流。
2.场效应管的微变等效电路
与双极型晶体管类似，在小信号状态时，场效应管的特性也可以近似为线性。由于场效应管基本没有栅流，输入电阻极高，因此场效应管栅源之间可视为开路。又根据场效应管输出回路的恒流特性，场效应管的输出电阻rds可视为无穷大，因此，输出回路可等效为一个受Ugs控制的电流源，即id=gmugs。图2-52所示为场效应管的微变等效电路。
图2-53为图2-51所示的分压式共源放大电路的微变等效电路，从图中不难求出Au，Ri，Ro这3个动态指标。
图2-52 场效应管的微变等效电路
图2-53 分压式共源放大电路微变等效电路
（1）电压放大倍数：
上式表明，场效应管共源放大电路的电压放大倍数与跨导成正比，且输出电压与输入电压反相。
（2）输入电阻：
一般Rg取值很大，因而场效应管共源放大电路的输入电阻主要由Rg决定。Rg一般取几兆欧。可见Rg的接入可使输入电阻大大提高。
（3）输出电阻：
Ro≈Rd
可见，场效应管共源放大电路的输出电阻与共射电路相似，由漏极电阻Rd决定。Rd一般在几千欧至几十千欧之间，输出电阻较高。