NMOS管-NMOS管組織結(jié)構(gòu)、工作原理及參數(shù)、方程等基本知識大全-KIA MOS管
信息來源:本站 日期:2018-08-24
NMOS英文全稱為N-Metal-Oxide-Semiconductor。 意思為N型金屬-氧化物-半導(dǎo)體,而擁有這種結(jié)構(gòu)的晶體管我們稱之為NMOS晶體管。 MOS晶體管有P型MOS管和N型MOS管之分。由MOS管構(gòu)成的集成電路稱為MOS集成電路,由NMOS組成的電路就是NMOS集成電路,由PMOS管組成的電路就是PMOS集成電路,由NMOS和PMOS兩種管子組成的互補MOS電路,即CMOS電路。
在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上,制作兩個高摻雜濃度的N+區(qū),并用金屬鋁引出兩個電極,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)絕緣層,在漏——源極間的絕緣層上再裝上一個鋁電極,作為柵極g。
在襯底上也引出一個電極B,這就構(gòu)成了一個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(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。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管的箭頭方向與上述相反,如圖(c)所示。
(1)vGS對iD及溝道的控制作用
① vGS=0 的情況
從圖1(a)可以看出,增強型MOS管的漏極d和源極s之間有兩個背靠背的PN結(jié)。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(chǎn)生一個電場。電場方向垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場。這個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)被吸引到襯底表面。
(2)導(dǎo)電溝道的形成:
當vGS數(shù)值較小,吸引電子的能力不強時,漏——源極之間仍無導(dǎo)電溝道出現(xiàn),如圖1(b)所示。vGS增加時,吸引到P襯底表面層的電子就增多,當vGS達到某一數(shù)值時,這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個N型薄層,且與兩個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,如圖1(c)所示。vGS越大,作用于半導(dǎo)體表面的電場就越強,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,不能形成導(dǎo)電溝道,管子處于截止狀態(tài)。只有當vGS≥VT時,才有溝道形成。這種必須在vGS≥VT時才能形成導(dǎo)電溝道的MOS管稱為增強型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iD的影響
如圖(a)所示,當vGS>VT且為一確定值時,漏——源電壓vDS對導(dǎo)電溝道及電流iD的影響與結(jié)型場效應(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=vGS-vDS,因而這里溝道最薄。但當vDS較小(vDS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(xiàn)預(yù)夾斷,如圖2(b)所示。再繼續(xù)增大vDS,夾斷點將向源極方向移動,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,管子進入飽和區(qū),iD幾乎僅由vGS決定。
(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。與結(jié)型場效應(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)移特性曲線
轉(zhuǎn)移特性曲線如圖1(b)所示,由于場效應(yīng)管作放大器件使用時是工作在飽和區(qū)(恒流區(qū)),此時iD幾乎不隨vDS而變化,即不同的vDS所對應(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(vDS>vGS-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時的漏極電流iD。
(2)參數(shù)
MOS管的主要參數(shù)與結(jié)型場效應(yīng)管基本相同,只是增強型MOS管中不用夾斷電壓VP ,而用開啟電壓VT表征管子的特性。
(1)結(jié)構(gòu):
N溝道耗盡型MOS管與N溝道增強型MOS管基本相似。
(2)區(qū)別:
耗盡型MOS管在vGS=0時,漏——源極間已有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生,而增強型MOS管要在vGS≥VT時才出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。
(3)原因:
制造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+(制造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(chǎn)生的電場作用下,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,柵極與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為負時,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vGS負向增加到某一數(shù)值時,導(dǎo)電溝道消失,iD趨于零,管子截止,故稱為耗盡型。溝道消失時的柵-源電壓稱為夾斷電壓,仍用VP表示。與N溝道結(jié)型場效應(yīng)管相同,N溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓VP也為負值,但是,前者只能在vGS<0的情況下工作。而后者在vGS=0,vGS>0,VP。
(4)電流方程:
在飽和區(qū)內(nèi),耗盡型MOS管的電流方程與結(jié)型場效應(yīng)管的電流方程相同。
NMOS邏輯門電路是全部由N溝道MOSFET構(gòu)成。由于這種器件具有較小的幾何尺寸,適合于制造大規(guī)模集成電路。此外,由于NMOS集成電路的結(jié)構(gòu)簡單,易于使用CAD技術(shù)進行設(shè)計。與CMOS電路類似,NMOS電路中不使用難于制造的電阻 。NMOS反相器是整個NMO邏輯門電路的基本構(gòu)件,它的工作管常用增強型器件,而負載管可以是增強型也可以是耗盡型?,F(xiàn)以增強型器件作為負載管的NMOS反相器為例來說明它的工作原理。
上圖是表示NMOS反相器的原理電路,其中T1為工作管,T2為負載管,二者均屬增強型器件。若T1和T2在同一工藝過程中制成,它們必將具有相同的開啟電壓VT。從圖中可見,負載管T2的柵極與漏極同接電源VDD,因而T2總是工作在它的恒流區(qū),處于導(dǎo)通狀態(tài)。當輸入vI為高電壓(超過管子的開啟電壓VT)時,T1導(dǎo)通,輸出vO;為低電壓。輸出低電壓的值,由T1,T2兩管導(dǎo)通時所呈現(xiàn)的電阻值之比決定。通常T1的跨導(dǎo)gm1遠大于T2管的跨導(dǎo)gm2,以保證輸出低電壓值在+1V左右。當輸入電壓vI為低電壓(低于管子的開啟電壓VT)時,T1截止,輸出vO為高電壓。由于T2管總是處于導(dǎo)通狀態(tài),因此輸出高電壓值約為(VDD—VT)。
通常gm1在100~200之間,而gm2約為5~15。T1導(dǎo)通時的等效電阻Rds1約為3~10kΩ,而T2的Rds2約在100~200kΩ之間。負載管導(dǎo)通電阻是隨工作電流而變化的非線性電阻。
在NMOS反相器的基礎(chǔ)上,可以制成NMOS門電路。下圖即為NMOS或非門電路。只要輸入A,B中任一個為高電平,與它對應(yīng)的MOSFET導(dǎo)通時,輸出為低電平;僅當A、B全為低電平時,所有工作管都截止時,輸出才為高電平。可見電路具有或非功能,即
或非門的工作管都是并聯(lián)的,增加管子的個數(shù),輸出低電平基本穩(wěn)定,在整體電路設(shè)計中較為方便,因而NMOS門電路是以或非門為基礎(chǔ)的。這種門電路不像TTL或CMOS電路作成小規(guī)模的單個芯片 ,主要用于大規(guī)模集成電路。
以上討論和分析了各種邏輯門電路的結(jié)構(gòu)、工作原理和性能,為便于比較,現(xiàn)用它們的主要技術(shù)參數(shù)傳輸延遲時間Tpd和功耗PD綜合描述各種邏輯門電路的性能,如圖所示。
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