詳解，N溝道MOS管和P溝道MOS管

• 來源：hth体育官网登录 更新時間：2020-08-29 09:39:08點擊：6次

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  詳解，N溝道MOS管和P溝道MOS管

  
  

  
  

  先講講MOS/CMOS集成電路

   

  MOS集成電路特點：

  製造工藝比較簡單、成品率較高、功耗低、組成的邏輯電路比較簡單，集成度高、抗幹擾能力強，特別適合於(yu) 大規模集成電路。

   

  MOS集成電路包括:

  NMOS管組成的NMOS電路、PMOS管組成的PMOS電路及由NMOS和PMOS兩(liang) 種管子組成的互補MOS電路，即CMOS電路。

   

  PMOS門電路與(yu) NMOS電路的原理完全相同，隻是電源極性相反而已。

   

  數字電路中MOS集成電路所使用的MOS管均為(wei) 增強型管子，負載常用MOS管作為(wei) 有源負載，這樣不僅(jin) 節省了矽片麵積，而且簡化了工藝利於(yu) 大規模集成。常用的符號如圖1所示。

   

   

   

  N溝MOS晶體(ti) 管

   

  金屬-氧化物-半導體(ti) (Metal-Oxide-SemIConductor)結構的晶體(ti) 管簡稱MOS晶體(ti) 管，有P型MOS管和N型MOS管之分。MOS管構成的集成電路稱為(wei) MOS集成電路，而PMOS管和NMOS管共同構成的互補型MOS集成電路即為(wei) CMOS集成電路。

   

  由p型襯底和兩(liang) 個(ge) 高濃度n擴散區構成的MOS管叫作n溝道MOS管，該管導通時在兩(liang) 個(ge) 高濃度n擴散區間形成n型導電溝道。n溝道增強型MOS管必須在柵極上施加正向偏壓，且隻有柵源電壓大於(yu) 閾值電壓時才有導電溝道產(chan) 生的n溝道MOS管。n溝道耗盡型MOS管是指在不加柵壓（柵源電壓為(wei) 零）時，就有導電溝道產(chan) 生的n溝道MOS管。

   

  NMOS集成電路是N溝道MOS電路，NMOS集成電路的輸入阻抗很高，基本上不需要吸收電流，因此，CMOS與(yu) NMOS集成電路連接時不必考慮電流的負載問題。NMOS集成電路大多采用單組正電源供電，並且以5V為(wei) 多。CMOS集成電路隻要選用與(yu) NMOS集成電路相同的電源，就可與(yu) NMOS集成電路直接連接。不過，從(cong) NMOS到CMOS直接連接時，由於(yu) NMOS輸出的高電平低於(yu) CMOS集成電路的輸入高電平，因而需要使用一個(ge) （電位）上拉電阻R，R的取值一般選用2～100KΩ。

   

  N溝道增強型MOS管的結構

  在一塊摻雜濃度較低的P型矽襯底上，製作兩(liang) 個(ge) 高摻雜濃度的N+區，並用金屬鋁引出兩(liang) 個(ge) 電極，分別作漏極d和源極s。

   

  然後在半導體(ti) 表麵覆蓋一層很薄的二氧化矽(SiO2)絕緣層，在漏——源極間的絕緣層上再裝上一個(ge) 鋁電極,作為(wei) 柵極g。

   

  在襯底上也引出一個(ge) 電極B，這就構成了一個(ge) N溝道增強型MOS管。MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數管子在出廠前已連接好)。

   

  它的柵極與(yu) 其它電極間是絕緣的。

   

  圖(a)、(b)分別是它的結構示意圖和代表符號。代表符號中的箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。P溝道增強型MOS管的箭頭方向與(yu) 上述相反，如圖(c)所示。

   

   

   

  N溝道增強型MOS管的工作原理

   

  （1）vGS對iD及溝道的控製作用

  ① vGS=0 的情況

  從(cong) 圖1(a)可以看出，增強型MOS管的漏極d和源極s之間有兩(liang) 個(ge) 背靠背的PN結。當柵——源電壓vGS=0時，即使加上漏——源電壓vDS，而且不論vDS的極性如何，總有一個(ge) PN結處於(yu) 反偏狀態，漏——源極間沒有導電溝道，所以這時漏極電流iD≈0。

   

  ② vGS>0 的情況

  若vGS＞0，則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chan) 生一個(ge) 電場。電場方向垂直於(yu) 半導體(ti) 表麵的由柵極指向襯底的電場。這個(ge) 電場能排斥空穴而吸引電子。

  排斥空穴：使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥，剩下不能移動的受主離子(負離子)，形成耗盡層。吸引電子：將 P型襯底中的電子（少子）被吸引到襯底表麵。

   

  （2）導電溝道的形成：

  當vGS數值較小，吸引電子的能力不強時，漏——源極之間仍無導電溝道出現，如圖1(b)所示。vGS增加時，吸引到P襯底表麵層的電子就增多，當vGS達到某一數值時，這些電子在柵極附近的P襯底表麵便形成一個(ge) N型薄層，且與(yu) 兩(liang) 個(ge) N+區相連通，在漏——源極間形成N型導電溝道，其導電類型與(yu) P襯底相反，故又稱為(wei) 反型層，如圖1(c)所示。vGS越大，作用於(yu) 半導體(ti) 表麵的電場就越強，吸引到P襯底表麵的電子就越多，導電溝道越厚，溝道電阻越小。

   

  開始形成溝道時的柵——源極電壓稱為(wei) 開啟電壓，用VT表示。

   

  上麵討論的N溝道MOS管在vGS＜VT時，不能形成導電溝道，管子處於(yu) 截止狀態。隻有當vGS≥VT時，才有溝道形成。這種必須在vGS≥VT時才能形成導電溝道的MOS管稱為(wei) 增強型MOS管。溝道形成以後，在漏——源極間加上正向電壓vDS，就有漏極電流產(chan) 生。

   

  vDS對iD的影響

   

   

   

  如圖(a)所示，當vGS>VT且為(wei) 一確定值時，漏——源電壓vDS對導電溝道及電流iD的影響與(yu) 結型場效應管相似。

   

  漏極電流iD沿溝道產(chan) 生的電壓降使溝道內(nei) 各點與(yu) 柵極間的電壓不再相等，靠近源極一端的電壓最大，這裏溝道最厚，而漏極一端電壓最小，其值為(wei) VGD=vGS－vDS，因而這裏溝道最薄。但當vDS較小（vDS<vGS–VT）時，它對溝道的影響不大，這時隻要vGS一定，溝道電阻幾乎也是一定的，所以iD隨vDS近似呈線性變化。

   

  隨著vDS的增大，靠近漏極的溝道越來越薄，當vDS增加到使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)時，溝道在漏極一端出現預夾斷，如圖2(b)所示。再繼續增大vDS，夾斷點將向源極方向移動，如圖2(c)所示。由於(yu) vDS的增加部分幾乎全部降落在夾斷區，故iD幾乎不隨vDS增大而增加，管子進入飽和區，iD幾乎僅(jin) 由vGS決(jue) 定。

   

  N溝道增強型MOS管的特性曲線、電流方程及參數

   

  （1）特性曲線和電流方程

   

   

   

  1）輸出特性曲線

  N溝道增強型MOS管的輸出特性曲線如圖1(a)所示。與(yu) 結型場效應管一樣,其輸出特性曲線也可分為(wei) 可變電阻區、飽和區、截止區和擊穿區幾部分。

   

  2）轉移特性曲線

  轉移特性曲線如圖1(b)所示,由於(yu) 場效應管作放大器件使用時是工作在飽和區(恒流區),此時iD幾乎不隨vDS而變化,即不同的vDS所對應的轉移特性曲線幾乎是重合的,所以可用vDS大於(yu) 某一數值(vDS＞vGS-VT)後的一條轉移特性曲線代替飽和區的所有轉移特性曲線。

   

  3）iD與(yu) vGS的近似關(guan) 係

  與(yu) 結型場效應管相類似。在飽和區內(nei) ,iD與(yu) vGS的近似關(guan) 係式為(wei)

   

   

   

  式中IDO是vGS=2VT時的漏極電流iD。

   

  （2）參數

  MOS管的主要參數與(yu) 結型場效應管基本相同，隻是增強型MOS管中不用夾斷電壓VP ，而用開啟電壓VT表征管子的特性。

   

  N溝道耗盡型MOS管的基本結構

   

   

   

  （1）結構：

  N溝道耗盡型MOS管與(yu) N溝道增強型MOS管基本相似。

   

  （2）區別：

  耗盡型MOS管在vGS=0時，漏——源極間已有導電溝道產(chan) 生，而增強型MOS管要在vGS≥VT時才出現導電溝道。

   

  （3）原因：

  製造N溝道耗盡型MOS管時，在SiO2絕緣層中摻入了大量的堿金屬正離子Na+或K+(製造P溝道耗盡型MOS管時摻入負離子)，如圖1(a)所示，因此即使vGS=0時，在這些正離子產(chan) 生的電場作用下，漏——源極間的P型襯底表麵也能感應生成N溝道(稱為(wei) 初始溝道)，隻要加上正向電壓vDS，就有電流iD。

   

  如果加上正的vGS，柵極與(yu) N溝道間的電場將在溝道中吸引來更多的電子，溝道加寬，溝道電阻變小，iD增大。反之vGS為(wei) 負時，溝道中感應的電子減少，溝道變窄，溝道電阻變大，iD減小。當vGS負向增加到某一數值時，導電溝道消失，iD趨於(yu) 零，管子截止，故稱為(wei) 耗盡型。溝道消失時的柵－源電壓稱為(wei) 夾斷電壓，仍用VP表示。與(yu) N溝道結型場效應管相同，N溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓VP也為(wei) 負值，但是，前者隻能在vGS<0的情況下工作。而後者在vGS=0，vGS>0，VP<vGS<0的情況下均能實現對iD的控製，而且仍能保持柵——源極間有很大的絕緣電阻,使柵極電流為(wei) 零。這是耗盡型MOS管的一個(ge) 重要特點。圖(b)、(c)分別是N溝道和P溝道耗盡型MOS管的代表符號。

   

  （4）電流方程：

   

   

   

  在飽和區內(nei) ，耗盡型MOS管的電流方程與(yu) 結型場效應管的電流方程相同，即：

  各種場效應管特性比較

   

   

   

  P溝MOS晶體(ti) 管

  金屬氧化物半導體(ti) 場效應(MOS)晶體(ti) 管可分為(wei) N溝道與(yu) P溝道兩(liang) 大類，P溝道矽MOS場效應晶體(ti) 管在N型矽襯底上有兩(liang) 個(ge) P+區，分別叫做源極和漏極，兩(liang) 極之間不通導，柵極上加有足夠的正電壓(源極接地)時，柵極下的N型矽表麵呈現P型反型層，成為(wei) 連接源極和漏極的溝道。改變柵壓可以改變溝道中的電子密度，從(cong) 而改變溝道的電阻。這種MOS場效應晶體(ti) 管稱為(wei) P溝道增強型場效應晶體(ti) 管。如果N型矽襯底表麵不加柵壓就已存在P型反型層溝道，加上適當的偏壓，可使溝道的電阻增大或減小。這樣的MOS場效應晶體(ti) 管稱為(wei) P溝道耗盡型場效應晶體(ti) 管。統稱為(wei) PMOS晶體(ti) 管。

   

  P溝道MOS晶體(ti) 管的空穴遷移率低,因而在MOS晶體(ti) 管的幾何尺寸和工作電壓絕對值相等的情況下，PMOS晶體(ti) 管的跨導小於(yu) N溝道MOS晶體(ti) 管。此外，P溝道MOS晶體(ti) 管閾值電壓的絕對值一般偏高，要求有較高的工作電壓。它的供電電源的電壓大小和極性,與(yu) 雙極型晶體(ti) 管——晶體(ti) 管邏輯電路不兼容。PMOS因邏輯擺幅大，充電放電過程長，加之器件跨導小，所以工作速度更低，在NMOS電路(見N溝道金屬—氧化物—半導體(ti) 集成電路)出現之後，多數已為(wei) NMOS電路所取代。隻是,因PMOS電路工藝簡單,價(jia) 格便宜，有些中規模和小規模數字控製電路仍采用PMOS電路技術。

   

  PMOS集成電路是一種適合在低速、低頻領域內(nei) 應用的器件。PMOS集成電路采用-24V電壓供電。如圖5所示的CMOS-PMOS接口電路采用兩(liang) 種電源供電。采用直接接口方式，一般CMOS的電源電壓選擇在10～12V就能滿足PMOS對輸入電平的要求。

   

   

   

  MOS場效應晶體(ti) 管具有很高的輸入阻抗，在電路中便於(yu) 直接耦合，容易製成規模大的集成電路。

  各種場效應管特性比較

  
  

  

  
  

  
  

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