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詳解N溝道MOS管和P溝道MOS管,最全面的文章

信息來源:本站 日期:2017-09-01 

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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(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。

mos管

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MOS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2~100KΩ。


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。

mos管

N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

① 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。


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(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),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)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(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)vGS≥VT時(shí),才有溝道形成。這種必須在vGS≥VT時(shí)才能形成導(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

mos管

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=vGS-vDS,因而這里溝道最薄。但當(dāng)vDS較小(vDS


隨著vDS的增大,靠近漏極的溝道越來越薄,當(dāng)vDS增加到使VGD=vGS-vDS=VT(或vDS=vGS-VT)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

mos管

1)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(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(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

mos管

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MOS管的基本結(jié)構(gòu)

mos管

(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vGS≥VT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,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


(4)電流方程:
mos管

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


mos管

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)艍壕鸵汛嬖赑型反型層溝道,加上適當(dāng)?shù)钠珘?,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,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—半導(dǎo)體集成電路)出現(xiàn)之后,多數(shù)已為NMOS電路所取代。只是,因PMOS電路工藝簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜,有些中規(guī)模和小規(guī)模數(shù)字控制電路仍采用PMOS電路技術(shù)。


PMOS集成電路是一種適合在低速、低頻領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)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(duì)輸入電平的要求。

mos管

MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有很高的輸入阻抗,在電路中便于直接耦合,容易制成規(guī)模大的集成電路。

各種場(chǎng)效應(yīng)管特性比較

mos管


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