N溝MOS晶體管培訓(xùn)講學(xué)

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。N溝MOS晶體管-N溝MOS晶體管N溝MOS晶體管是指金屬-氧化物-半導(dǎo)體(Metal-Oxide-Semiconductor)結(jié)構(gòu)的晶體管簡稱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-IC。HYPERLINK/a2_53_51_01300000056941119928513919588_jpg.htmlo點(diǎn)擊查看原圖t_blankHYPERLINK/wiki/N%E6%B2%9FMOS%

2、E6%99%B6%E4%BD%93%E7%AE%A1t_selfN溝MOS晶體管-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-IC。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

3、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2100K。HYPERLINK/wiki/N%E6%B2%9FMOS%E6%99%B6%E4%B

4、D%93%E7%AE%A1t_selfN溝MOS晶體管-N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)在一塊摻雜HYPERLINK/wiki/%E6%B5%93%E5%BA%A6o濃度濃度較低的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HYPERLINK/wiki/%E4%BA%8C%E6%B0%A7%E5%8C%96%E7%A1%85o二氧化硅t_blank二氧化硅(SiO2)HYPERLINK/wiki/%E7%BB%9D%E7%BC%98o絕緣絕緣層，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)

5、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。N溝MOS晶體管HYPERLINK/wiki/N%E6%B2%9FMOS%E6%99%B6%E4%BD%93%E7%AE%A1t_selfN溝MOS晶體管-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vGS=0的HYPERLINK/wiki/%E6%83%85%E5%86%B5o情況情況從圖1

6、(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HYPERLINK/wiki/%E7%94%B5%E5%8E%8Bo電壓電壓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HYPERLINK/wiki/%E5%AF%BC%E7%94%B5o導(dǎo)電導(dǎo)電溝道，所以這時(shí)漏極電流iD0。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(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HYPERLINK/wiki/%E7%94%B5%E5%AD%90o電子電子。排斥空穴：

7、使柵極附近的P型襯底中的空穴被HYPERLINK/wiki/%E6%8E%92%E6%96%A5o排斥排斥，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HYPERLINK/wiki/%E5%BD%A2%E6%88%90o形成形成：當(dāng)vGS數(shù)值較N溝MOS晶體管小，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

8、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vGSVT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)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HYPERLINK/wiki/%E7%94%B5%E6%B5%81o電流電流產(chǎn)生。vDS對(duì)iD的影響N溝MOS晶體管如圖(a)所示，當(dāng)vGSVT且為一確定值時(shí)，漏源電壓vDS對(duì)導(dǎo)電溝道及

9、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=vGSvDS，因而這里溝道最薄。但當(dāng)vDS較?。╲DS0，VPvGS0的情況下均能實(shí)現(xiàn)對(duì)iD的控制，而且仍能保持柵源極間有很大的絕緣電阻,使柵極電流為HYPERLINK/wiki/%E9%9B%B6o零零。這是耗盡型MOS管的一個(gè)HYPERLINK/wiki/%E9%87%8D%E8%A6%81o重要重要特點(diǎn)。圖(b)、(c)分別是N溝道和P溝道耗盡型MOS管的代表HYPERLINK/wiki/%E7%AC%A6%E5%8F

10、%B7o符號(hào)符號(hào)。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=vGSvDS，因而這里溝道最薄。但當(dāng)vDS較?。╲DSvGSVT）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HYPERLINK/wiki/%E7%BA%BF%E6%80%A7o線性線性變化。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(或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(

11、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vGSHYPERLINK/wiki/%E5%86%B3%E5%AE%9Ao決定決定。HYPERLINK/wiki/N%E6%B2%9FMOS%E6%99%B6%E4%BD%93%E7%AE%A1t_selfN溝MOS晶體管-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HYPERLINK/wiki/%E6%96%B9%E7%A8%8Bo方程方程1）輸出特性HYPERLINK/wiki/%E6%9B%B2%E7%BA%BFo曲線曲線N溝道增強(qiáng)型MOS管的輸出特性曲線

12、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(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HYPERLINK/wiki/%E7%89%B9%E6%80%A7%E6%9B%B2%E7%BA%BFo特性曲線特性曲線.3）iD與vGS的近似HYPERLINK/wiki/%E5%85%B3%E7%B3%BBo關(guān)系關(guān)系與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)

13、管相類似。在飽和區(qū)內(nèi),iD與vGS的近似關(guān)系式為N溝MOS晶體管式中IDO是vGS=2VT時(shí)的漏極HYPERLINK/wiki/%E7%94%B5%E6%B5%81o電流電流iD。（2）HYPERLINK/wiki/%E5%8F%82%E6%95%B0o參數(shù)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HYPERLINK/wiki/%E7%94%B5%E5%8E%8Bo電壓電壓VP，而用開啟電壓VT表征HYPERLINK/wiki/%E7%AE%A1%E5%AD%90o管子管子的特性。HYPERLINK/wiki/N%E6%B2%9FMOS%E6%99%B6%E4%

14、BD%93%E7%AE%A1t_selfN溝MOS晶體管-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HYPERLINK/wiki/%E7%9B%B8%E4%BC%BCo相似相似。（2）HYPERLINK/wiki/%E5%8C%BA%E5%88%ABo區(qū)別區(qū)別：耗盡型MOS管在vGS=0時(shí)，漏源極間已有HYPERLINK/wiki/%E5%AF%BC%E7%94%B5o導(dǎo)電導(dǎo)電溝道產(chǎn)生，而增強(qiáng)型MOS管要在vGSVT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MO

15、S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HYPERLINK/wiki/%E5%88%9D%E5%A7%8Bo初始初始溝道)，只要加上正向電壓vDS，就有電流iD。如果加上正的vGS，HYPERLINK/wiki/%E6%A0%85%E6%9E%81o柵極柵極與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vGS0，VPvGS0的情況下均能實(shí)現(xiàn)對(duì)iD的控制，而且仍能保持柵源極間有很大的絕緣HYPERLINK/wiki/%E7%94%B5%E9%98%BBo電阻電阻,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MOS管的