N溝道和P溝道MOS管

1、MOS/CMOS成電路簡介及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OdOBod11 Bosp溝道GSosN溝道我們常用的是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 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

2、于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，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)，

3、MOS 管的損失是 電壓和電流的乘積， 叫做開關(guān)損失。 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，

4、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 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/CMC集成電路MOSK成電路特點(diǎn)：制造工藝比較簡單、成品率較高、功耗低、

5、組成的邏輯電路比較簡單，集成度高、 抗干擾能力強(qiáng)，特別適合于大規(guī)模集成電路。MOSfc成電路包括：NMO管組成的NMO電路、PMO管組成的PMO電路及由NMOS口 PMO兩種管子 組成的互補(bǔ)MOS6路，即CMOS!路。PMO門電路與NMO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，而且簡化了工藝?yán)诖笠?guī)模集成。 常用的 符號(hào)如圖1所示。G）圖1 KOS管的符號(hào)冊0S管（b）PlQS管N溝MOS晶體管 金屬-氧化物-半導(dǎo)體（Metal-Oxide-SemIConductor） 結(jié)構(gòu)的

6、晶體管簡稱 MOS晶體 管，有P型MOSt和N型MOST之分。MOS?構(gòu)成的集成電路稱為 MOS!成電路, 而PMO管和NMO管共同構(gòu)成的互補(bǔ)型 MOSfc成電路即為CMO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MOST，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MOSt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MOST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MOSf。NMO集成電路是N溝道MO電路，NMO集成電路的輸入阻抗很高，基本上不需 要吸收電流，因此，CMO與

7、NMO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!成電路只要選用與 NMO集成電路相同的電源，就可與 NMO集成電路直接連接。不過，從 NMOSU CMOS接連接時(shí)，由于NMO輸出的高電平低于CMO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2100KQ。N溝道增強(qiáng)型MOSf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 ,

8、 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MOST。MOSf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MOST的箭頭方向與上述相反，如圖（c）所 示。5$U) H掏道増強(qiáng)型HQS智結(jié)構(gòu)示意團(tuán)(b) N溝進(jìn)憎強(qiáng)S?HQS M P溝遒增強(qiáng)型 管代表符號(hào)jB計(jì)桎弓I證(c)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vGS=0的情況 從圖1(a)可以看出，增強(qiáng)型MOST的漏極d和源極s之間

9、有兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。 當(dāng)柵一一源電壓vGS=0時(shí)，即使加上漏一一源電壓 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)，漏一一源極間沒有導(dǎo)電溝道，所以這時(shí)漏極 電流iD 0。vGS0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。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(gè)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(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)，漏一一源極之間仍無導(dǎo)電溝道出現(xiàn)， 如

10、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，在漏一一源極間形成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(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)的柵一一源極電壓稱為開啟電壓，用VT表示。上面討論的N溝道MOS?在vGSVT時(shí)，才有溝道形成。這種必須在vGSVT時(shí)才能形成導(dǎo)電溝道的 MOST稱為增強(qiáng)型MOST。溝道形成以后，在漏一一源極間加上正向電壓 vDS 就有漏極電流產(chǎn)

11、生。(a)刃誑MSPvDS對(duì)iD的影響越盡啟舊主)溝邁訊唇(c)如圖(a)所示，當(dāng)vGSVTS為一確定值時(shí)，漏一一源電壓vDS對(duì)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(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=vGvDS,因而這里溝道最薄。但當(dāng)vDS較小(vDSvvGS VT)時(shí)，它對(duì)溝道的影響不 大，這時(shí)只要vGS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(dāng) vDS增加到使VGD=vG vDS=VT或vDS=vGSVT)時(shí)，溝道

12、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；碩夾斷點(diǎn)軌跡廠 V053人01)輸出特性曲線截止區(qū):區(qū)VrsN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(shí)是工作在飽和區(qū) (恒流區(qū))，此時(shí)i

13、D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/ 2TP式中IDO是vGS=2VT寸的漏極電流iD。(2)參數(shù)MOST的主要參數(shù)與結(jié)型場效應(yīng)管基本相同，只是增強(qiáng)型MOST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)(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MOST在vGS=0時(shí)，漏一一源極間已有導(dǎo)電

14、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MOST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?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(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，

15、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)型場效應(yīng)管相同，N溝道耗盡型MO管的夾斷 電壓VP也為負(fù)值，但是，前者只能在 vGS0 VPvvGSv的情況下均能實(shí)現(xiàn)對(duì)iD的控制，而且仍能保持柵一一源極間 有很大的絕緣電阻，使柵極電流為零。這是耗盡型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MOST的代表符號(hào)。(4) 電流方程：% = DSS tk I NJ)I 丿在飽和區(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，即:各種場效應(yīng)管特性比較10-SFE.T4V鵠整特性輸出特性P溝MOS晶體管金屬氧化物半導(dǎo)

16、體場效應(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場效應(yīng)晶體管稱為P溝道增強(qiáng)型場效應(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墒?溝道的電阻增大或減小。這樣的MOS場效應(yīng)晶體管稱為P溝道耗盡型場效應(yīng)晶體 管。統(tǒng)稱為PMOS1體管。P溝道MO關(guān)體管的空穴遷移率低,因而在MOSI體管的幾何尺寸和工作電壓絕 對(duì)值相等的情況下，PMO晶體管的跨導(dǎo)小于N溝道MOSI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，與雙極型晶體管一一晶體管邏輯電路不兼容。PMO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 NMO電路（見 N溝道金