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uIGS（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|
