詳解N溝道MOS管和P溝道MOS管

1、先講講MOS/CMOS成電路MOSi成電路特點：制造工藝比較簡單、成品率較高、功耗低、組成的邏輯電路比較簡單， 集成度高、抗干擾能力強，特別適合于大規(guī)模集成電路。MOSi成電品&包括：NMOS管組成的NMOS6路、PMOST組成的PMOS6路及由NMO® PMOS 兩種管子組成的互補 MOS4路，即CMOSfe路。PMOS門電路與NMOSI路的原理完全相同，只是電源極性相反而已。數(shù) 字電路中MOSi成電路所使用的 MOST均為增強型管子，負載常用MOSI作 為有源負載，這樣不僅節(jié)省了硅片面積，而且簡化了工藝利于大規(guī)模集成。 常用的符號如 圖1所示。|D|D(a)圖I MOS管

2、的符號 KMOS 管管N溝MO/體管金屬-氧化物-半導體(Metal-Oxide-SemIConductor)結構的晶體管簡稱MOSij體管，有P型MOSSED N型MOSt之分。MOSff構成的集成電路稱為 MOSi成電品而 PMOSff和NMOST共同構成白互補型 MOSft成電路即為 CMOSI成電路。由p型襯底和兩個高濃度 n擴散區(qū)構成的 MOST叫作n溝道MOST, 該管導通時在兩個高濃度 n擴散區(qū)間形成n型導電溝道。n溝道增強型 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才有導電 溝道產生的n溝道MOST。n溝道耗盡型 MOST是指在不加柵壓(柵源電 壓為零)

3、時，就有導電溝道產生的n溝道MOSt。NMOS1成電路是 N溝道MOS6路，NMOS1成電路的輸入阻抗很高，基 本上不需要吸收電流，因此，CMOSf NMOS1成電路連接時不必考慮電流的負載問題。NMOS1成電路大多采用單組正電源供電，并且以 5V為多。 CMOS1成電路只要選用與 NMOS1成電路相同的電源，就可與NMOS1成電路直接連接。不過，從 NMO例CMOSft接連接時，由于 NMOSJ出的高電平 低于CMOS1成電路的輸入高電平，因而需要使用一個(電位)上拉電阻 R, R的取值一般選用 2100KQ。N溝道增強型 MOSt的結構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

4、的N+S,并用金屬鋁引出兩個電極，分別作漏極d和源極so然后在半導體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅（SiO2）絕緣層，在漏一一源極間的絕緣層上再裝上一個鋁電極，作為柵極go在襯底上也引出一個電極B,這就構成了一個 N溝道增強型 MOST。MOST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）分別是它的結構示意圖和代表符號。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MOST的箭頭方向與上述相反，如圖 （c）所示。（a） N溝道增強型MOS等結構（b） N溝通塔強型MOS M P溝道嬉爆型 示意圖管代表符號MOS管代表

5、符號痕引柱 b .載Jtt席號機（b）N溝道增強型 MOSt的工作原理（1） vGS對iD及溝道的控制作用vGS=0的情況從圖1（a）可以看出，增強型 MOST的漏極d和源極s之間有兩個背靠 背的PN-。當柵一一源電壓 vGS=0時，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 PN結處于反偏狀態(tài)，漏一一源極間沒有導 電溝道，所以這時漏極電流iD-0ovGS>0的情況若vGS>0,則柵極和襯底之間的 SiO2絕緣層中便產生一個電場。電 場方向垂直于半導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

6、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）導電溝道的形成：當vGS數(shù)值較小，吸引電子的能力不強時，漏一一源極之間仍無導電溝道出現(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+-相連通，在漏一一源極間形成N型導電溝道,其導電類型與 P襯底相反，故又稱為反型層，如圖 1(c)所示。vGS越大, 作用于半導體表面的電場就越強，吸引到P襯底表面的電子就越多，導電溝道越厚，溝道電阻越小開始形成溝道時的柵一一源極電壓稱為開啟電壓，

7、用VT表示。上面討論的N溝道MOSff在vGS< VT時，不能形成導電溝道，管子處于截止狀態(tài)。只有當 才能形成導電溝道的 源極間加上正向電壓 vDS對iD的影響vGS> vt時，才有溝道形成。這種必須在vGS> vt時MOST稱為增強型 MOS-o溝道形成以后，在漏一一 vDS,就有漏極電流產生。如圖 所示，當vGS>VT-為一確定值時，漏一一源電壓vDS對導電溝道及電流iD的影響與結型場效應管相似。漏極電流iD沿溝道產生的電壓降使溝道內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=vGSvDS,因而這里溝道最薄。

8、但當 vDS較小(vDS<vGS- VT)時，它對溝道的影響不大，這時只要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的增大，靠近漏極的溝道越來越薄，當vDS增加到使VGD=vGS vDS=VT似vDS=vGS- VT)時，溝道在漏極一端出現(xiàn)預夾斷，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:第裁止區(qū)N溝道增強型MOST的特性曲線、電流方程及參數(shù)(1)特性曲線和電流方程；楨夾斷點軌跡1)輸出特性曲線N

9、 溝道增強型MOSf的輸出特性曲線如圖1(a)所示。與結型場效應管一樣，具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)轉移特性曲線轉移特性曲線如圖1(b)所示，由于場效應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所對應的轉 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 一條轉移特性曲線代替飽和區(qū)的所有轉移特性曲線。3) iD與vGS的近似關系與結型場效應管相類似。在飽和區(qū)內，iD與vGS的近似關系式為式中IDO是vGS=2VT寸的漏極電流iD。(2)參數(shù)MOS管的主要參數(shù)與結型場效應

10、管基本相同，只是增強型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 MOSt的基本結構(1)結構：N 溝道耗盡型MOSt與N溝道增強型MOS1基本相似。(2)區(qū)別：耗盡型MOST在vGS=0時,漏一一源極問已有導電溝道產生，而增強 型MOSt要在vGS> VT時才出現(xiàn)導電溝道。(3)原因：制造N溝道耗盡型 MOST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 MOST時摻入負離子)，如圖1(a)所示， 因此即使vGS=0時,在這些正離子產生的電場作用下，漏一一源極間的P型襯底表面也能感應生成 N溝道(稱為初始溝道)，只要

11、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 時的柵一源電壓稱為夾斷電壓，仍用VP表示。與N溝道結型場效應管相同，N溝道耗盡型MOST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<vGS<0勺情況下均能實 現(xiàn)對iD -控制，而且仍能保持柵一一源極問有很大

12、的絕緣電阻，使柵極電流為零。這是耗盡型 MOST的一個重要特點。圖（b）、（c）分別是N溝道和 P溝道耗盡型 MOST的代表符號。（4）電流方程：在飽和區(qū)內，耗盡型 MOST的電流方程與結型場效應管的電流方程相 同，即：各種場效應管特性比較各種場效應管特使用較P溝MOShj體管金屬氧化物半導體場效應 （MOS）晶體管可分為 N溝道與P溝道兩大類， P溝道硅MO駭效應晶體管在 N型硅襯底上有兩個 P+區(qū)，分別叫做源極和 漏極，兩極之間不通導，柵極上加有足夠的正電壓（源極接地）時，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。

13、這種MO酸效應晶體管稱為P溝道增強型場效應晶體管。如果N型硅襯底表面不加柵壓就已存在P型反型層溝道，加上適當?shù)钠珘?，可使溝道的電阻增大或減小。這樣的 MO加效應晶體管稱為 P溝道耗盡型場效應晶體管。統(tǒng)稱為PMOSa體管。P溝道MOSfj體管的空穴遷移率低，因而在MOSfj體管的幾何尺寸和工 作電壓絕對值相等的情況下，PMOSfj體管的跨導小于 N溝道MO/體管。此外，P溝道MOShj體管閾值電壓的絕對值一般偏高，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。PMOSS邏輯擺幅大，充電放電過程長，加之器件跨導小，所以 工作速度更低，在 NMOSI路

14、（見N溝道金屬一氧化物一半導體集成電路）出現(xiàn)之后，多數(shù)已為 NMOSI路所取彳t。只是，因PMOSfe路工藝簡單，價格便 宜，有些中規(guī)模和小規(guī)模數(shù)字控制電路仍采用PMOSI路技術。PMOS集成電路是一種適合在低速、低頻領域內應用的器件。PMO鄰成電路采用-24V電壓供電。如圖 5所示的CMOS-PMOS口電路采用兩種電源 供電。采用直接接口方式，一般CMOS勺電源電壓選擇在 1012V就能滿足PMOS寸輸入電平的要求。一轉-nycD CMOSMOS場效應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。 各種場效應管特性比較P內逼 富QX叮GaAs開關電源工作原理及電

15、路圖隨著全球對能源問題的重視，電子產品的耗能問題將愈來愈突出，如何降低其待機功耗，提高供電效率成為一個急待解決的問題。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源雖然電路結構簡單、工作可靠，但它存在著效率低（只有40%-50%、體積大、銅鐵消耗量大，工作溫度高及調整范圍小等缺點。為了提高效率，人們研制出了開關式穩(wěn)壓電源，它的效率可達85%以上，穩(wěn)壓范圍寬，除此之外，還具有穩(wěn)壓精度高、不使用電源變壓器等特點，是一種較理想的穩(wěn)壓電源。正因為如此，開關式穩(wěn)壓電源已廣泛應用于各種 電子設備中，本文對各類開關電源的工作原理作一闡述。一、開關式穩(wěn)壓電源的基本工作原理開關式穩(wěn)壓電源接控制方式分為調寬式和調頻式兩種，在實際的應用中，調

16、寬式使用得較多，在目前開發(fā)和使用的開關電源集成電路中，絕大 多數(shù)也為脈寬調制型。因此下面就主要介紹調寬式開關穩(wěn)壓電源。調寬式開關穩(wěn)壓電源的基本原理可參見下圖。Umkt對于單極性矩形脈沖來說，其直流平均電壓Uo取決于矩形脈沖的寬度，脈沖越寬，其直流平均電壓值就越高。直流平均電壓U。可由公式計算，即 Uo=UrtK T1/T式中Um為矩形脈沖最大電壓值； T為矩形脈沖周期；T1為矩形脈沖寬度。從上式可以看出，當 Um與T不變時，直流平均電壓 Uo將與脈沖寬度T1成正比。這樣，只要我們設法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可以達到穩(wěn)定電壓的目的。二、開關式穩(wěn)壓電源的原理電路1、基本電路整流

17、施波M螟里魄港雙方融IX：取樣器圍制電路掛雄電函圖二開關電源基本電路框圖jj變成含有一定脈動成開關式穩(wěn)壓電源的基本電路框圖如圖二所示。 交流電壓經整流電路及濾波電路整流濾波后,最后份的直流電壓，該電壓進人高頻變換器被轉換成所需電壓值的方波, 再將這個方波電壓經整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷??？刂齐娐窞橐幻}沖寬度調制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調制及基準電壓等電路構成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開關電源用集成電路?？刂齐娐酚脕碚{整高頻開關元件的開關時間比例， 以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。2 .單端反激式開關電源單端反激式開關電源的典型電路如圖三所示。電路中所謂的單端是指高頻變換器

18、的磁芯僅工作在磁滯回線的一側。所謂的反激，是指當開關管VT1導通時，高頻變壓器T初級繞組的感應電壓為上正下負，整流二極管VD1處于截止狀態(tài)，在初級繞組中儲存能量。當開關管VT1截止時，變壓器T初級繞組中存儲的能量， 通過次級繞組及 VD1整流和電容C濾波后向 負載輸出。VD1.jitlT圖三單端反激式開關電源單端反激式開關電源是一種成本最低的電源電路，輸出功率為20 100W,可以同時輸出不同的電壓，且有較好的電壓調整率。唯一的缺點 是輸出的紋波電壓較大，外特性差，適用于相對固定的負載。單端反激式開關電源使用的開關管VT1承受的最大反向電壓是電路工作電壓值的兩倍，工作頻率在20 200kHz之

19、間。3 .單端正激式開關電源單端正激式開關電源的典型電路如圖四所示。這種電路在形式上與單端反激式電路相似， 但工作情形不同。當開關管VT1導通時，VD2也導通， 這時電網向負載傳送能量，濾波電感L儲存能量；當開關管VT1截止時，電感L通過續(xù)流二極管 VD3繼續(xù)向負載釋放能量。在電路中還設有鉗位線圈與二極管VD2,它可以將開關管 VT1的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。為滿足磁芯復位條件，即磁通建立和復位時間應相等，所以電路中脈沖的占空比不能大于5 0%。由于這種電路在開關管VT1導通時，通過變壓器向負載傳送能量，所以輸出功率范圍大， 可輸出50200W的功率。電路使用的變壓器結構復雜，體積也較

20、大，正 因為這個原因，這種電路的實際應用較少。4 .自激式開關穩(wěn)壓電源自激式開關穩(wěn)壓電源的典型電路如圖五所示。這是一種利用間歇振蕩電路組成的開關電源，也是目前廣泛使用的基本電源之一。當接入電源后在 R1給開關管VT1提供啟動電流，使VT1開始導通， 其集電極電流Ic在L1中線性增長，在 L2中感應出使 VT1基極為正，發(fā) 射極為負的正反饋電壓，使VT1很快飽和。與此同時，感應電壓給C1充電，隨著C1充電電壓的增高， VT1基極電位逐漸變低，致使 VT1退出飽 和區(qū)，Ic開始減小，在L2中感應出使 VT1基極為負、發(fā)射極為正的電壓， 使VT1迅速截止，這時二極管 VD1導通，高頻變壓器T初級繞組中的儲能 釋放給負載。在 VT1截止時，L2中沒有感應電壓，直流供電輸人電壓又 經R1給C1反向充電，逐漸提高 VT1基極電位，使其重新導通，再次翻轉達到飽和狀態(tài)，電路就這樣重復振蕩下去。這里就像單端反激式開關電源那樣，由變壓器T的次級繞組向負載輸出所需要的電壓。自激式開關電源中的開關管起著開關及振蕩的雙重作從，也省去了控制電路。電路中由于負載位于變壓器的次級且工作在反激狀態(tài)，具有輸人和輸出相互隔離的優(yōu)點。 這種電路不僅適用于大功率電源， 亦適用于小功 率電源。5 .推挽式開關電源推挽式開關電源的典型電路如圖六所示。它屬于雙端式變換電路，高頻變壓器的磁芯工作在磁滯回