模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)01-4-1講義(場效應(yīng)管)課件

場效應(yīng)晶體管FET場效應(yīng)管與三極管不同，它是利用多子導(dǎo)電，屬于單極型晶體管.結(jié)型場效應(yīng)管JFET絕緣柵型場效應(yīng)管MOSFET場效應(yīng)管有兩種:N溝道P溝道耗盡型增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管（IGFET）

絕緣柵場效應(yīng)管的柵極與其他電極絕緣。它利用柵源間電壓所產(chǎn)生的電場效應(yīng)控制半導(dǎo)體內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)絕緣材料的不同分為：金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管（簡稱MOSFET或MOS管）金屬—氮化硅—半導(dǎo)體場效應(yīng)管（簡稱MNSFET或MNS管）金屬—氧化鋁—半導(dǎo)體場效應(yīng)管（簡稱MALSFET）N溝道增強(qiáng)型MOSFET增強(qiáng)型NMOS管的結(jié)構(gòu)示意圖(立體圖)簡稱增強(qiáng)型NMOS管增強(qiáng)型NMOS管的工作原理(一)uGS對(duì)iD及導(dǎo)電溝道的控制作用

1.uGS=0MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數(shù)管子在出廠前已連接好)。增強(qiáng)型NMOS管的漏極d和源極s之間有兩個(gè)背靠背的PN結(jié)即使加上漏-源電壓uDS，而且不論uDS的極性如何，總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏-源極間沒有導(dǎo)電溝道，只有很小的漂移電流。這時(shí)漏極電流iD≈0。

2.uGS>0但uGS<UT（在柵-源極間加上正向電壓）柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中產(chǎn)生一個(gè)垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場;這個(gè)電場能排斥空穴而吸引電子，因而使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥，剩下不能移動(dòng)的受主離子(負(fù)離子)，形成耗盡層，同時(shí)P襯底中的電子（少子）被吸引到襯底表面。

當(dāng)uGS數(shù)值較小，吸引電子的能力不強(qiáng)時(shí)，漏-源極之間仍無導(dǎo)電溝道出現(xiàn)

3.uGS繼續(xù)增加uGS增加時(shí)，吸引到P襯底表面的電子就增多，當(dāng)uGS達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個(gè)N型薄層，且與兩個(gè)N+區(qū)相連通，在漏-源極間形成N型導(dǎo)電溝道，其導(dǎo)電類型與P襯底相反，故又稱為反型層;uGS越大，電場越強(qiáng)，吸引到P襯底表面的電子就越多，導(dǎo)電溝道越厚，溝道電阻越小。開始出現(xiàn)反型層時(shí)的柵-源電壓稱為開啟電壓，用UT表示。

(二)uDS對(duì)iD的影響(當(dāng)uGS>UT且為一確定值時(shí))當(dāng)uDS=0時(shí)，溝道里沒有電子的定向運(yùn)動(dòng)，iD=0；當(dāng)uDS＞0但較小（uDS<uGS–UT

）時(shí)，uGD=uGS

–uDS

(uGD>UT)，源漏極兩端溝道的厚度不相等。漏極電流iD沿溝道產(chǎn)生的電壓降使溝道內(nèi)各點(diǎn)與柵極間的電壓不再相等，靠近源極一端的電壓最大，這里溝道最厚；而漏極一端電壓最小，其值為因而這里溝道最薄。所以iD隨uDS近似呈線性變化。圖(a)隨著uDS的增大，靠近漏極的溝道越來越薄，當(dāng)uDS增加到使uGD=uGS-uDS=UT(或uDS=uGS-UT)時(shí)，溝道在漏極一端出現(xiàn)預(yù)夾斷，即只要uDS再增加一點(diǎn)，溝道就被夾斷，成為耗盡區(qū)。圖(b)

再繼續(xù)增大uDS，(uGD<UT)夾斷點(diǎn)將向源極方向移動(dòng)，圖(c)。由于uDS的增加部分幾乎全部降落在夾斷區(qū)(此處電阻大)

，而對(duì)溝道的橫向電場影響不大，溝道也從此基本恒定下來。故iD幾乎不隨uDS增大而增加，管子進(jìn)入飽和區(qū)(或恒流區(qū)、放大區(qū))，iD幾乎僅由vGS決定。圖(b)圖(c)輸出特性曲線：當(dāng)uDS=0時(shí)，漏極電流ID=0。當(dāng)uDS較小時(shí)，源漏極兩端溝道的寬度不相等，如圖(a)iD隨uDS的增大而增大，為曲線上升部分，即可變電阻區(qū)(RON:幾百歐)當(dāng)uDS增大到使uGD=UT時(shí)，產(chǎn)生臨界狀態(tài)（圖b），臨界狀態(tài)稱為預(yù)夾斷，此時(shí)uDS=uGS-UT。當(dāng)uDS繼續(xù)增大，耗盡區(qū)向源極擴(kuò)展（圖c），uDS增加值主要降落在耗盡區(qū)上，iD增加很少，即為恒流區(qū)。在恒流區(qū)內(nèi)，電流iD只受uGS控制，uGS越大，飽和電流越大，輸出特性為一組受uGS控制的近似平行線。耗盡型NMOS管的結(jié)構(gòu)示意圖N溝道耗盡型MOSFET

耗盡型NMOS管在制造過程中就形成了導(dǎo)電溝道，即uGS=0時(shí)就有導(dǎo)電溝道，所以只要uDS>0，漏極就有電流。耗盡型NMOS管的符號(hào)箭頭方向從P型溝道指向N區(qū)

輸出特性曲線：如果在柵極上加上正電壓，指向襯底的電場將增強(qiáng)，溝道加寬。uGS越大，溝道越寬，漏極電流越大。當(dāng)uGS<0時(shí)，電場減弱，溝道變窄，漏極電流減小。uGS可正可負(fù)當(dāng)uGS小到某一值時(shí)，原始溝道消失，漏極電流趨近于零，管子截止。這個(gè)臨界的負(fù)電壓稱為夾斷電壓（UP）。夾斷電壓UP轉(zhuǎn)移特性曲線：類型符號(hào)在放大狀態(tài)下uGSuDS轉(zhuǎn)移特性輸出特性N溝道耗盡型N溝道增強(qiáng)型絕緣柵型場效應(yīng)管的特性:類型符號(hào)在放大狀態(tài)下uGSuDS轉(zhuǎn)移特性輸出特性P溝道耗盡型P溝道增強(qiáng)型絕緣柵型場效應(yīng)管的特性:MOS管的開關(guān)作用：(1)N溝道增強(qiáng)型MOS管+VDD+10VRD20kBGDSuIuO+VDD+10VRD20kGDSuIuO開啟電壓UTN=2ViD+VDD+10VRD20kGDSuIuORONRDMOS門的開關(guān)作用MOS門

D、S極之間的開關(guān)狀態(tài)受UGS的控制增強(qiáng)型：N溝道P溝道UGS>

UT

>0

(開啟電壓）UGS<UT

DS斷開DS導(dǎo)通（幾百歐）UGS<UT<0

(開啟電壓）UGS>UTDS導(dǎo)通（幾百歐）DS斷開1MOS管非門MOS管截止2.MOS管導(dǎo)通（在可變電阻區(qū)）真值表0110AY+VDD+10VRD20kBGDSuIuO1.+-uGS+-uDS故2.CMOS反相器CMOS電路Complementary-Symmetry

MOS互補(bǔ)對(duì)稱式MOST2(負(fù)載管）T1(驅(qū)動(dòng)管）PMOS管NMOS管T1:ONT2:OFFOFFON同一電平:+UDDSDADSGF1)結(jié)構(gòu)“0”(0V)UGS>UT<0截止+UDDSDADSGT2T1PMOSNMOSUGS>UT>0導(dǎo)通“1”(+UDD)FUA=UDD

3.CMOS與非門&ABFF=+UDDAFT2T1BT3T4SSSSGG工作原理:結(jié)構(gòu):00

101

110

111

0ABT1T2T3T4F4.CMOS或非門ABT1T2T3T4FABFF=+UDDFAT2T1BT3T4GGSSS工作原理:結(jié)構(gòu):00

××101××0

10×

×

0

11××

0

二、三態(tài)輸出與非門（TS門）(ThreeState)三種狀態(tài)高電平低電平高阻狀態(tài)（禁止?fàn)顟B(tài)）標(biāo)準(zhǔn)與非門輸出狀態(tài)&ABF符號(hào)：功能表：0