场效应三极管及其放大电路(1)MOSFET详解

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了场效应三极管及其放大电路(1)MOSFET详解。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

目录

MOS管种类

MOS管结构和工作原理

NMOS管增强型结构

NMOS管增强型工作原理 

阈值电压VTN和截止区

可变电阻区

 恒流区形成

I-V特性曲线及特性方程

总结

NMOS耗尽型 

与NMOS增强型区别

I-V特性曲线及特性方程

总结

PMOS增强型 

与NMOS增强型区别

I-V特性曲线及特性方程

PMOS耗尽型 

与PMOS增强型区别

MOS管符号 

增强型和耗尽型区分

PMOS和NMOS区分

g,s,d如何区分


MOS管种类

MOS管从导电载流子来看,有N沟道的MOSFET和P沟道的MOSFET,常称为NMOS管PMOS管。而按照导电沟道形成机理不同,它们又各自分为增强型E型耗尽型D型两种。因此MOS管有四种:增强型PMOS管增强型NMOS管耗尽型PMOS管耗尽型NMOS管

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MOS管结构和工作原理

NMOS管增强型结构

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先看上面两张图,第一张是NMOS管的结构图,第二张是NMOS管的纵剖面图。看起来密密麻麻的字,很让人看的心烦。

从下往上讲,简单来说就是:

衬底是参杂了P型硅半导体,然后在这个衬底的两端加入了两块N型半导体。

中间这个沟道没有满足条件的时候是没有的(图一是满足了条件的时候,图二是没有满足条件的时候),先不要管他,后面会讲,你直接把他看成是P型衬底的一部分即可。

在P型衬底上方增加了三块很薄的二氧化硅绝缘层(最两边两个白色部分,和标有tox的白色部分)。

在最上面加上三个铝电极(最上面三个黑色的部分),用于导电。这三块铝电极分别称为栅极g(gate),源极s(source),漏极d(drain)。

因为我们形成的沟道是带负电的电子,所以我们将这个MOS管称之为NMOS管。

NMOS管增强型工作原理 

阈值电压VTN和截止区

根据上面的结构图和纵剖面图我们知道,场效应其实就是两个方向相反的二极管的组合(如下图)。中间是P型半导体,两边是N型半导体,最后形成方向相反的两个二极管。

因为二极管具有单向导通的特性,所以现在我们在漏极d和源极s之间增加电压,无论电压方向如何都是不会有电流的。

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 于是我们尝试在栅极g处增加电压,电池正极接g,负极接衬底和s极,衬底和s极作为零电势点。(如下图)

因为电池的负极接衬底,衬底又是P型半导体,里面具有大量的空穴会吸引电子,所以现在P型半导体中有一定量的电子。又因为栅极g连接了正极,而栅极g和P型半导体之间的绝缘层很薄,可以产生一个的电场,这个时候P型半导体中的自由电子就会逐渐聚集在两个N型半导体中间,当电压越多,聚集在两个N型半导体中间的自由电子越多。当电子超过一定数量的时候,N沟道就形成了,而这个时候的电压,我们称为VTN

现在我们知道沟道形成需要Vgs≥VTN,而Vgs<VTN无沟道产生。沟道的作用就是连接左右两个N型半导体的通道,如果沟道没有,那么就不会有电流产生(相当于两个反向的二极管),这个时候我们称为截止区。如果产生了沟道,那么就相当于两个N型半导体中间的空穴被挤下去了,这个时候两个方向相反的二极管被一个电阻所取代。(这个电阻的阻值由Vgs决定)。

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可变电阻区

当我们固定Vgs(Vgs≥VTN),可以知道,Vds越小,iD肯定越大。这个时候我们把Vds除以iD的值称为沟道电阻。但是当我们固定Vds,改变Vgs的时候,因为产生的沟道厚度不同,电阻率也不同,于是沟道电阻也会改变,于是我们把这个区域称为可变电阻区

 恒流区形成

 当我们固定Vgs的时候,随着Vds从0逐渐增大,iD会随之快速上升。但是我们知道,Vds和Vgs是公用同一个s点的,所以说。当Vds不断增大的时候,而Vgs是个固定值,那么Vgd就会不断减小。当Vgd减小到VTN的时候,此刻漏极处会产生一个夹断点。当Vds继续增大,Vgd也会继续减小,那么夹断点会变成夹断层。(如下图)

那么有人会有疑惑了,都夹断了,怎么还会有电流呢?因为Vgs电压是固定的,当Vdd增大的时候,Vdg会增大(Vgd减小,Vgd=-Vdg)。这个Vdg的电压会降落在夹断区,这个时候在夹断区的水平方向会产生一个从漏极d到源极s的电场,促进沟道中的自由电子穿过夹断区漂移到漏极区,形成漏电流。

最后的结果就是,当的时候,此时电流稳定不变

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I-V特性曲线及特性方程

可变电阻区,科学家发现了这个公式:

原点附近,因为非常的小,所以可以忽略的影响,那么上面这个公式可以近似的看成

因为恒流区的电流都一样,所以恒流区的电流就是时刻的电流。在恒流区的公式如下:

下图为增强型NMOS管输出特性曲线,我们能够看到很多条线,这些线表示不同值的情况下,固定改变的输出曲线。 注意:当选取好了之后,在这个图中就是定值了。也就是其中的一条轨迹线。

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 因为在恒流区与几乎无关,转移特性近似一条直线。所以我们可以做出恒流区,因为改变导致的改变图形。根据上图,在固定为5V的区域做出ABCD四个点。根据这个四个点画出下图 

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总结

综上所述,我们可以得出

Vgs<VTN,iD=0,此时为截止区

Vds<Vgs-VTNVgs≥VTN,此时为可变电阻区

 在原点附近

Vds≥Vgs-VTNVgs≥VTN,此时为恒流区

NMOS耗尽型 

与NMOS增强型区别

N 沟道耗尽型MOS管和增强型MOS管区别在于,耗尽型MOS管的栅极g下面的这个绝缘层已经注入了大量的正离子,这样导致耗尽型MOS一开始就有沟道

N沟道耗尽型MOS管的特性几乎和增强型MOS管一样,也是Vgs≥VTN形成沟道,只不过这个VTN是个负数pmos管截止区,# 电路设计,单片机,嵌入式硬件

I-V特性曲线及特性方程

N沟道耗尽型MOS管的可变电阻区和恒流区条件与增强型MOS管一样:

 ⑴Vgs<VTN,iD=0,此时为截止区

Vds<Vgs-VTNVgs≥VTN,此时为可变电阻区

 在原点附近

Vds≥Vgs-VTNVgs≥VTN,此时为恒流区

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 耗尽型NMOS管的恒流区转移特性曲线,就是增强型NMOS管向左移。pmos管截止区,# 电路设计,单片机,嵌入式硬件

总结

总结一句话,耗尽型MOS管与增强型MOS管的唯一区别在于耗尽型MOS管的VTN是个负数,他的沟道在不加Vgs的时候就已经形成了

PMOS增强型 

与NMOS增强型区别

PMOS增强型MOS管(右侧为PMOS)与NMOS增强型的MOS管(左侧为NMOS)区别在于,PMOS管的衬底是N型半导体,沟道为带正电的空穴

P沟道增强型MOS管的特性几乎和P沟道增强型MOS管完全相反

PMOS管产生沟道的条件为Vgs≤VTP(注意,这里是VTP不是VTN,但是都表示阈值电压)。

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I-V特性曲线及特性方程

,iD=0,此时为截止区

和,此时为可变电阻区

 在原点附近

和,此时为恒流区

以下分别为输出特性曲线(固定改变,图a)和转移特性曲线(固定改变,图b)

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PMOS耗尽型 

与PMOS增强型区别

与增强型NMOS与耗尽型NMOS管的区别一摸一样,也是在栅极下方的二氧化硅多加了正电荷,从一开始就有沟道。输出特性曲线一模一样(固定改变),就是耗尽型PMOS的可以整数,增强型PMOS不可以。

下图为耗尽型PMOS转移特性曲线 (固定改变)

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MOS管符号 

一般来说我们都是要根据符号判断什么类型的MOS管,其实就两点。

增强型和耗尽型区分

第一,衬底部分是否为虚线,虚线表示增强型MOS管( 如果没有电压,不导通的,图c),实线表示耗尽型MOS管(即使没有电压,也是导通的,图b)

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PMOS和NMOS区分

第二,衬底箭头指向,如果是指向栅极g的方向表示NMOS管(图c),如果指向远离栅极g的方向表示PMOS管(图a)。

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g,s,d如何区分

(1)首先中间这个是栅极g,这个不需要讲。

(2)我们看栅极这个长边指向那个方向,如果是指向下面,那么下面这个就是源极s,如果指向上面,那么上面那个就是源极。

(3)当栅极g,源极s都确定的时候。另外一个没有确定的就是漏极d。

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