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 I b 变化时，输出电流 I c 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，输出电压也会发生变化。
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，绝缘栅型场效应管称作MOS管（MOS含义为金属-氧化物-半导体），MOS管又可分成增强型MOS管和耗尽型MOS管。 同三极管一样，场效应管具有放大功能，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。 场效应管的结构如图2-35所示。
图2-35（a）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2-35（b）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。
图2-35 场效应管的结构
如果在N沟道场效应管D、S极之间加电压，如图2-35（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2-36来说明场效管的工作原理。
图2-36 场效应管的工作原理
图2-36虚线框内为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 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2-36（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 I D 就会变小。反向电压 U GS 越高，沟道越窄， I D 电流越小。
由此可见，改变G、S极之间的电压 U GS ，就能改变沟道宽窄，从而改变D极流向S极的 I D 电流的大小，并且 I D 电流变化较 U GS 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 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，是表征场效应管放大能力的一个重 要的参数（相当于三极管的 β ）， g m 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2-36（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， I D 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 I D 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 U G ＜ U S ， U GS = U G - U S 为负压；P沟道结型场效应管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．结型场效应管放大电路
结型场效应管放大电路如图2-37所示。
图2-37 结型场效应管放大电路
在图2-37（a）电路中，场效应管VT的G极通过R 1 接地，G极电压 U G =0V，而VT的 I D 电流不为0（结型场效应管在G极不加电压时，内部就有沟道存在）， I D 电流在流过电阻R 2 时，R 2 上有电压 U R 2；VT的S极电压 U S 不为0， U S = U R 2，场效应管的栅源电压 U GS = U G - U S 为负压，该电压满足场效应管工作需要。
如果交流信号电压 U i 经C 1 送到VT的G极，G极电压 U G 会发生变化，场效应管内部沟道宽度就会变化， I D 的大小就会变化，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C 2 送到负载。
在图2-37（b）电路中，电源通过R 1 为场效应管VT的G极提供 U G 电压，此电压较VT的S极电压 U S 低，这里的 U S 电压是 I D 电流流过R 4 ，在R 4 上得到的电压，VT的栅源电压 U GS = U G - U S 为负压，该电压能让场效应管正常工作。
2.5.2 增强型绝缘栅型场效应管及其放大电路
1．增强型绝缘栅型场效应管
（1）符号与结构
增强型绝缘栅型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， 其电路图形符号如图2-38（a）所示，图2-38（b）为增强型N沟道MOS管（简称增强型NMOS管）的结构示意图。
图2-38 增强型绝缘栅型场效应管
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（SiO 2 ）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质导电层，从该导电层上引出电极称为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2-39所示，图2-39（a）为结构图形式，图2-39（b）为电路图形式。
图2-39 加有合适电压的增强型NMOS管
如图2-39（a）所示，电源 E 1 通过R 1 接场效应管D、S极，电源 E 2 通过开关S接场效应管的G、S极。当开关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， I D 电流为0；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SiO 2 层，将P型衬底很多电子吸引靠近SiO 2 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 I D 电流从D极流入，再经导电沟道从S极流出。
如果改变电源 E 2 的电压大小，也即是改变G、S极之间的电压 U GS ，与G极相通的铝质导电层产生的电场大小就会变化，SiO 2 下面的电子数量就会变化，两个N区之间沟道宽度就会变化，流过的 I D 电流大小会随之变化。 U GS 电压越高，沟道就越宽， I D 电流就越大。
由此可见，改变G、S极之间的电压 U GS ，D、S极之间的内部沟道宽窄就会发生变化，从D极流向S极的 I D 电流大小也就发生变化，并且 I D 电流变化较 U GS 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管的特点是：当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 极之间加上合适电压（大于开启电压 U T ）时， D 、 S 极之 间有沟道形成， U GS 电压变化时，沟道宽窄会发生变化， I D 电流也会变化。
对于增强型N沟道绝缘栅型场效应管，GS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），D、S极之间才有沟道形成。
2．增强型绝缘栅型场效应管放大电路
增强型N沟道MOS管放大电路如图2-40所示。
图2-40 增强型N沟道MOS管放大电路
在电路中，电源通过R 1 为MOS管VT的G极提供 U G 电压，此电压较VT的S极电压 U S 高，VT的栅源电压 U GS = U G - U S 为正压，该电压能让场效应管正常工作。
如果交流信号通过C
1
加到VT的G极，
U
G
电压会发生变化，VT内部沟道宽窄也会变化，
I
D
电流的大小会有很大的变化，电阻R
3
上的电压
有很大的变化，VT的D极电压
U
D
也有很大的变化
变化，
U
D
就会变化），该变化很大的电压即为放大的信号电压，它通过C
2
送到负载。
2.5.3 耗尽型绝缘栅型场效应管及其放大电路
1．耗尽型绝缘栅型场效应管
耗尽型绝缘栅型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， 其电路图形符号如图2-41（a）所示，图2-41（b）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（SiO 2 ）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质导电层，从该导电层上引出电极称为G极。
与增强型MOS管不同的是，在耗尽型MOS管内的二氧化硅中掺入含有大量的正电荷杂质，它将衬底中大量的电子吸引靠近SiO 2 层，从而在两个N区之间出现导电沟道。
图2-41 耗尽型MOS管
当场效应管D、S极之间加上电源 E 1 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 I D 电流流过沟道。如果再在G、S极之间加上电源 E 2 ， E 2 的正极除了接S极外，还与下面的P型衬底相连， E 2 的负极则与G极的铝层相通，铝层负电荷电场穿过SiO 2 层，排斥SiO 2 层下方的电子，从而使导电沟道变窄，流过导电沟道的 I D 电流减小。
如果改变 E 2 的电压大小，与G极相通的铝层产生的电场大小就会变化，SiO 2 下面的电子数量就会变化，两个N区之间导电沟道宽度就会变化，流过的 I D 电流大小就会变化。例如 E 2 的电压增大，G极负电压降低，沟道就会变窄， I D 电流就会减小。
耗尽型MOS管的特点是：当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。工作时，耗尽型N沟道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；耗尽型P沟道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管放大电路
耗尽型N沟道绝缘栅型场效应管放大电路如图2-42所示。
图2-42 耗尽型N沟道绝缘栅型场效应管放大电路
在电路中，电源通过R 1 、R 2 为场效应管VT的G极提供 U G 电压，当VT的 I D 电流流过电阻R 5 时，在R 5 上得到电压 U R 5， U R 5与S极电压 U S 相等，这里的 U S > U G ，VT的栅源电压 U GS = U G - U S 为负压，该电压能让场效应管正常工作。
如果交流信号通过C
1
加到VT的G极，
U
G
电压会发生变化，VT的导通沟道宽窄也会变化，
I
D
电流会有很大的变化，电阻R
4
上的电压
也有很大的变化，VT的D极电压
U
D
会有很大变化，该变化的
U
D
电压即为放大的交流信号电压，它经C
2
送到负载。
