N溝道和P溝道MOS管

1、MOS/CMOS成電路簡(jiǎn)介及N溝道MO第和P溝道MOST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N溝道P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)）

2、。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。現(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)，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)

3、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，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

4、，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。2009-03-2011:18MOS/CMOB成電路moS1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。moS1成電路包括：NMOSF組成的NMO電路、PMOST組成的PMO的路及由NMOS口PMO甑種管子組成的互補(bǔ)

5、MOSt路，即CMOSl路。PMOS1電品&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MOS1成電路所使用的MOST均為增強(qiáng)型管子，負(fù)載常用MOST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。圖1MOS管的符號(hào)NMOS管（b）PMOS管N溝MOS!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MOSfj體管，有P型MOST和N型MOST之分。MOST構(gòu)成的集成電路稱為MO辣成電路，而PMOS!和NMOST共同構(gòu)成的互補(bǔ)型MOS1成電品&即為CMO集成電路。由p型襯底和

6、兩個(gè)高濃度n擴(kuò)散區(qū)構(gòu)成的MOST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MO第是指在不加?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MO器NMO集成電路是N溝道MOSI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，CMOS!NMOS1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。CMOSM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NMO制CMO

7、S1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MO甯的結(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NM,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(jié)構(gòu)示意圖和代表符號(hào)。代表符號(hào)中的箭頭方向

8、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。U) N海通犍覆型MOS管結(jié)均示意圖(b) N河道鴻強(qiáng)型NOS M P溝道增強(qiáng)型營(yíng)代表符號(hào)MOS管代表符號(hào)N溝道增強(qiáng)型MO甯的工作原理(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之間有兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵一一源電壓vGS=0-,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。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)

9、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)，漏一一源極之間仍無導(dǎo)電溝道出現(xiàn)，如圖1(b)所示。vG8曾力口時(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+S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

10、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。在始形成溝道時(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MOST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)生。vDS對(duì)iD的影響(W2心，如圖(a)所示，當(dāng)vGS>VTS為一確定值時(shí)，在一一源電壓vDS對(duì)導(dǎo)電溝道及電流iD的影響與結(jié)型場(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

11、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。但當(dāng)vDS較小(vDS<vGSVT)時(shí)，它對(duì)溝道的影響不大，這時(shí)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(dāng)vDS增加到使VGD=vGSvDS=VT戌vDS=vGSVT)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MO

12、潸的特性曲線、電流方程及參數(shù)(1)特性曲線和電流方程館和區(qū)°截止區(qū)尸國(guó)】；現(xiàn)夾鼾點(diǎn)轅跡1)輸出特性曲線N溝道增強(qiáng)型MO箔的輸出特Tt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v

13、GS的近似關(guān)系式為式中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(chǎng)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MO甯的基本結(jié)構(gòu)(1)結(jié)構(gòu)：N溝道耗盡型MO箔與N溝道增強(qiáng)型MO第基本相似。(2)區(qū)別:耗盡型MO第在vGS=0W,源極間已有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生，而增弓S型MO箔要在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MOST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，源

14、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iDo如果加上正的vG§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MOST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=0vGS>0VP<vGS<0T情況下均能實(shí)現(xiàn)

15、對(duì)iD-控制，而且仍能保持柵一一源極問有很大的絕緣電阻，使柵極電流為零。這是耗盡型MOST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:在飽和區(qū)內(nèi)，耗盡型MOST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)管特性比較轉(zhuǎn)移特性1口 = r工作方式符號(hào)的道10SF&T結(jié)構(gòu)種類就出審1%工八、JP溝MOS!體管金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)（MOSM體管可分為N溝道與P溝道兩大類，P溝道硅MO筋效應(yīng)晶體管在N型硅襯底上有兩個(gè)P+S,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

16、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MO酸效應(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MO駭效應(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!體管。P溝道MOSfj體管的空穴遷移率低,因而在MOS!體管的幾何尺寸和工作電壓絕對(duì)值相等的情況下，PMOSj體管的E導(dǎo)小于N溝道MOS!體管。此外，P溝道MOSIj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。PMOM邏輯擺幅大，充電放電過程長(zhǎng)，加之器件跨導(dǎo)小，所以工作速度更低，在NMO電路（見N溝道金屬一氧化物一半導(dǎo)體集成