第3章
CHAPTER 3


场效应管与特殊三极管

基本应用电路






科技前沿——功率模块与功率集成电路
自20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合而产生了高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的新型电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代。从这一时期开始，电力系统核心电路模块化趋势占技术主导思想，具有代表意义的器件是功率模块（power module）与功率集成电路（power integrated circuit,PIC）。
将多个功放器件封装在一个模块中，称为功率模块。它可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性，而对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。
将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路。类似功率集成电路的还有许多名称，可看成是功率集成电路的分类，如： 
高压集成电路（high voltage IC,HVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。
智能功率集成电路（smart power IC,SPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。
智能功率模块（intelligent power module,IPM）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（intelligent IGBT）。
以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。因为功率集成电路的主要技术难点为： 高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点，最近几年获得了迅速发展。
功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。
场效应管(field effect transistor，FET)是仅由多数载流子参与导电的半导体有源器件，它是一种由输入信号电压来控制其输出电流大小的半导体三极管，是电压控制器件。本章首先讨论场效应管分类、结构与工作原理，接着研究场效应管放大器的分析方法、设计应用方法及计算过程，最后探讨了特殊种类三极管的原理与使用方法。本章主要掌握： 
① 了解半导体场效应管及其基本特性： 场效应管结构与符号、场效应管的转移特性等； 
② 了解场效应管的主要参数、分类及其选择使用方法。理解场效应管放大电路的电路构成、工作原理和电路中各元器件的作用； 
③ 能判断放大电路中场效应管三种可能工作状态。能对场效应管放大电路进行分析和设计计算； 
④ 能设计和装接场效应管基本放大电路，并能通过调试得到正确结果。能对电路中的故障现象进行分析判断并加以解决；

⑤ 理解特殊三极管工作原理与使用方法。




场效应管按照结构可以分为两大类： 金属氧化物半导体FET(metaloxidesemiconductor FET，MOSFET)和结型FET（junction FET，JFET）。
MOSFET的发明早于双极型晶体管。1933年美国博士Julius Lilienfeld获得了最早关于场效应管的三个专利，在这三个专利中指出了场效应管的物理结构，但是受当时制造实际半导体器件的技术条件制约，他没有制造出任何可实际工作的场效应管器件。直到20世纪60年代中期，才制造出世界上第一款取得工程上成功应用的场效应管器件。尽管当时它的运行速度比BJT要慢得多，但是它具有体积小和功耗低的特点，故易于大规模集成。微处理器和大容量存储器就是由它集成的。JFET的开发先于MOSFET，但是它的应用远不及MOSFET，且只是应用于某些特殊场合，有逐渐被淘汰的趋势（原因之一是JFET的栅极电压和漏极电压的极性相反）。
3.1结型场效应管
JFET是利用半导体的电场效应进行工作的，也称为体内场效应器件。结型场效应管有两种结构形式，即N沟道结型场效应管和P沟道结型场效应管。
3.1.1结型场效应管的结构及类型
JFET的结构如图31所示。具体说来，是在一块N型半导体材料两边扩散高浓度的P型区（用P+表示），形成两个PN结。由两边高浓度P型区引出两个欧姆接触电极并连接在一起称为栅极g(G)，在N型本体材料的两端各引出一个欧姆接触电极，分别称为源极s(S)和漏极d(D)。两个PN结中间的N型区域称为导电沟道。这种结构称为N型沟道JFET。实际剖面图衬底和顶部都是P+型半导体，它们连接在一起（图中未画出），引出的电极称为栅极g。其与源极s和漏极d相连的N+区，是通过光刻和扩散等工艺来完成的隐埋层，其作用是为漏极、源极提供低阻通路。三个电极s、g、d分别由不同的铝接触层引出。


图31N型沟道JFET实际剖面图


同样道理，将P型半导体和N型半导体互换，可以构成另一种结型场效应管，即P沟道JFET。所以，结型场效应管有两种结构形式： N型沟道结型场效应管和P型沟道结型场效应管。为了便于分析结型场效应管工作原理，画出其结构示意图，如图32（a）和图32（b）。图32（c）和图32（d）是结型场效应管的电路符号。


图32结型场效应管的结构示意图和符号


3.1.2结型场效应管的工作原理
JFET的主要工作原理是，在D、S间加上电压UDS，则源极和漏极之间形成电流ID，通过改变栅极和源极的反向电压UGS，就可以改变两个PN结阻挡层（耗尽层）的宽度，这样就改变了沟道电阻，因此就改变了漏极电流ID。
1. UGS对导电沟道的影响 
假设UDS=0，当UGS由零向负值增大时，PN结的阻挡层加厚，沟道变窄，电阻增大。如图33（a）和图33（b）所示。若UGS的负值（绝对值）再进一步增大，当UGS=UP时两个PN结的阻挡层相遇，沟道消失，我们称为沟道被“夹断”了，UP称为夹断电压，亦作UGS(off)，此时ID=0，如图33（c）所示。


图33当UDS=0时UGS对导电沟道的影响示意图


2. ID与UDS、UGS之间的关系
假定栅、源电压|UGS|<|UP|，例如UGS=-1V，而UP=-4V，当漏、源之间加上电压UDS=2V时，沟道中将有电流ID通过。此电流将沿着沟道的方向产生一个电压降，这样沟道上各点的电位就不同，因而沟道内各点的栅极之间的电位差也就各不相等。漏极顶端与栅极之间的反向电压最高，如UDG=UDS-UGS=2-(-1)=3V，沿着沟道向下逐渐降低，使源极端沟道较宽，而靠近漏极端的沟道较窄，如图34（a）所示。此时，若增大UDS，由于沟道电阻增大较慢，所以ID随之增加。当UDS进一步增加使栅、漏间电压UGD等于UP时，即UGD=UGS-UDS=UP，则在漏极附近，两个PN结的阻挡层相遇，如图34（b）所示，称为预夹断。如果继续升高UDS，就会使夹断区向源极端方向发展，沟道夹断区增加。由于沟道电阻的增长速率与UDS的增加速率基本相同，故这一期间ID趋于恒定值，不随UDS的增大而增大，此时，漏极电流的大小仅取决于UGS的大小。UGS越负，沟道电阻越大，ID便越小，直到UGS=UP，沟道被完全夹断，ID≈0，如图34（c）所示。


图34UDS对导电沟道和ID的影响


3.1.3结型场效应管的伏安特性
结型场效应管的伏安特性类似于晶体管伏安特性，研究JFET伏安特性也分输出特性与转移特性。
1. 输出特性曲线 
输出特性是指栅源电压uGS一定，漏极电流iD与漏极电压uDS之间的关系，即


iD=fuDSuGS=常数（31）


根据工作情况, 输出特性可划分为4个区域,即： 可变电阻区、恒流区、击穿区和截止区，如图35所示。
在可变电阻区内，栅源电压越负，输出特性越倾斜，漏源间的等效电阻越大。因此，在可变电阻区中，FET可看作一个受栅源电压控制的可变电阻。故得名为可变电阻区。
在恒流区（又称为饱和区），其物理过程已经描述。FET用作放大电路时，一般就工作在这个区域。因此，这个区又叫作线性放大区。
在击穿区的特点是，当漏源电压增至一定数值（例如图35中的UDSS）后，由于加到沟道中耗尽层的电压太高，电场很强，致使栅漏间的PN结发生雪崩击穿，漏极电流迅速上升，故名击穿区。进入雪崩击穿后，管子不能正常工作，甚至很快烧毁。所以，FET不允许在这个区域工作。
当uGS<UP时，iD=0。此区域为截止区。当管子做电子开关用时，相当于开关断开。
2. 转移特性
电流控制器件BJT的工作性能，是通过它的输入特性和输出特性及一些参数来反映的。FET是电压控制器件，它除了用输出特性及一些参数来描述其性能外，由于栅极输入端基本上没有电流，故讨论它的输入特性是没有意义的。
所谓转移特性是在uDS一定时，漏极电流iD与栅源电压uGS之间的关系。即


iD=f(uGS)uDS=常数（32）


由于输出特性与转移特性都是反映FET工作的同一物理过程，所以转移特性可以直接从输出特性上用作图法求出。例如，在输出特性图35中，作uDS=10V的一条垂直线，此垂直线与各条输出特性曲线的交点分别为A、B、C、D，将这四个点相应的iD及uGS值画在iDuGS的直角坐标系中，就可以得到uDS=10V时的转移特性曲线。改变uDS，可以得到一族转移特性曲线。由于在饱和区漏极电流几乎不随着漏源电压而变化，所以当漏源电压大于一定值时，不同的漏源电压的转移特性很接近。在放大电路中，FET一般工作在饱和区，而且漏源电压总有一定数值（例如图36中大于4V），这时可以认为转移特性重合为一条直线，使得分析简单化。


图35N沟道JFET的输出特性




图36N沟道JFET的转移特性



实验表明，在UP≤uGS≤0的范围内, 漏极电流iD与栅极电压uGS的关系为


 iD=IDSS1-uGSUP2（UP≤uGS≤0）（33）


式中，IDSS是漏极饱和电流，在3.2.3节具体介绍。
3.2绝缘栅场效应管
JFET的直流输入电阻虽然一般可以达到106~109Ω，由于这个电阻本质上来说是PN结的反向电阻，PN结反向偏置时总有一点反向电流存在，这就限制了输入电阻的进一步提高。与JFET不同，金属氧化物半导体场效应管（metaloxidesemiconductor type field effect transistor，MOSFET）是利用半导体表面的电场效应进行的，也称为表面场效应器件。由于它的栅极处于不导电（绝缘）状态，所以又称为绝缘栅场效应管，它的输入电阻大为提高，最高可达到1015Ω。MOSFET管是FET的一种（另一种是JFET），可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道，因此MOSFET有N沟道和P沟道之分，而且每一类又分为增强型和耗尽型两种，共4种类型。增强型MOSFET在uGS=0时，没有导电沟道存在。而耗尽型MOSFET在uGS=0时，就有导电沟道存在。
但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是这两种。
3.2.1增强型MOS管
在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s。然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏源极间的绝缘层上再装上一个铝电极，作为栅极g。在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。它的栅极与其他电极间是绝缘的。图37和图38(a)分别是它的结构示意图和代表符号。代表符号中的箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。P沟道增强型MOS管的箭头方向与上述相反，如图38(b)所示。


图37N沟道增强型MOS管结构示意图




图38增强型MOS管结代表符号


（1） 接下来分析N沟道增强型MOS管的工作原理。首先讨论uGS对iD及沟道的控制作用。uGS=0的情况。如图39（a），增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。当栅源电压uGS=0时，即使加上漏源电压uDS，而且不论uDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流iD≈0。


图39N沟道增强型MOS管uGS对iD及沟道的控制作用原理图


（2） uGS>0 的情况。若uGS＞0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个电场。电场方向是垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场,此电场能排斥空穴而吸引自由电子。排斥空穴使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)形成耗尽层。吸引电子将P型衬底中的电子（少子）吸引到衬底表面。当uGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏源极之间仍无导电沟道出现，如图39（b）所示。但是，当uGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当uGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个N+区相连通，在漏源极间形成N型导电沟道，又因为其导电类型与P衬底相反，故又称为反型层，如图39（c）所示。uGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的自由电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。开始形成沟道时的栅源极电压称为开启电压，用UT表示，亦作UGS(th)。将uGS对iD及沟道的控制作用简要总结一下：  N沟道MOS管在uGS＜UT时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。只有当uGS≥UT时，才有沟道形成。这种必须在uGS≥UT时才能形成导电沟道的MOS管，称为增强型MOS管。沟道形成以后，在漏源极间加上正向电压uDS，就有漏极电流产生。
接下来分析uDS对iD的影响。
如图310(a)所示，当uGS>UT且为一确定值时，漏源电压uDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似。



图310N沟道增强型MOS管uDS对iD及沟道的控制作用原理图



漏极电流iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大，这里沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为uGD=uGS-uDS，因而这里沟道最薄。但当uDS较小（uDS<uGS-UT）时，它对沟道的影响不大，这时只要uGS一定，沟道电阻几乎也是一定的，所以iD随uDS近似呈线性变化。随着uDS的增大，靠近漏极的沟道越来越薄，当uDS增加到使uGD=uGS-uDS=UT(或uDS=uGS-UT)时，沟道在漏极一端出现预夹断，如图310(b)所示。再继续增大uDS，夹断点将向源极方向移动，如图310(c)所示。由于uDS的增加部分几乎全部降落在夹断区，故iD几乎不随uDS增大而增加，管子进入饱和区，iD几乎仅由uGS决定。在饱和区内，增强型MOS管的电流方程如式（34）所示，其中IDO为UGS=2UT时的ID。


iD=IDO1-uGSUT2（34）




3.2.2耗尽型MOS管
本节以N沟道耗尽型MOS管为例讲授耗尽型MOS管的结构特点。P沟道耗尽型MOS管与其关系对称不再赘述。

N沟道耗尽型MOS管结构如图311所示，N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管基本相似。耗尽型MOS管在uGS=0时，漏源极间已有导电沟道产生。增强型MOS管要在uGS≥UT时才出现导电沟道。具体的原因是制造N沟道耗尽型MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+(制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子)，如图311所示，因此即使uGS=0时，在这些正离子产生的电场作用下，漏源间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道)，只要加上正向电压uDS，就有电流iD。


图311N沟道耗尽型MOS管结构示意图


如果加上正的uGS，栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子，沟道加宽，沟道电阻变小，iD增大。反之uGS为负时，沟道中感应的电子减少，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。当uGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，iD趋于零，管子截止，故称为耗尽型。沟道消失时的栅源电压称为夹断电压，仍用UP表示。与N沟道结型场效应管相同，N沟道耗尽型MOS管的夹断电压UP也为负值，但是，前者只能在uGS<0的情况下工作。而后者在uGS=0，uGS>0，UP<uGS<0的情况下均能实现对iD的控制，而且仍能保持栅源极间有很大的绝缘电阻，使栅极电流为零。这是耗尽型MOS管的一个重要特点。图312(a)、图312(b)分别是N沟道和P沟道耗尽型MOS管的代表符号。


图312耗尽型MOS管的代表符号



在饱和区内，耗尽型MOS管的电流方程与结型场效应管的电流方程相同，即


iD=IDSS1-uGSUP2其中uGS<UP（35）





3.2.3场效应管的主要参数
场效应管的参数可以分成三部分： 直流参数、交流参数和极限参数。
1. 直流参数
场效应管直流参数主要是保证其工作在合适的电路状态即可变电阻区、夹断区、恒流区。
1） 漏极饱和电流IDSS 
IDSS是耗尽型和结型场效应管的一个重要参数, 它的定义是当栅、源之间的电压UGS等于零, 而漏、源之间的电压UDS大于夹断电压UP时对应的漏极电流。
2） 夹断电压UP
UP是耗尽型和结型场效应管的重要参数，其定义为当UDS一定时，使ID减小到某一个微小电流(如1μA，50μA)时所需的UGS值。
3） 开启电压UT
UT是增强型场效应管的重要参数，它的定义是当UDS一定时，漏极电流ID达到某一数值(例如10μA)时所需加的UGS值。
4） 直流输入电阻RGS
RGS是栅、源之间所加电压与产生的栅极电流之比。由于栅极几乎不取电流, 因此输入电阻很高。结型为106Ω以上，MOS管可达1010Ω以上。
2. 交流参数
场效应管交流参数也称为动态参数，主要是研究场效应管交流性能时涉及的性能参数。
1） 低频跨导gm
gm是描述栅、源电压对漏极电流的控制作用。具体公式为


gm=iDuGSUDS=常数（36）


跨导gm的单位是mA/V。跨导（又称为互导）反映了栅、源电压对漏极电流的控制能力，它相当于转移特性上工作点的斜率。一般常见的单位为ms。它的值可由转移特性或输出特性求得，同时如图313所示,有


gm=iDuGS=-2IDSSUP1-UGSUP(当UP≤uGS≤0时)




图313根据场效应管的特性曲线求gm示意图



2） 极间电容
场效应管三个电极之间的电容，包括CGS、CGD和CDS。这些极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。
3） 输出电阻
输出电阻rd说明了uDS对iD的影响，是输出特性某一点上切线斜率的倒数。在饱和区（线性放大区），iD随uDS改变很小，因此rd的数值很大，一般在几十千欧到几百千欧。计算rd表达式为


rd=uDSiDUGS(37)


3. 极限参数
极限参数(the maximum parameter)是管子在工作状态不允许超过的参数。如果超越，就会损坏管子。
1） 漏极最大允许耗散功率PDM
PDM与ID、UDS有如下关系


PDＭ=IDUDS（38）


这部分功率将转化为热能, 使管子的温度升高。PDM受场效应管允许的最高温升限制。
2） 漏源间击穿电压U（BR）DS
在场效应管输出特性曲线上，当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。工作时加在漏源之间的电压不得超过此值。
3） 栅源间击穿电压U（BR）GS
结型场效应管正常工作时，栅源之间的PN结处于反向偏置状态，若UGS超过栅源间击穿电压U（BR）GS，PN结将被击穿。
对于MOS场效应管, 由于栅极与沟道之间有一层很薄的二氧化硅绝缘层, 当UGS过高时, 可能将SiO2绝缘层击穿, 使栅极与衬底发生短路。这种击穿不同于PN结击穿, 而是和电容器击穿的情况类似, 属于破坏性击穿。
3.2.4场效应管与晶体三极管的性能比较
场效应管与晶体三极管在不同应用场合性能有很大区别，具体而言有以下方面： 
(1) 场效应管的源极s、栅极g、漏极d分别对应于晶体三极管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似。
(2) 场效应管是电压控制电流器件，由uGS控制iD，其放大系数gm一般较小，因此场效应管的放大能力较差； 晶体三极管是电流控制电流器件，由iB（或iE）控制iC。
(3) 场效应管栅极几乎不取电流； 而晶体三极管工作时基极总要吸取一定的电流。因此场效应管的输入电阻比晶体三极管的输入电阻高。所以在要求高输入电阻放大电路（例如电压表的输入级）情形下，常选用场效应管放大电路。
(4) 场效应管只有多子参与导电； 晶体三极管有多子和少子两种载流子参与导电，因少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，所以场效应管比晶体三极管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管。
(5) 场效应管在源极未与衬底连在一起时，源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大； 而晶体三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大，β值将减小很多。
(6) 场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管。
(7) 场效应管和晶体三极管均可组成各种放大电路和开关电路，但由于前者制造工艺简单，且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。
3.2.5MOS场效应晶体管使用注意事项
MOS场效应晶体管由于输入阻抗高（包括MOS集成电路）,极易被静电击穿，使用时应注意以下规则： 
(1) 从场效应管的结构上看，其源极和漏极是对称的，因此源极和漏极可以互换。但有些场效应管在制造时已将衬底引线与源极连在一起，这种场效应管源极和漏极就不能互换。
(2) 场效应管各极间电压极性应正确接入，结型场效应管的栅源电压uGS极性不能接反。
(3) 当MOS管的衬底引线单独引出时，应将其接到电路中的电位最低点（对N沟道MOS管而言）或电位最高点（对P沟道MOS管而言），以保证沟道与衬底间的PN结处于反向偏置，使衬底与沟道及各电极隔离。
(4) MOS管的栅极是绝缘的，感应电荷不易泄放，而且绝缘层很薄，极易击穿。所以栅极不能开路，MOS器件出厂时通常装在黑色的导电泡沫塑料袋中，也可用细铜线把各个引脚连接在一起，将各电极短路。或用锡纸包装。
(5) 焊接时，电烙铁必须可靠接地，或者断电利用烙铁余热焊接，并注意对交流电场的屏蔽。MOS器件焊接完成后再分开。
(6) 取出的MOS器件不能在塑料板上滑动，应用金属盘来盛放待用器件。
(7) MOS器件各引脚的焊接顺序是漏极、源极、栅极。拆机时顺序相反。
(8) MOS场效应晶体管的栅极在允许条件下，接入保护二极管。在检修电路时要注意检查保护二极管是否损坏。
3.3场效应管放大电路
在由场效应管组成的放大电路中，场效应管必须工作在放大区，即必须采用合适的直流电流将其工作点（UDS，ID）设置于输出特性曲线的放大区，且保持稳定。
与晶体管放大电路相类似，场效应管放大电路有共源、共漏、共栅三种接法，它们的交流通路如图314所示。本节主要阐述场效应管放大电路静态工作点的设置方法及共源电路、共漏电路的动态分析（共栅接法应用极少）。


图314场效应管放大电路的三种接法


3.3.1场效应管放大电路的直流偏置与静态分析
场效应管放大电路的直流偏置主要研究两种，一种自偏压电路； 另一种分压式偏压电路。
1. 自偏压电路
如图315所示，和BJT的射极偏置电路相似，图315中电容C对Rs起旁路作用，称为源极旁路电容。
通常在源极接入源极电阻，就可组成一个自偏压电路。考虑到如果采用耗尽型场效应管，即使在UGS=0时，也有漏极电流流过Rs，而栅极是经过RG接地的，所以在静态时栅源之间将有负栅压，即


UGSQ=UGQ-USQ=0-IDQRs=-IDQRs（39）


上式表明，在正的直流电源作用下，电路靠Rs上的电压使栅源之间获得负电压，这种依靠自身获得负电压的方式成为自给偏压。再将式（39）代入结型场效应管电流方程，得到


IDQ=IDSS1-UGSQUP2=IDSS1--IDQRsUP2 （310）


由此求出IDQ，将其代入式（39）中，可得栅源间静态电压UGSQ。根据电路的输出回路方程，可得到管压降


UDSQ=UDD-IDQ(RD+Rs)（311）


增强型场效应管只有栅极、源极之间电压先达到某个开启电压UT时才有漏极电流ID，因此这类管子不能用如图315所示的自偏压电路。


图315结型场效应管自偏压电路



2. 分压式偏压电路
虽然自偏压电路比较简单，但当静态工作点决定后，UGS和ID就确定了，因而源极电阻选择的范围很小。分压式偏压电路是在图315的基础上加分压电阻后组成的，如图316所示。


图316分压式偏压电路


漏极电源UDD经过分压电阻RG1和RG2分压后，通过RG3供给栅极


UG=UDDRG2RG1+RG2


同时漏极电流在源极电阻Rs上也产生压降Us=IDRs，因此静态时加在场效应管上的栅源电压为


UGS=UG-US=UDDRG2RG1+RG2-IDRs=-IDRs-UDDRG2RG1+RG2（312）


这种偏压电路的另一个特点是适用于增强型场效应管电路。IDQ与UGSQ应符合MOS管的电流方程式（34），即


IDQ=IDO1-UGSQUT2（313）


联立式（312）和式（313），求解可得出IDQ与UGSQ。进而可得到管压降


UDSQ=UDD-IDQ(RD+Rs)（314）


3.3.2场效应管放大电路的动态分析
当场效应管的直流偏置电路设置合适后，加入交流信号，此时就要进行场效应管的动态分析。通常需要放大的信号比较微弱，即小信号，并且此时场效应管工作在线性放大区，那么同BJT一样，可以用小信号模型来分析。
1. 场效应管小信号模型
在3.3.1节中，已经讨论了场效应管的跨导gm和输出电阻rd。如果此时场效应管工作在线性放大区（也就是恒流区、饱和区），那么场效应管的交流小信号线性模型如图317所示。


图317场效应管的小信号模型


由于结型场效应管的输入电阻比绝缘栅场效应管小，所以结型场效应管的小信号模型保留了电阻rgs，如图317（a），而绝缘栅场效应管输入电阻趋近于无穷大，所以小信号模型中不再画输入电阻，直接将栅源之间开路处理，如图317（b）所示。
根据场效应管的电流方程可以求出低频跨导gm。对于结型场效应管


gm=iDuGSUDS

=2IDSS-UP1-uGSUPUDS

=2I2DSS1-uGSUP2UDS-UP

=-2UPIDSSiD


当小信号作用时，可以用IDQ来近似iD，所以


图318场效应管高频小信号模型



gm≈-2UPIDSSIDQ（315）


同理，对于增强型MOS管


gm≈2UTIDOIDQ（316）


当场效应管用在高频或脉冲电路时，极间电容的影响不能忽略，此时场效应管需用高频模型如图318所示。

2. 应用小信号模型法分析场效应管放大电路
如图319（a）所示的共源极电路，应用小信号模型进行分析，求出中频电压增益、输入电阻、输出电阻。中频小信号模型如图317（b）所示，通常rd的阻值在几百千欧姆的数量级，一般负载电阻比rd小很多，故此时可以认为rd开路。故最后画出共源放大电路的交流等效电路，如图319（b）所示，此交流通路中的交流物理量用相量表示。


图319共源放大电路及交流等效电路


1) 中频电压增益
在图319（b）中，可以分析出


ui=ugs（317）


在图319中空载，所以输出电压等于场效应管压降，并且RD的交流电流就是漏极交流电流，又因为交流通路中直流电源归零，所以RD接地，根据以上分析可以得到


uo=-idRD=-gmugsRD（318）

因此中频电压增益（放大倍数）


Au=UoUi=-gmRD（319）


2) 输入电阻、输出电阻
根据输入电阻、输出电阻的定义，它们分别为


Ri=∞（320）

Ro=RD（321）


例31如图316，已知UDD=15V，RG1=150kΩ，RG2=300kΩ，RG3=2MΩ，RD=5kΩ，Rs=500Ω，RL=5kΩ； MOS管的UT=2V，IDO=2mA。求解Q点、A·u，Ri、Ro。
解场效应管放大器的分析同样遵循先静态后动态的原则。首先求解Q点。


UGSQ=RG2RG1+RG2×UDD-IDQRs=150150+300×15-IDQ×0.5=5-0.5IDQ
IDQ=IDOUGSQUT-12=2UGSQ2-12


解得UGSQ的两个解分别为+4V和-4V，舍去负值，得出合理解为


UGSQ=4V，IDQ=2mA

UDSQ=UDD-IDQ(RD+Rs)=4V


接下来求解A·u、Ri、Ro。画出图316的交流等效电路，如图320所示。为计算方便，电路物理量用相量表示。


图320例31电路图


计算低频跨导，有


gm=2UTIDOIDQ=222×2mA/V=2mS

U·o=-I·d(RD∥RL)=-gmU·gs(RD∥RL)


由于


U·gs=U·i


根据电压放大倍数、输入电阻和输出电阻的定义，可得


A·u=U·oU·i=-gm(RD∥RL)=-2×11/5+1/5=-5

Ri=RG3+RG1∥RG2=2+11/0.15+1/0.3MΩ=2.1MΩ

Ro=RD=5kΩ


解题结论从此例可以看出，场效应管共源极放大电路的输入电阻远大于共射极放大电路的输入电阻，但是它的电压放大能力不如共射放大电路。
从此例还可以看出电阻RG3的作用是增大输入电阻。
3. 共漏放大电路的动态分析
共漏放大电路又称为场效应管源极跟随器。
图321（a）所示为共漏放大电路，图321（b）为它的交流等效电路。其静态工作点可用下式估算，即


IDQ=IDOUGSQUT-12
UGSQ=UGG-IDQRs
UDSQ=UDD-IDQRs（322）


在图321（b）所示电路中，当输入电压U·i作用时，栅源之间产生动态电压U·gs，从而得到漏极电流I·d，I·d=gmU·gs； I·d在源极电阻Rs的压降就是输出电压，即


U·o=I·dRs=gmU·gsRs（323）


输入电压为


U·i=U·gs+U·o=U·gs+gmU·gsRs（324）


所以电压放大倍数


A·u=U·oU·i=gmRs1+gmRs（325）


根据输入电阻的定义


Ri=∞（326）




图321共漏放大电路及其微变等效电路



下面求解输出电阻。将输入端的电压源短路，在输出端加交流电压U·o，必然产生电流I·o，如

图322求解共漏放大电路的输出电阻

图322所示，求出I·o，根据输出电阻等于输出电压U·o除以输出电流I·o，可得输出电阻。由图322可知，I·o分为两个支路，一路流经Rs，其值是U·o/Rs； 另一路是U·o通过Rg加在栅源之间，从而产生从源极流向漏极的电流I·s，其值为gmU·o。所以有


I·o=U·oRs+gmU·o


则输出电阻为


Ro=U·oI·o=U·oU·oRs+gmU·o=11Rs+gm=Rs∥1gm（327）



例32在图321（a）所示电路中，静态工作点合适，IDQ=1mA，RG=2MΩ，Rs=3kΩ； 场效应管的开启电压UT=4V，IDO=1mA。试求Au、Ri、Ro。
解首先求解gm。


gm=2UTIDOIDQ=244×1mA/V=1ms


根据式（325）~式（327）分别求解A·u、Ri、Ro。


A·u=U·oU·i=gmRs1+gmRs=1×31+1×3≈0.75

Ri=∞

Ro=Rs∥1gm=11/3+1≈0.75kΩ


解题结论从例32的分析可以看出，共漏放大电路的输入电阻远大于共集放大电路的输入电阻，其输出电阻也比共集电路的大，电压跟随器作用比共集电极电路差。
综上所述，场效应管放大电路的突出特点是输入电阻高，因此特别适用于对微弱信号处理的放大电路的输入级。
4. 场效应管三种基本放大电路组态的总结与比较
场效应管三种放大电路组态的特性的总结见表31。


表31三种场效应管放大电路的特性




结构
电压增益（|Aus|）
电流增益（Ai）
输入电阻Ri
输出电阻Ro

共源极
>1
—
一般
一般
共漏极
≈1
—
一般
低
共栅极
>1
≈1
低
一般

注： 表格中的“—”表示通常不研究。

共源极放大电路的输出电压与输入电压反相，共漏极和共栅极放大电路的输出电压与输入电压同相。在一般情况下，共源极和共栅极电路的电压增益远大于1，而共漏极放大电路的电压增益近似为1，所以共漏极放大电路又被称为源极跟随器。
输入信号的频率较低时，共源极电路和共漏极电路从栅极看进去的输入电阻几乎为无穷大。然而对于分立元件的放大电路，其输入电阻是偏置电路的戴维南等效电阻。共栅极电路的输入电阻一般为几百欧姆。共漏极输出电阻为几百欧姆或更小。
共源极和共栅极电路的输出电阻主要取决于RD。
场效应管的型号比较多，相应的转移特性曲线和输出特性曲线也各不相同，如表32所示。


表32各种场效应管的转移特性和输出特性曲线




分类
符号
转移特性曲线
输出特性曲线

结

型

场

效

应

管

N

沟

道




P

沟

道




绝

缘

栅

型

场

效

应

管
N

沟

道


增

强

型




耗

尽

型





续表



分类
符号
转移特性曲线
输出特性曲线

绝

缘

栅

型

场

效

应

管
P

沟

道


增

强

型




耗

尽

型




3.4特殊场效应三极管与应用电路
随着电子科技日新月异的发展，三极管的种类越来越丰富。本节只介绍电子设计工程中最常见的几种类别。
3.4.1绝缘栅双极型晶体管
绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融合了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫的频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。
1. IGBT原理及等效电路
IGBT管的开通和关断是由栅极电压来控制的，IGBT管的等效电路如图323 所示。


图323IGBT管的等效电路



由图323可知，当栅极加正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使 IGBT管导通，此时高耐压的IGBT管也具有低的导通态压降。在栅极上加负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT管即关断。IGBT管与MOSFET一样也是电压控制型器件，在它的栅极、发射极间施加十几伏的直流电压，只有微安级的漏电流，基本上不消耗功率，显示了输入阻抗大的优点。IGBT的电路符号目前仍然没有统一的画法，图323（a）和图323（b）为IGBT管最常见的电路符号。
若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通； 若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOS截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件，在它的栅极发射极间施加十几伏的直流电压，只有μA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。
2. IGBT的擎住效应和安全工作区
以N型IGBT管为例研究其安全工作区，画出其内部结构与等效电路如图324所示。


图324IGBT的结构、简化等效电路


1） 结构特点
(1) 寄生晶闸管： 由一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成。
(2) 正偏安全工作区（FBSOA)： 最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。
(3) 反向偏置安全工作区（RBSOA）： 最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定。
(4) 擎住效应或自锁效应： 沟道电阻上产生的压降，相当于对J3结施加正偏压，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用。电流失控，动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期逐渐解决，即将IGBT与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件。


2） 使用注意事项
IGBT管的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄，IGBT管的UGE 的耐压值为20V，在IGBT管加超出耐压值的电压时，会导致损坏的危险。此外，在栅极发射极间开路时，若在集电极与发射极间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于集电极有漏电流流过，栅极电位升高，集电极则有电流流过，这时，如果集电极与发射极间存在高电压，则有可能使IGBT管发热乃至损坏。在应用中，有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压，为此，通常采用双绞线来传送驱动信号，以减少寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。如果栅极回路不合适或者栅极回路完全不能工作时（栅极处于开路状态），若在主回路上加上电压，则IGBT管就会损坏，为防止这类损坏情况发生，应在栅极发射极之间接一只10kΩ左右的电阻。
此外，由于IGBT管含有场效应管结构，对于静电就要十分注意。因此，在使用模块时，手持分装件时，请勿触摸驱动端子部分。当必须要触摸模块端子时，要先将人体或衣服上的静电放电后，再触摸。在用导电材料连接IGBT管的驱动端子时，在配线未接好之前请先不要接上模块； 尽量在底板良好接地的情况下操作，如焊接时，电烙铁要可靠接地。
3. IGBT的应用
通过检测IGBT饱和压降实现短路保护。
IGBT通常工作在逆变桥上，并处于开关工作状态, 若设计不当，易发生短路现象。对 IGBT器件的短路保护，常用的方法是通过检测IGBT的饱和压降UCE(sat)，配合驱动电路来实现，如图325所示。



图325检测 IGBT饱和压降实现短路保护电路图


其工作原理如下： 当过电流或者短路发生时，UCE(sat)=ICRCE(sat)，若IC 升高，则UCE(sat)升高。此时通过快恢复二极管检测的UCE(sat)>UREF(在比较器输入端设定的电压值)，比较器输出为高电平(输入AND（与门）输入端的一侧)； 若UG 增大时，检测线路UCE(sat)≥UREF(有过电流时)情况发生，AND（与门）输出高电平，使保护电路动作，栅极驱动无驱动信号输出。通常保护电路必须在10μs内关断IGBT。如果在保护电路中，采用先降低栅电压实现器件软关断，可以减少IGBT的关断应力，甚至延长保护电路动作时间。


3.4.2光电三极管及其应用电路
光电三极管工作原理是根据光照强度来控制集电极电流的大小，其功能可以等效为一个光电二极管与一个BJT相连，如图326所示。


图326光电三极管等效电路、符号和外形


与晶体三极管相似，光电三极管也是具有两个PN结的半导体器件，所不同的是其基极受光信号的控制。由于光电三极管的基极即为光窗口，因此大多数光电三极管只有发射极e和集电极c两个管脚，基极无引出线。
光电三极管分为 NPN 型和 PNP 型两大类，如图326（b）和图326（c）所示。在有光照时，NPN 型光电三极管电流从集电极c 流向发射极e，PNP 型光电三极管电流从发射极e流向集电极c。

光电三极管的特点是不仅能实现光电转换，而且同时还具有放大功能。光电三极管可以等效为光电二极管和普通三

图327光电三极管的输出特性曲线

极管的组合元件，如图326（a）所示。 光电三极管基极与集电极间的PN结相当于一个光电二极管，在光照下产生的光电流又从基极进入三极管放大，因此光电三极管输出的光电流可达光电二极管的β倍。
光电三极管与普通三极管的输出特性曲线相似，只是将参变量基极电流IB用入射光照度E取代，如图327所示。无光照时的集电极电流称为暗电流ICEO，它比光电二极管的暗电流大两倍。暗电流受温度的影响很大，温度每上升25℃，ICEO上升约10倍。有光照时的集电极电流称为光电流。当管压降uce足够大时，iC几乎仅仅决定于入射光照度E。对于不同型号的光电三极管，当入射光照度E为1000lx时，光电流从小于1mA到几毫安不等。

使用光电三极管时，也应特别注意不同光电三极管给出的极限参数，不要超过极限参数。
如图328所示，是光电三极管在煤气熄火报警中的应用电路。T1是光电三极管，与T2、T3等组成开关电路，控制着由IC555等组成的多谐振荡器电路。煤气火焰正旺时，T1导通，T2、T3截止，IC555不振荡，喇叭无声音。当火苗被溢出的水或者风熄灭后，T1失去炉火的光照，T2、T3导通，IC555的地被接通，开始工作，喇叭发出声音提醒相关人员赶快关断煤气，避免发生煤气中毒的危险。其中R1、R2、C的具体取值，由下式确定


T=(R1+2R2)Cln2(328)


式中的T为输出振荡周期，其倒数为频率，把频率设置为人耳可以听见的范围。


图328光电三极管煤气熄火报警电路


3.4.3单结晶体管及其应用电路
根据PN结外加电压时的工作特点，还可以由PN结构成其他类型的三端器件。本节将介绍利用一个PN结构成的具有负阻特性的器件，即单结晶体管。
1. 单结晶体管的结构和等效电路
在一个低掺杂的N型硅棒上利用扩散工艺形成一个高掺杂P区，在P区与N区接触面形成PN结，就构成单结晶体管（unijunction transistor）。其结构示意图如图329（a）所示，P型半导体引出的电极为发射极e； N型半导体的两端引出两个电极，分别为基极b1和b2。单结晶体管因有两个基极，故也称为双基极晶体管。其符号如图329（b）所示，即N型单结晶体管。如果将P型N型两种材料互换，那么形成P型单结晶体管如图329（c）所示。本节所述的单结晶体管原理及应用均以N型单结晶体管为例。


图329单结晶体管的结构示意图、符号和等效电路


单结晶体管的等效电路如图329（d）所示，发射极所接P区与N区硅棒形成的PN结等效为二极管D。N型硅棒因掺杂浓度很低而呈现高电阻，二极管阴极与基极b1之间的等效电阻为rb1，二极管与基极b2之间的等效电阻为rb2。rb1的阻值受eb1间电压的控制，所以等效为可变电阻。
2. 工作原理和特性曲线
单结晶体管的发射极电流IE与eb1间电压UEB1的关系曲线称为特性曲线。特性曲线的测试电路如图330（a）所示，虚线框内为单结晶体管的等效电路。
当b2b1间加电源UBB，且发射极开路时，A点电位为


UA=rb1rb1+rb2×UBB=ηUBB（329）

式中η称为单结晶体管的分压比，其数值主要与管子的结构有关，一般在0.5~0.9。基极b2的电流为


IB2=UBBrb1+rb2（330）



当eb1间电压UEB1为零时，PN结承受反向电压，其值UEA=-ηUBB。发射极的电流IE为二极管的反向电流，记作IEO。若缓慢增大UEB1，则PN结端电压UEA随之增大； 并由反向电压变成正向电压。若UEB1继续增大，使PN结正向电压大于开启电压时，则IE变为正向电流，从发射极e流向基极b1。此时，空穴浓度很高的P区向电子浓度很低的硅棒的Ab1区注入非平衡少子； 由于半导体材料的电阻与其载流子的浓度紧密相关，注入的载流子使rb1减小； 而且rb1的减小，会使其压降减小，导致PN结正向电压增加，IE必然随之增大，注入的载流子将更多，于是rb1进一步减小； 当IE增大到一定程度时，二极管的导通电压将变化更多，于是rb1进一步减小； 当IE增大到一定程度时，二极管的导通电压将变化不大，此时UEB1将因rb1的减小而减小，表现负阻特性。


图330单结晶体管特性曲线的测试


所谓负阻特性，是指输入电压（即UEB1）增大到某一数值后，输入电流（即发射极电流IE）愈大，输入端的等效电阻愈小的特性。

一旦单结晶体管进入负阻工作区域，输入电流IE的增加只受输入回路外部电阻的限制，除非将输入回路开路或者将IE减小到很小的数值，否则管子将始终保持导通状态。

单结晶体管的特性曲线如图330（b）所示，当UEB1=0时，IE=IEO； 当UEB1增大至UP（峰点电压）时，PN结开始正向导通，UP=UA+Uon，UA如式（329）所示，Uon为PN结开启电压，此时IE=IP（峰点电流）； UEB1=UV（谷点电压），IE=IV（谷点电流）,UV取决于PN结的导通电压和rb1的饱和电阻rs； 当IE再增大，管子进入饱和区。单结晶体管的三个工作区域如图330（b）所标注。
单结晶体管的负阻特性使其广泛应用于定时电路和振荡电路之中。
3. 应用举例
所谓振荡，是指在没有输入信号的情况下，电路输出一定频率、一定幅值的电压或者电流信号。图331（a）所示为单结晶体管组成的振荡电路。


图331单结晶体管组成的振荡电路


在图331（a）所示的电路中，当刚开始通电时，电容C上的电压为零，管子截止，电源UBB通过电阻R对C充电，随时间增长电容电压uC（即uEB1）逐渐增大； 一旦uEB1增大到峰点电压UP后，管子进入负阻区，输入端等效电阻急剧减小，使C通过管子的输入回路迅速放电，uE随之迅速减小，一旦uEB1减小到谷点电压UV后，管子截止； 电容又开始充电。上述过程循环往返，只有当断电时才会停止，因而产生振荡。由于充电时间常数远大于放电时间常数，当稳定振荡时，电容上电压的波形如图331（b）所示。
3.4.4晶闸管及其应用电路
根据PN结外加电压时的工作特点，利用三个PN结构成的大功率可控整流器件，即晶体闸流管，简称晶闸管（thyristor）。也称为硅可控元件。多用于可控整流、逆变、调压等电路，也可作为无触点开关。
1. 结构和等效模型
由于晶闸管是大功率器件，一般均用在较高电压和较大电流的情况，常常需要安装散热片，故其外形都制造得便于安装和散热。常见的晶闸管外形有螺栓形和平板形，如图332所示。此外，其封装形式有金属外壳和塑料外壳等。


图332晶闸管的外形


晶闸管的内部结构示意图如图333（a）所示，它由四层半导体材料组成，四层材料由P型半导体和N型半导体交替组成，分别为P1、N1、P2和N2，它们的接触面形成三个PN结，分别为J1、J2和J3，故晶闸管也称为四层器件或PNPN器件。P1区的引出线为阳极A，N2区的引出线为阴极C，P2区的引出线为控制极G。为了更好地理解晶闸管的工作原理，常将其N1和P2两个区域分解成两个部分，使得P1N1P2构成一只PNP型管，N1P2N2构成一只NPN型管，如图333（b）所示； 用晶体管的符号表示等效电路，如图333（c）所示； 晶闸管的符号如图333（d）所示。


图333晶闸管的结构、等效电路和符号


2. 工作原理
当晶闸管的阳极A和阴极C之间加正向电压而控制极不加电压时，J2处于反向偏置，管子不导通，称为阻断状态。
当晶闸管的阳极A和阴极C之间加正向电压且控制极和阴极之间也加正向电压时，如图334所示，J3处于导通状态。若T2管的基极电流为IB2，则其集电极电流为β2IB2； T1管的基极电流IB1等于T2管的集电极电流β2IB2，因而T1管的集电极电流IC1为β1β2IB2； 该电流又作为T2管的基极电流，再一次进行上述放大过程，形成正反馈。在很短的时间内（一般不超过几微秒），两只管子均进入饱和状态，使晶闸管完全导通，这个过程称为触发导通过程。晶闸管一旦导通后，阳极和阴极之间的电压一般为0.6~1.2V，电源电压几乎全部加在负载电阻R上； 阳极电流IA因型号不同变化范围为几十安至几千安。


图334晶闸管的工作原理


晶闸管如何从导通变为阻断呢？如果能够使阳极电流IA减小到小于一定数值IH，导致晶闸管不能维持正反馈过程，管子将关断，这种关断称为正向阻断，IH称为维持电流； 如果在阳极和阴极之间加反向电压，晶闸管也将关断，这种关断称为反相阻断。因此，控制极只能通过加正向电压控制晶闸管从阻断状态变为导通状态； 而要使晶闸管从导通状态变为阻断状态，则必须通过减小阳极电流或改变阳极阴极电压极性的方法实现。
3. 晶闸管的伏安特性
以晶闸管的控制极电流IG为参数变量，阳极电流i与AC间电压u的关系称为晶闸管的伏安特性，即


i=f(u)|IG（331）



图335所示为晶闸管的伏安特性曲线。
u>0时的伏安特性称为正向特性。从图335所示的伏安特性曲线可知，当IG=0时，u逐渐增大，在一定限度内，

图335晶闸管的伏安特性曲线

由于J2处于反向偏置，i为很小的正向漏电流，曲线与二极管的反向特性类似； 当u增大到一定数值后，晶闸管导通，i骤然增大，u迅速下降，曲线与二极管的方向特性类似； 电流的急剧增大容易造成晶闸管损坏。晶闸管正向临界导通时阳极阴极电压u称为转折电压UBO。正常工作时，应在控制极和阴极间加触发电压，因而IG大于零； 而且IG愈大，转折电压愈小，如图335所示。

u<0时的伏安特性称为反向特性。从图335所示的伏安特性曲线可知，晶闸管的反向特性与二极管的反向特性相似。当晶闸管的阳极和阴极之间加反向电压时，由于J1和J3均处于反向偏置，因而只有很小的反向电流IR； 当反向电压增大到一定数值时，反向电流骤然增大，管子击穿。
4. 晶闸管的主要参数
(1) 额定正向平均电流IF： 在环境温度小于40摄氏度和标准散热条件下，允许连续通过晶闸管阳极的工频（50Hz）正弦波半波电流的平均值。
(2) 维持电流IH： 在控制极开路且规定的环境温度下，晶闸管维持导通时的最小阳极电流。正向电流小于IH时，管子自动阻断。
(3) 触发电压UG和触发电流IG： 室温下，当u=6V时使晶闸管从阻断到完全导通所需的最小控制极直流电压和电流。一般，UG为1~5V，IG为几十至几百毫安。
(4) 正向重复峰值电压UDRM： 控制极开路的条件下，允许重复作用在晶闸管上的最大正向电压。一般UDRM=UBO×80%,UBO是晶闸管在IG为零时的转折电压。
(5) 反向重复峰值电压URRM： 控制极开路的条件下，允许重复作用在晶闸管上的最大反向电压。一般URRM=UBO×80%。
除以上参数外，还有正向平均电压、控制极反向电压等。
晶闸管具有体积小、重量轻、耐压值高、效率高、控制灵敏和使用寿命长等优点，半导体器件的应用从弱电领域，扩展到整流、逆变和调压等大功率电子电路中。
例33图336（a）所示为可控半波整流电路，已知输入电压ui和晶闸管控制极的电压uG波形如图336（b）所示； 在阳极与阴极间电压适合的情况下，uG=UH时可以使管子导通； 管子的导通管压降可以忽略不计。试定性画出负载电阻RL上电压uo的波形。


图336例33电路及波形图


解当ui<0时，不管uG为UH还是为UL，晶闸管均处于截止状态。当ui>0且uG=UH时，在uG的触发下，晶闸管导通。此时，即使uG变为UL，管子仍然维持导通状态。只有当ui下降使阳极电流减小到很小时，管子才阻断； 可以近似认为当ui下降到零时，管子关断。若管子的导通管压降可忽略不计，在管子导通时，uo≈ui。因此，uo的波形如图336（c）所示。
解题结论晶闸管导通需要两个条件： ①有触发信号； ②满足正向导通电压条件。

本章小结
场效应管是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。
(1) 场效应管分类。按照结构的不同，场效应管分为结型和绝缘栅型两种类型，MOS管属于绝缘栅型。每一类型均有两种沟道，N沟道和P沟道，两者的主要区别在于电压的极性和电流的方向不同。MOS管又分为增强型和耗尽型两种形式。
(2) 场效应管工作原理。正确理解场效应管工作原理的关键在于掌握电压uGS及uDS对导电沟道和电流iD的不同作用，并正确理解和掌握预夹断和夹断这两个状态的区别和条件。转移特性曲线和输出特性曲线描述了uGS、uDS和iD三者之间的关系。与三极管相类似，场效应管有截止区（即夹断区）、恒流区（即放大区）和可变电阻区三个工作区域。在恒流区，可将iD看成受电压uDS控制的电流源。gm、UP（或UT）、IDSS、IDM、PDM、U(BR)DS和极间电容是场效应管的主要参数。
(3) 场效应管放大电路分析。在场效应管放大电路中，直流偏置电路常采用自偏压电路（仅适合于耗尽型场效应管）和分压式偏压电路。场效应管共源极及共漏极放大电路分别与晶体三极管共射极及共集电极放大电路相对应，但比晶体三极管放大电路输入电阻高、噪声系数低、电压放大倍数小。
(4) 特殊种类三极管原理与应用。特殊种类三极管主要指电力三极管IGBT、晶闸管以及光电三极管。本章研究了它们的工作原理、应用场合。
习题
3.1选择题。
1. 场效应管（单极型管）与晶体三极管（双极型管）相比，最突出的优点是可以组成输入电阻的放大电路。此外它还有噪声、温度稳定性、抗辐射能力等优于晶体三极管的特点。
A. 高B. 低C. 好D. 强
2. 不定项选择题： 开启电压UT是的参数。夹断电压UP是的参数。
A. 增强型MOS管B.结型场效应管C. 耗尽型MOS管
3.2填空题。
1. 场效应管有、和 三个工作区。放大作用时，工作在。
2. 单结晶体管有个PN结，晶闸管有个PN结。
3.3判断下列说法的正误，在相应的括号内画T表示正确，画F表示错误。
1. 场效应管仅靠一种载流子导电。（）
2. 结型场效应管工作在恒流区时，其uGS小于零。（）
3. 场效应管是由电压即电场来控制电流的器件。（）
4. 增强型MOS管工作在恒流区时，其uGS大于零。（）
5. uGS=0时，耗尽型MOS管能够工作在恒流区。（）
6. 低频跨导gm是一个常数。（）
3.4试判断题图337所示的场效应管放大电路能否进行正常放大，并说明理由。


图337题3.4图


3.5设图338中的MOSFET的UT、UP均为1V，问它们各工作在什么区？


图338题3.5图


3.6电路如图339（a）所示，图339（b）是器件转移特性曲线，求解电路的Q点、电压增益、输入电阻、输出电阻。


图339题3.6图


3.7如图340所示，设场效应管的gm、rd很大； BJT的电流放大系数为β，输入电阻为rbe。试说明T1、T2各属什么组态，求电路的电压增益、输入电阻、输出电阻。


图340题3.7图



3.8在图341所示的四种电路中，RG均为100kΩ，RD均为3.3kΩ，VDD=10V，VGG=2V。又已知： T1的IDSS=3mA、UGS(off)=－5V； T2的IDSS=－6mA、UGS(off)=4V； T3的UGS(th)=3V；T4的IDSS=－2mA、UGS(off)=2V。试分析各电路中的场效应管工作于放大区、截止区、可变电阻区中的哪一个工作区？






图341题3.8图



3.9电路如图342所示。已知UDD=30V，RG1=RG2=1MΩ， RD=10kΩ，管子的UGS(th)=3V，且当UGS=5V时ID为0.8mA。试求管子的UGSQ、IDQ、UDSQ。
3.10电路如图343所示。设场效应管的跨导为gm，rds的影响必须考虑，各电容器的电容量均足够大。试求该电路输出电阻Ro的表达式。


图342题3.9图




图343题3.10图