MOS晶體管特征及其靜態(tài)特性

?授課題目：MOS!體管特點(diǎn)及其靜態(tài)特點(diǎn)二?目的要求：授課目標(biāo)：認(rèn)識三種基本MOS晶體管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，工作原理及其靜態(tài)特點(diǎn)授課要求：要修業(yè)生掌握C-MOS晶體管的分類，會解析其靜態(tài)特點(diǎn)原理圖三?重點(diǎn)，難點(diǎn)授課重點(diǎn)：C-MOS晶體管的分類，工作原理，解析其靜態(tài)特點(diǎn)原曲線授課難點(diǎn)：C-MOS晶體管工作原理，靜態(tài)特點(diǎn)原曲線的解析。四?授課內(nèi)容：MOS晶體管特點(diǎn)及其靜態(tài)特點(diǎn)本節(jié)將談?wù)撘越饘傺趸铩霭雽?dǎo)體場效應(yīng)管，也就是我們常說的M0管為基本元件的集成邏輯門，稱為M0邏輯門。M0管制造工藝簡單，功耗低，輸入阻抗高，集成度高且沒有電荷儲藏效應(yīng)，在數(shù)字集成電路中用途特別廣泛。M0集成電路能夠依照所用管子種類的不同樣分為以下3種。NM0電路：NM0

電路是由

管構(gòu)成的集成電路。其工作速度優(yōu)于

但制造工藝要復(fù)雜些。PMOSt路：PMOSI路是由PMOSt構(gòu)成的集成電路。它出現(xiàn)的早，制造工藝簡單，但是工作速度較慢。CMOS電路：CMOSfe路是由PMOS管和CMO管構(gòu)成的互補(bǔ)集成MOSI靜態(tài)功耗低，抗攪亂能力強(qiáng)，工作牢固性好，開尖速度高等優(yōu)點(diǎn)。這類電路的藝復(fù)雜，但目前已經(jīng)獲取廣泛應(yīng)用。

路,

它擁有制造工1?MOS晶體管M0管能夠依照結(jié)構(gòu)的不同樣分為NMOST（N溝道）和PMOSt（P溝道）。每一類又能夠依照其特點(diǎn)分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種。PMO管是較早出現(xiàn)的產(chǎn)品，其電源電壓高且用負(fù)電壓，工作效率低，而且由它構(gòu)成的邏輯門與TTL型邏輯門不能夠兼容。比較而言，NMOST的工作效率較高，電源電壓為正電壓，由它構(gòu)成的邏輯門能與TTL型邏輯門兼容，所以應(yīng)用范圍廣泛。其他，由一個(gè)NMO管和一個(gè)PMOS管能夠構(gòu)成功耗很小的CMOT，它的性能優(yōu)越，應(yīng)用特別廣泛。下面我們以N溝道增強(qiáng)型MOT為例來介紹MOT的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，并簡要介紹各樣MOT之間的差異。NMOST1）N溝道增強(qiáng)型MOT。N溝道增強(qiáng)型MOT的結(jié)構(gòu)如圖3-44所示。它是以P型硅片作襯底，利用擴(kuò)散的方法在其上形成兩個(gè)混淆濃度很高的N區(qū)，分別稱為源極S和漏極B在硅表面上有SiO2絕緣層，在它之上再蒸發(fā)一層金屬鋁，引出線稱為柵極G在柵極未加正電壓時(shí)，源漏之間有兩個(gè)方向相反的PN吉，在源漏之間加電壓IDS,由于總會有一個(gè)PN吉是反向偏置，所以管子不會有電流，處于截止?fàn)顟B(tài)iDS=0A3當(dāng)在柵正電壓UGs,在襯底表面將會感覺電子。但在UG較小時(shí)，感覺的電子濃度小，在

極加S和D之間還不能夠形成導(dǎo)電溝道。當(dāng)UG增加到必然值就會感覺出足夠的電子，在襯底表面形成N型層，將源極和漏極連接起來，形成了導(dǎo)電溝道（N溝道）。此時(shí)，在源極和漏極之間加電壓UD便會產(chǎn)生電流iD,即管子為導(dǎo)通狀態(tài)。開始形成導(dǎo)電溝道的柵極電壓稱為開啟電壓VNT（—般在1?2V）°當(dāng)U=VDD-VTL（高電平）時(shí)，工作點(diǎn)在C點(diǎn)，這時(shí)兩管有同一電流流過，輸出低電平VOLO為了保證VoL<0.3V，要求TL的導(dǎo)通電阻DS遠(yuǎn)大于TO的導(dǎo)通電阻盛。導(dǎo)通電阻與溝道的長寬比L/W成正比，所以要求TL管的Luw遠(yuǎn)大于T。管的Lo/WO,即兩者應(yīng)保持必然的比率尖系，稱為有比型電路，平時(shí)采用典型比率10：1。由于有比型電路中，兩個(gè)MO管的溝道尺寸差異很大，占用芯片面積大，不利于提高集成度。這類反向器的特點(diǎn)是：單一電源，電路結(jié)構(gòu)簡單；TL管總是工作在飽和區(qū)，工作速度低'功耗低；輸出高電平為VDD—VTL,電源電壓未充分利用°N溝道耗盡型MO管。這各種類的MO管與增強(qiáng)型近似，但在制造時(shí)，在S與D極間的襯底表面上已形成了N型溝道，所以柵壓UGS為0V時(shí)，仍有導(dǎo)電溝道存在，在源極和漏極之間加電壓UDS即有電流i0。在柵極加負(fù)電壓，N型溝道變淺，柵壓負(fù)到必然數(shù)值，以致把這條N型導(dǎo)電溝道全部耗盡時(shí)，MO管就不能夠?qū)ǎ苑Q之為耗盡型，此時(shí)的柵壓稱為夾斷電壓VN。3.PMOS管P溝道增強(qiáng)型MO管。用N型硅片作襯底，在其上擴(kuò)散兩個(gè)P區(qū)，并在柵極上加負(fù)電壓，可形成P溝道增強(qiáng)型MO管。一般它的開啟電壓為VTP=-(1-2.5)Vo在P型溝道中，載流子是空穴，由于空穴的遷移率約為電子遷移率的一半，所以PMO管的效率比NMO管要低。P溝道耗盡型MO管。這類MO管在制造過程中，即使柵壓為0V時(shí)也有P溝道形成，當(dāng)柵壓加正電壓并達(dá)到必然的值時(shí)，P溝道被耗盡，該MO管不能夠?qū)?。此類MO管制作的工藝復(fù)雜，在實(shí)質(zhì)的集成電路中很少使用。MOS晶體管的靜態(tài)特點(diǎn)以N溝道增強(qiáng)型MO管為例來談?wù)揗O尖的主要特f生。1-輸出特點(diǎn)曲線輸出特點(diǎn)曲線是表示在必然的道增強(qiáng)型的MOS管的輸出特點(diǎn)曲線如圖3?義及相尖的看法。

UG下，iD和UDS之間尖系的曲線。45所示。下面我們來講解一下該曲線的

N溝含*非飽和區(qū)：UDs值較小，在滿足UDSVUGS—VN時(shí)，iDs與LDs近似成線性尖系。當(dāng)Uas增大，貝U形成的導(dǎo)電溝道越寬，相應(yīng)的等效電阻越小，所以一準(zhǔn)時(shí)，溝道電阻也為定值，所以UDS越大使電子流動加快，iDS

iDS越大；當(dāng)UGs便線性增加。非飽和區(qū)又稱為可調(diào)電阻區(qū)。*飽和區(qū)：UDs增加到UDs》UGs-VN此后，在漏極周邊的溝道被夾斷，即導(dǎo)電溝道要縮短，形成空間電荷區(qū)，其中電子是在電壓作用下吸入漏極D,形成iDso由于溝道兩端的電壓恒定，所以iDS基本上保持不變。iDS與UDs近似無尖。對應(yīng)不同樣的UGs使電流趨于飽和的Ubs也不同樣，在輸出特點(diǎn)曲線上，把滿足UDS=UGS?VTN的臨界點(diǎn)連接起來便構(gòu)成非飽和區(qū)和飽和區(qū)的分界線，我們稱之為臨界線，如圖3-45中的虛線。*截止區(qū)：當(dāng)UG<VTN時(shí)，沒有導(dǎo)電溝道iDS~OAo由以上的解析可知，

M0

管在作開尖用時(shí)，在開尖信號的作用下交替工作在

截止與導(dǎo)通狀態(tài)。?轉(zhuǎn)移持性曲線.輸出特點(diǎn)曲線是表示在必然的UGsT,iD和UDs之間尖系的曲線。N溝道增強(qiáng)型的MOS管的輸出特點(diǎn)曲線如圖3?45所示。下面我們來講解一下該曲線的含義及相尖的就匕區(qū)f；BS圖3-45N溝道增強(qiáng)型MOS管特點(diǎn)曲線轉(zhuǎn)移特點(diǎn)是指在漏源電壓UDs—準(zhǔn)時(shí)，iD