场效应晶体管（FET）原理与应用

由于在晶体管中通过的电流仅由载流子（空穴或电子）组成，所以场效应晶体管也称为单极晶体管，因此，其通过电流是由电场控制。

场效应晶体管为无功率（通过控制电压）、无控制电流的受控制式晶体管。因此场效应晶体管有一个很大的输入电阻。

提要：场效应晶体管的接线名称：

•Gate，栅极（G）。

•Source，源极（S）。

•Drain，漏极（D）。

（1）结构 如图9-57所示，场效应晶体管是由漏极与源极接线之间的N型沟道或P型沟道组成的。在漏极-源极沟道中通过的电流是由控制电压经栅极接线控制的。

（2）分类 除了按沟道分类外，场效应晶体管分为阻挡层场效应晶体管（J-FET）和绝缘层场效应晶体管（IG-FET）（表9-19）

图9-57 有N型沟道的丁型场效应晶体管

表9-19 场效应晶体管

由于IG场效应晶体管的沟道栅极接线是绝缘的，所以其输入电阻是J-FET的1000倍。

（1）场效应晶体管的电流与电压

1）I_D：漏极-源极中流动的电流。

2）U_DS：漏极-源极间的电压。U_DS的极性为存在沟道中的载流子流向漏极接线。N型沟道场效应晶体管的漏极接线比源极接线有正的偏压，因此电子是到达漏极接线。

3）U_GS：栅极与源极间的电压。其大小与极性决定于沟道中的通过电流。N型沟道场效应晶体管为负的栅极-源极偏压，因其N型沟道窄，所以电流I_D少。

绝缘层场效应晶体管分为两组。在U_GS=0V时，有漏极电流I_D流动的场效应晶体管称为自导通绝缘层场效应晶体管，如表9-19中，其电路符号中在漏极（D）与原极（S）之间用一条闭合线连接。自闭塞绝缘层场效应晶体管却相反，在U_GS=0V时没有漏极电流，在其线路符号中，漏极（D）与源极（S）之间是用一条断开线连接。

自闭塞场效应晶体管也称为富电型，自导通场效应晶体管也称为贫电型。

特性曲线。因为场效应晶体管是无功率的通过栅极-源极电压控制，所以其特性曲线族只有两条曲线组成，如图9-58所示。

图9-58 场效应晶体管的特性曲线

场效应晶体管的特征数据与极限值。制造商是以最大值P_tot、U_DS、U_GS和I_D给出了场效应晶体管的参数。典型的特性值是斜率以及场效应晶体管的接通时间和断开时间。

大、小功率的场效应晶体管的极限值见表9-20。

表9-20 场效应晶体管的极限值（摘选）

栅极-源极偏压的发生。对于自闭塞场效应晶体管是以分压器获得栅极-源极偏压的（表9-21）。源极电阻R_S对自闭塞场效应晶体管自动产生栅极-源极偏压。电阻R_S同时还用作电流负反馈和工作点的稳定。

表9-21 栅极-源极偏压的发生

因为没有电流流经R_D，栅极电阻R_G把直流电接地，因此，在R_S上的电压降与栅极-源极偏压相一致。

计算例题：

在有P型沟道阻挡层的场效应晶体管电路（表9-21）中，I_D=4mA，U_GS=2V。应选择多大的源极电阻R_S？

解：(www.xing528.com)

R_S=U_GS/I_D=2V/4mA=500Ω

场效应晶体管相对于双极晶体管有许多优点，如接通时间快、极限频率高以及输入电阻大（表9-22）。因此，它不仅在放大级，而且也在数学电路中得到使用（见提要）。

表9-22 双极晶体管与单极晶体管的比较

提要：场效应晶体管的应用范围

•HF区内的高欧姆放大器输入级。

•数字电路范围内的有高排列密度的电路（存储器，微处理器）。

•接通测量值的模拟开关。

•控制电路中的可调负反馈电阻。

•恒定电流源。

绝缘层场效应晶体管的保护措施。由于静电而引起的过电压，可以造成场效应晶体管输入极（此输入极的电阻极高）损坏。因此，这些晶体管的制造商在晶体管出厂时在所有接线上装了一个短路箍，钎焊时要把其撤掉。

现在的集成限幅二极管都能限制栅极与沟道之间的高电压。在钎焊元器件或有场效应晶体管的IC时，钎焊烙铁不能直接接到电源上。一个高欧姆接地和弱导电的工作垫与钎焊人员手腕进行导电连接，以避免干扰电压的形成。

（2）场效应晶体管放大电路 场效应晶体管与双极晶体管不同，它几乎是无功率控制，即几乎没有栅极电流。场效应晶体管有一个很大的输入电阻，用作图9-59和图9-60所示的NF放大器就特别好。由于其输入电容小，所以也可以在HF范围内使用。场效应晶体管在技术上主要的应用领域仍然是集成电路。

图9-59 带自阻断IG场效应晶体管的NF放大器

图9-60 在源极电路中带J场效应晶体管的NF放大器

工作点的调整类似双极晶体管。对于图9-59所示的自阻断N型沟道IG场效应晶体管，用分压器R₁和R₂调整栅极偏压U_GS=U_R2-U_RS；对于图9-60所示的N型沟道J场效应晶体管是经过同时也用作稳定工作点的源极电阻R_S获得自动发生的栅极偏压U_GS=-U_RS。电阻R_G使加在栅极上交变电流重新快速终止。

斜率与电压放大系数：

式中 S——斜率；

ΔI_D——漏极电流变化量；

ΔU_GS——栅极-源极电压变化量。

V_u=SR_D

式中 R_D——漏极电阻；

V_u——电压放在系数。

最常使用的是源极电路。源极电路与双极晶体管的共发射极电路相一致。图9-61给出了原极电路中的阻挡层场效应晶体管（J-FET）的交流电压放大原理以及传输特性曲线和输出特性曲线的共同作用。传输特性曲线的斜率是一个重要特性参数。特性曲线越陡，则电压放大系数V_u就越大（表9-23）。斜率和漏极电阻可以用于计算交流电压放大系数。由于传输特性曲线几乎为一条线性曲线，所以J场效应晶体管在小信号范围内的放大是不失真的。如图9-60所示，由信号源出来的交流电压经耦合电容器C₁传输给放大器。电容器C₂用于信号的输出耦合及下一放大级的耦合。R_S用于稳定工作点，C_S用于信号交流电压的分路。

图9-61 有J场效应晶体管的交流电压放大器

表9-23 场效应晶体管基本放大电路的特性值