【模电(二)】FET场效应管相关知识

# 前言

一般的场效应管有源极 (S-Source) 栅极 (G-Gate) 漏极 (D-Drain)。属于电压控制电流型器件。

# 场效应管可以分为以下几类

# 场效应管特点（相较于 BJT）：

噪声小、抗辐射能力强、工作电压低、G-S 等效电阻大
源极、栅极、漏极分别对应 BJT 发射极、集电极、基极（不一样，只能类比）
截止区、恒流区、可变电阻区对应 BJT 截止区、放大区、饱和区

# 主要考虑参数

JFET 和耗尽型 MOSFET 主要考虑夹断电压 $U_{GS(off)}$ ；
增强型 MOSFET 考虑开启电压 $U_{GS(th)}$ ；

# 一、JFET (结型场效应管) 的原理和特性

# 1. JFET 的原理

JFET，称为结型场效应管，一种结构如下（以下都以 N 沟道 JFET 为例）：

其中，栅极 P 区和最下层的 P 区有导线连接。源极 / 漏极（高浓度）和沟道（低浓度）都有 N 参杂。

栅 - 源极电压 $U_{gs} = 0$ 时，给源 - 漏极施加电压就会有电流，此时 JFET 导通（可以看出，JFET 对称，D/S 可以互换）。
当栅 - 源极电压 $U_{GS} \lt 0$ 时（注：加正电压 PN 结导通，晶体管烧毁），栅极区和沟道间的耗尽层（PN 结）变厚，N 沟道变窄。随着 $U_{gs}$ 继续变小（绝对值增大），耗尽层逐渐填满整个沟道，此时，沟道消失，这个 $U_{GS(off)}$ 就称作夹断电压。如下图就是 $U_{GS}$ 不断增加时耗尽层的变化情况：

JFET夹断过程

与此同时，若给漏极 D 施加电压（源极接地），在电场作用下，耗尽层形状会有所变化，如下图：

在上图中，是在导通状态（$V_{GG} \gt U_{GS (off)} $）下，随着$ V_{DD}$ 增大，对沟道形状的影响：
1. 左图 $V_{DD}$ 较小， $I_{DS}$ 随着 $U_{DS}$ 增大而增大，称为电阻区。_
2. 中图 $V_{DD}$ 增大到一定值，沟道在 $V_{DD}$ 电场作用下逐渐闭合，称为预夹断。
3. 右图 $V_{DD}$ 继续增大，这时随着 $V_{DD}$ 增大，夹断区域也变厚，夹断区等效电阻也变大，达成动态平衡使 $I_{DS}$ 几乎只受控于 $V_{GG}$ ，称为恒流区（不随 $V_{DD}$ 变化）。
4. 若继续增大 $V_{DD}$ ，该 JFET 会被击穿烧毁。
注：可以结合下面的输出特性图来看。

# 2. JFET 的工作特性

当 $U_{DS}$ 一定时， $I_{DS}$ 的变化（转移特性曲线）如下左图； $I_{DS}$ 随着 $U_{DS}$ 变化的曲线（输出特性曲线）如下右图：

可以看到，JFET 的工作是的 $I_{DS} - U_{GS}$ 的变化是非线性的，其 $I_D$ 表达式是：

$I_{DS} = I_{DSS}(1 - \frac {U_{GS}}{U_{GS(off)}})^2$

注： $I_{DSS}$ 是当 $U_{GS}$ 一定时的饱和电流、U_{GS(off) 是夹断电压。

低频工作下，跨导 $g_m = \frac {dI_D}{dU_{GS}}|_{U_{GS}}$ 。

# 二、MOSFET 的工作原理和特性

# 1. MOSFET 的工作原理

MOSFET，称为绝缘栅型场效应管，分为增强型 MOS 和耗尽型 MOS，结构如下（以下均用 N 沟道 MOSFET）:

增强型 MOS 管 (E-MOSFET) 在 P 衬底上添加两个 N 区，作为源极和漏极，引出到引脚。再镀一层二氧化硅在其余的部位。在源极和漏极之间，隔着二氧化硅镀层放置一极板 g，引出导线作为栅极。如下图左。
耗尽型 MOS 管 (D-MOSFET)(见后面介绍)

MOSFET

# 2. 增强型 MOS 原理

给栅极 G 施加电压前，P 型衬底和 N 区域之间有耗尽层存在，DS 不导通。
给栅极 G 施加正向电压 $U_{GS} \gt 0$ 时，极板 g 带正电，在电场力作用下吸引 P 区中的自由电子靠近极板，产生电子聚集区（反应层）。电压到达一定程度（开启电压 $U_{GS(th)}$ ）时，反应层连通 S 区和 D 区，产生导电沟道。
和 JFET 一样，若有 $U_{DS}$ 的存在同样会影响沟道形状，随着 $U_{DS}$ 增大，开启电压 $U_{GS(th)}$ 也会增大：

在上图中，是在导通状态（ $U_{GS} \gt U_{GS(th)}$ ）下，随着 $U_{DS}$ 增大，对沟道形状的影响：

左图 $U_{DS}$ 较小， $I_{DS}$ 随着 $U_{DS}$ 增大而增大，称为电阻区。
中图 $U_{DS}$ 逐渐增大，沟道在 $U_{DS}$ 作用下逐渐闭合，称为预夹断。
右图 $U_{DS}$ 继续增大，这时随着 $U_{DS}$ 增大，夹断区域也变厚，夹断区等效电阻也变大，达成动态平衡使 $I_{DS}$ 几乎只受控于 $U_{GS}$ ，称为恒流区。
若继续增大 $U_{DS}$ ，该场效应管会被击穿烧毁。

# 3. 增强型 MOS 的工作特性

注： $I_{DSS}$ 是饱和电流（ $U_{GS}$ 一定）、{U_{GS(th)} 是开启电压。

在恒流区时，源 - 漏极电流 $I_{DS} = I_D$ 大致为：

$I_{DS} = I_{DSO}(\frac{U_{GS}}{U_{GS(th)}} - 1)^2$

注： $I_{DSO}$ 是 $U_{GS} = 2U_{GS(th)}$ 时的 $I_{DS}$ 。

# 4. 耗尽型 MOS 的工作原理

相较于增强型 MOSFET，耗尽型在 D-S 间人为添加了一小片参杂浓度较低的 N 区，可以使 $U_{GS} = 0$ 时就存在导电沟道。

# 5. 耗尽型 MOS 的工作特性

大致如上图，特点是 $U_{GS} \in (U_{GS(Off)}, U_{broke})$ 时都处于导通。相比于 JFET 优势在于 G-S 电阻很大（有 $SiO_2$ 镀层）。

# 三、FET 基本放大电路

一般来说，场效应管小信号等效电路如下：

在本文的分析中，需要注意：

认为场效应管的源 - 漏极电阻忽略不计（即 $R_(DS) = 0$ ），故等效图中只有 $R_d$ 。
跨导： $g_m = \frac {dI_D}{dU_{GS}}|_{U_{GS}}$ 。

注：跨导 $g_m$ ，单位是 $\frac{Ampere}{Volt} = S$ (西门子)，是衡量电压控制电流能力的一种单位，是电阻的倒数。

# 1. 基本共源极放大电路

静态分析：分析后易得其静态工作点为：

$\begin{aligned} U_{GSQ} &= V_{GG}\\ I_{DQ} &= I_{DO}(\frac {V_{GG}}{U_{GS(th)}} - 1)^2\\ U_{DSQ} &= V_{DD} - I_{DQ}R_d \end{aligned}$

动态分析：电压放大倍数、输入输出电阻：
$\begin{aligned} A_u &= \frac {-I_DR_d}{U_{gs}} = -g_mR_d\\ R_i &= + \infty ; R_o = R_d \end{aligned}$

# 2. 基本共漏极放大电路

静态分析和基本共源极放大电路基本相同。动态分析，电压放大倍数和输出电阻如下：

$\begin{aligned} A_u &= \frac {I_DR_s}{U_{GS} + I_DR_s} = \frac{g_mR_s}{1 + g_mRs}\\ R_o &= \frac {U_o}{I_D} = \frac {I_DR_s}{U_{GS} + I_DR_s} = R_s \parallel \frac 1{g_m} \end{aligned}$

# 四、FET 偏置型放大电路

偏置型放大电路按偏压来源可分为：分压偏置型和自给偏压型。其中自给偏压型不适用于 E-MOSFET，因为 E-MOSFET 的 $U_{GS}$ 需要大于 $U_{GS(th)}$ 才能开启，这样会产生严重的失真或晶体管无法开启。

# 1. 分压偏置型

分压偏置型，栅极静态电压由直流电源经 $R_{g1}$ 、 $R_{g2}$ 分压后提供：

静态分析：

$\begin{aligned} U_{GQ} &= \frac{R_{g2}}{R_{g1} + R_{g2}}\\ U_{GSQ} &= U_{GQ} - U_{SQ} = U_{GQ} - I_{DQ}R_s\\ I_{DQ} &= I_{DSS}(\frac {U_{GSQ}}{U_{GS(off)}} - 1)^2(注：JFET和DMOS)\\ &= I_{DO}(\frac {U_{GSQ}}{U_{GS(th)}} - 1)^2(注：EMOS)\\ U_{DSQ} &= V_{DD} - I_{DQ}(R_d + R_s) \end{aligned}$
动态分析：以下是小信号等效电路（微变等效电路）

则，可以求得其放大倍数、输入输出电阻：

$\begin{aligned} A_u &= \frac {u_o}{u_i} = - g_m(R_d \parallel R_l)\\ R_i &= R_{g3} + (R_{g1} \parallel R_{g2}) \end{aligned}$