N溝道和P溝道MOS管精編版

1、MOS/CMOS集成電路簡(jiǎn)介及N溝道 MOS管和 P 溝道 MOS管在實(shí)際項(xiàng)目中，我們基本都用增強(qiáng)型mos 管，分為 N 溝道和 P 溝道兩種。我們常用的是 NMOS ，因?yàn)槠鋵?dǎo)通電阻小，且容易制造。在 MOS 管原理圖上可以看到，漏極和源極之間有一個(gè)寄生二極管。這個(gè)叫體二極管，在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載（如馬達(dá)），這個(gè)二極管很重要。順便說一句，體二極管只在單個(gè)的 MOS 管中存在，在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒有的。1.導(dǎo)通特性NMOS 的特性， Vgs 大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接地時(shí)的情況（低1端驅(qū)動(dòng)），只要柵極電壓達(dá)到4V 或 10V 就可以了。PMOS 的特性， Vgs 小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通

2、，適合用于源極接VCC 時(shí)的情況（高端驅(qū)動(dòng)）。但是，雖然PMOS 可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng)，但由于導(dǎo)通電阻大，價(jià)格貴，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動(dòng)中，通常還是使用NMOS 。2.MOS 開關(guān)管損失不管是 NMOS 還是 PMOS ，導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在，這樣電流就會(huì)在這個(gè)電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗。選擇導(dǎo)通電阻小的MOS 管會(huì)減小導(dǎo)通損耗?，F(xiàn)在的小功率MOS 管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。MOS 在導(dǎo)通和截止的時(shí)候，一定不是在瞬間完成的。MOS 兩端的電壓有一個(gè)下降的過程，流過的電流有一個(gè)上升的過程，在這段時(shí)間內(nèi)，MOS 管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開關(guān)損

3、失。通常開關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開關(guān)頻率越高，損失也越大。導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大?？s短開關(guān)時(shí)間，可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失；降低開關(guān)頻率，可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失。3.MOS 管驅(qū)動(dòng)跟雙極性晶體管相比，一般認(rèn)為使MOS 管導(dǎo)通不需要電流，只要GS 電壓高于一定的值，就可以了。這個(gè)很容易做到，但是，我們還需要速度。在 MOS 管的結(jié)構(gòu)中可以看到，在 GS ，GD 之間存在寄生電容，而 MOS 管的驅(qū)動(dòng)，實(shí)際上就是對(duì)電容的充放電。對(duì)電容的充電需要一個(gè)電流，因?yàn)閷?duì)電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會(huì)比較大。選擇 /設(shè)計(jì) MOS

4、 管驅(qū)動(dòng)時(shí)第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。第二注意的是，普遍用于高端驅(qū)動(dòng)的 NMOS ，導(dǎo)通時(shí)需要是柵極電壓大于源極2電壓。而高端驅(qū)動(dòng)的 MOS 管導(dǎo)通時(shí)源極電壓與漏極電壓（ VCC ）相同，所以這時(shí)柵極電壓要比 VCC 大 4V 或 10V。如果在同一個(gè)系統(tǒng)里，要得到比 VCC 大的電壓，就要專門的升壓電路了。很多馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器都集成了電荷泵，要注意的是應(yīng)該選擇合適的外接電容，以得到足夠的短路電流去驅(qū)動(dòng)MOS 管。2009-03-20 11:18MOS/CMOS集成電路MOS集成電路 特點(diǎn)：制造工藝比較簡(jiǎn)單、 成品率較高、功耗低、組成的邏輯電路比較簡(jiǎn)單， 集成度高、抗干擾能力強(qiáng)，特別適合

5、于大規(guī)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兩種管子組成的互補(bǔ) MOS電路，即 CMOS電路 。PMOS門電路與 NMOS電路的原理完全相同，只是電源極性相反 而已。數(shù)字電路中 MOS集成電路所使用的 MOS管均為增強(qiáng)型管子，負(fù)載常用 MOS管作為有源負(fù)載，這樣不僅節(jié)省了硅片面積， 而且簡(jiǎn)化了工藝?yán)诖笠?guī)模集成。 常用的符號(hào)如圖 1 所示。N溝 MOS晶體管金屬 - 氧化物 - 半導(dǎo)體 (Metal-Oxide-SemIConductor) 結(jié)構(gòu)的晶體管簡(jiǎn)稱 MOS晶體管，有 P 型 MOS管和 N 型 M

6、OS管之分。MOS管構(gòu)成的集成電路稱為 MOS集成電路 ，而 PMOS管和 NMOS管共同構(gòu)成的互補(bǔ)型 MOS集成電路即為 CMOS集成電路 。由 p 型襯底和兩個(gè)高濃度 n 擴(kuò)散區(qū)構(gòu)成的 MOS管叫作 n 溝道 MOS管，該管導(dǎo)通時(shí)在兩個(gè)高濃度 n 擴(kuò)散區(qū)間形成 n 型導(dǎo)電溝道。 n 溝道增強(qiáng)型 MOS管必須在柵極上3施加正向偏壓， 且只有柵源電壓大于閾值電壓時(shí)才有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生的 n 溝道 MOS 管。 n 溝道耗盡型 MOS管是指在不加?xùn)艍海旁措妷簽榱悖r(shí)，就有導(dǎo)電溝道產(chǎn)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

7、流，因此，CMOS與 NMOS集成電路連接時(shí)不必考慮電流的負(fù)載問題。 NMOS 集成電路大多采用單組正電源供電，并且以 5V 為多。 CMOS集成電路只要選用與NMOS集成電路相同的電源，就可與 NMOS集成電路直接連接。不過，從 NMOS到CMOS直接連接時(shí)，由于 NMOS輸出的高電平低于 CMOS集成電路的輸入高電平，因而需要使用一個(gè)（電位）上拉電阻R， R 的取值一般選用 2100K。N溝道增強(qiáng)型 MOS管的結(jié)構(gòu)在一塊摻雜濃度較低的 P 型硅襯底上，制作兩個(gè)高摻雜濃度的 N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個(gè)電極，分別作漏極 d 和源極 s。然后在半導(dǎo)體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅 (SiO2) 絕緣

8、層，在漏源極間的絕緣層上再裝上一個(gè)鋁電極 , 作為柵極 g。在襯底上也引出一個(gè)電極 B，這就構(gòu)成了一個(gè) N溝道增強(qiáng)型 MOS管。 MOS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 ) 。它的柵極與其它電極間是絕緣的。圖 (a) 、(b) 分別是它的結(jié)構(gòu)示意圖和代表符號(hào)。代表符號(hào)中的箭頭方向表示由P( 襯底 ) 指向 N(溝道 ) 。 P 溝道增強(qiáng)型 MOS管的箭頭方向與上述相反，如圖 (c) 所示。4N溝道增強(qiáng)型 MOS管的工作原理（ 1） vGS對(duì) iD 及溝道的控制作用 vGS=0 的情況從圖 1(a) 可以看出，增強(qiáng)型 MOS管的漏極 d 和源極 s 之間有兩個(gè)背靠背

9、的 PN結(jié)。當(dāng)柵源電壓 vGS=0時(shí)，即使加上漏源電壓 vDS，而且不論 vDS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，所以這時(shí)漏極電流 iD 0。 vGS>0 的情況若 vGS0，則柵極和襯底之間的 SiO2 絕緣層中便產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)。電場(chǎng)方向垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)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(dòng)的受主離子 ( 負(fù)離子 ) ，形成耗盡層。吸引電子：將 P 型襯底中的電子（少子）被吸引到襯底表面。（ 2）導(dǎo)電溝道的形成：當(dāng) vGS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)

10、，如圖 1(b) 所示。 vGS增加時(shí)，吸引到 P 襯底表面層的電子就增多， 當(dāng) vGS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)5N+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，如圖 1(c) 所示。 vGS越大，作用于半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)就越強(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。開始形成溝道時(shí)的柵源極電壓稱為開啟電壓，用VT表示。上面討論的 N 溝道 MOS管在 vGS VT時(shí)，不能形成導(dǎo)電溝道，管子處于截止?fàn)顟B(tài)。只有當(dāng) vGSVT 時(shí)，才有溝道形成。 這種必須在 vGSVT 時(shí)才能形

11、成導(dǎo)電溝道的MOS管稱為增強(qiáng)型 MOS管。溝道形成以后，在漏源極間加上正向電壓 vDS，就有漏極電流產(chǎn)生。vDS對(duì) iD 的影響如圖 (a) 所示，當(dāng) vGS>VT且為一確定值時(shí)， 漏源電壓 vDS對(duì)導(dǎo)電溝道及電流 iD 的影響與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相似。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 VGD=vGSvDS，因而這里溝道最薄。但當(dāng) vDS較小（ vDS<vGSVT）時(shí)，它對(duì)溝道的影響不大，這時(shí)只要 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

12、大，靠近漏極的溝道越來越薄，當(dāng) vDS增加到使 VGD=vGSvDS=VT(或 vDS=vGSVT)時(shí)，溝道在漏極一端出現(xiàn)預(yù)夾斷， 如圖 2(b) 所示。再繼續(xù)增大 vDS，夾斷點(diǎn)將向源極方向移動(dòng)， 如圖 2(c) 所示。由于 vDS的增加部分幾乎全部降落在夾斷區(qū)，故 iD 幾乎不隨 vDS增大而增加，管子進(jìn)入飽和區(qū)， iD 幾乎僅由 vGS決定。N溝道增強(qiáng)型 MOS管的特性曲線、電流方程及參數(shù)（ 1） 特性曲線和電流方程61）輸出特性曲線N溝道增強(qiáng)型 MOS管的輸出特性曲線如圖 1(a) 所示。與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一樣 , 其輸出特性曲線也可分為可變電阻區(qū)、飽和區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū)幾部分。2）轉(zhuǎn)移特

13、性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線如圖1(b) 所示 , 由于場(chǎng)效應(yīng)管作放大器件使用時(shí)是工作在飽和區(qū)( 恒流區(qū) ), 此時(shí) iD 幾乎不隨 vDS而變化 , 即不同的 vDS所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線幾乎是重合的 , 所以可用 vDS大于某一數(shù)值 (vDSvGS-VT)后的一條轉(zhuǎn)移特性曲線代替飽和區(qū)的所有轉(zhuǎn)移特性曲線 .3）iD 與 vGS的近似關(guān)系與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相類似。在飽和區(qū)內(nèi),iD 與 vGS的近似關(guān)系式為式中 IDO 是 vGS=2VT時(shí)的漏極電流 iD 。（ 2）參數(shù)MOS管的主要參數(shù)與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管基本相同， 只是增強(qiáng)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 MO

14、S管的基本結(jié)構(gòu)7（ 1）結(jié)構(gòu)：N溝道耗盡型 MOS管與 N溝道增強(qiáng)型 MOS管基本相似。（ 2）區(qū)別：耗盡型 MOS管在 vGS=0時(shí)，漏源極間已有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生，而增強(qiáng)型 MOS管要在 vGSVT 時(shí)才出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。（ 3）原因：制造 N 溝道耗盡型 MOS管時(shí)，在 SiO2 絕緣層中摻入了大量的堿金屬正離子 Na+ 或 K+(制造 P 溝道耗盡型 MOS管時(shí)摻入負(fù)離子 ) ，如圖 1(a) 所示，因此即使 vGS=0 時(shí)，在這些正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下， 漏源極間的 P 型襯底表面也能感應(yīng)生成 N 溝道 ( 稱為初始溝道 ) ，只要加上正向電壓 vDS，就有電流 iD 。如果加上正的 vGS，

15、柵極與 N 溝道間的電場(chǎng)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為負(fù)時(shí)，溝道中感應(yīng)的電子減少，溝道變窄，溝道電阻變大， iD 減小。當(dāng) vGS負(fù)向增加到某一數(shù)值時(shí)，導(dǎo)電溝道消失， iD 趨于零，管子截止，故稱為耗盡型。溝道消失時(shí)的柵源電壓稱為夾斷電壓，仍用 VP表示。與 N 溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相同， N溝道耗盡型 MOS管的夾斷電壓 VP也為負(fù)值，但是，前者只能在 vGS<0的情況下工作。而后者在 vGS=0，vGS>0，VP<vGS<0的情況下均能實(shí)現(xiàn)對(duì) iD 的控制，而且仍能保持柵源極間有很大的絕緣電阻 , 使柵極電流為零。這是耗

16、盡型 MOS管的一個(gè)重要特點(diǎn)。圖(b) 、(c) 分別是 N 溝道和 P 溝道耗盡型 MOS管的代表符號(hào)。（ 4）電流方程：8在飽和區(qū)內(nèi)，耗盡型MOS管的電流方程與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的電流方程相同，即：各種場(chǎng)效應(yīng)管特性比較P 溝 MOS晶體管金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng) (MOS)晶體管可分為 N 溝道與 P 溝道兩大類， P 溝道硅MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管在 N型硅襯底上有兩個(gè) P+區(qū)，分別叫做源極和漏極， 兩極之間不通導(dǎo)，柵極上加有足夠的正電壓 ( 源極接地 ) 時(shí)，柵極下的 N 型硅表面呈現(xiàn) P 型反型層，成為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，從而改變溝道的電阻。這種 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶

17、體管稱為 P 溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。如果 N 型硅襯底表面不加?xùn)艍壕鸵汛嬖?P 型反型層溝道， 加上適當(dāng)?shù)钠珘海?可使溝道的電阻增大或減小。 這樣的 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管稱為 P 溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。統(tǒng)稱為 PMOS晶體管。P 溝道 MOS晶體管的空穴遷移率低 , 因而在 MOS晶體管的幾何尺寸和工作電壓絕對(duì)值相等的情況下， PMOS晶體管的跨導(dǎo)小于 N溝道 MOS晶體管。此外， P 溝道MOS晶體管閾值電壓的絕對(duì)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 , 與雙極型晶體管晶體管邏輯電路不兼容。 PMOS因邏輯擺幅大，充電放電過程長(zhǎng)，加之器件跨導(dǎo)小，所以工作速度更低，在 NMOS電路 ( 見N溝道金屬氧化物