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区分MOS管P沟道N沟道方法详解-NMOS与PMOS介绍及工作原理-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2018-07-25 

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P溝道MOS管

PMOS是指n型襯底、p溝道,靠空穴的流動運送電流的MOS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值相等的情況下,PMOS晶體管的跨導小于N溝道MOS晶體管。此外,P溝道MOS晶體管阈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——晶體管邏輯電路不兼容。PMOS因邏輯擺幅大,充電放電過程長,加之器件跨導小,所以工作速度更低,在NMOS電路(見N溝道金屬—氧化物—半導體集成電路)出現之後,多數已爲NMOS電路所取代。只是,因PMOS電路工藝簡單,價格便宜,有些中規模和小規模數字控制電路仍采用PMOS電路技術。

N溝道MOS管

NMOS英文全稱爲N-Metal-Oxide-Semiconductor。意思爲N型金屬-氧化物-半導體,而擁有這種結構的晶體管我們稱之爲NMOS晶體管。MOS晶體管有P型MOS管和N型MOS管之分。由MOS管構成的集成電路稱爲MOS集成電路,由NMOS組成的電路就是NMOS集成電路,由PMOS管組成的電路就是PMOS集成電路,由NMOS和PMOS兩種管子組成的互補MOS電路,即CMOS電路。

MOS管P溝道N溝道區分


MOS管集成電路及特點

制造工艺比较简单、成品率较高、功耗低、组成的逻辑电路比较简单,集成度高、抗干扰能力强,特别适合于大规模集成电路。N溝道MOS管组成的NMOS电路、P溝道MOS管组成的PMOS电路及由N沟道MOS和P沟道MOS两种管子组成的互补MOS电路,即CMOS电路。P沟道MOS门电路与N沟道MOS电路的原理完全相同,只是电源极性相反而已。数字电路中MOS集成电路所使用的MOS管均为增强型管子,负载常用MOS管作为有源负载,这样不仅节省了硅片面积,而且简化了工艺利于大规模集成。

MOS管P溝道N溝道區分

N溝道MOS晶體管

金屬-氧化物-半導體(Metal-Oxide-SemIConductor)結構的晶體管簡稱MOS晶體管,有P型MOS管和N型MOS管之分。MOS管構成的集成電路稱爲MOS集成電路,而PMOS管和NMOS管共同構成的互補型MOS集成電路即爲CMOS集成電路。由p型襯底和兩個高濃度n擴散區構成的MOS管叫作n溝道MOS管,該管導通時在兩個高濃度n擴散區間形成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阈值電壓時才有導電溝道産生的n溝道MOS管。n溝道耗盡型MOS管是指在不加柵壓(柵源電壓爲零)時,就有導電溝道産生的n溝道MOS管。

N溝道MOS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集成電路連接時不必考慮電流的負載問題。N溝道MOS集成電路大多采用單組正電源供電,並且以5V爲多。CMOS集成電路只要選用與N溝道MOS集成電路相同的電源,就可與N溝道MOS集成電路直接連接。不過,從N溝道MOS到CMOS直接連接時,由于N溝道MOS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(電位)上拉電阻R,R的取值一般選用2~100KΩ。

N溝道MOS管的结构

在一塊摻雜濃度較低的P型矽襯底上,制作兩個高摻雜濃度的N+區,並用金屬鋁引出兩個電極,分別作漏極d和源極s。然後在半導體表面覆蓋一層很薄的二氧化矽(SiO2)絕緣層,在漏——源極間的絕緣層上再裝上一個鋁電極,作爲柵極g。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MOS管。MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數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MOS管的箭頭方向與上述相反,如圖(c)所示。

MOS管P溝道N溝道區分

N溝道增強型MOS管的工作原理

(1)vGS對iD及溝道的控制作用

① vGS=0 的情况

從圖1(a)可以看出,增強型MOS管的漏極d和源極s之間有兩個背靠背的PN結。當柵——源電壓vGS=0時,即使加上漏——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,漏——源極間沒有導電溝道,所以這時漏極電流iD≈0。

② vGS>0 的情况

若vGS>0,则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个电场。电场方向垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场。这个电场能排斥空穴而吸引电子。排斥空穴:使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥,剩下不能移动的受主离子(负离子),形成耗尽层。吸引电子:将 P型衬底中的电子(少子)被吸引到衬底表面。

(2)導電溝道的形成

當vGS數值較小,吸引電子的能力不強時,漏——源極之間仍無導電溝道出現,如圖(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+區相連通,在漏——源極間形成N型導電溝道,其導電類型與P襯底相反,故又稱爲反型層,如圖(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——源極電壓稱爲開啓電壓,用VT表示。

上面讨论的N溝道MOS管在vGS<VT时,不能形成导电沟道,管子处于截止状态。只有当vGS≥VT时,才有沟道形成。这种必须在vGS≥VT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。沟道形成以后,在漏——源极间加上正向电压vDS,就有漏极电流产生。

vDS對iD的影響

MOS管P溝道N溝道區分

如图(a)所示,当vGS>VT且为一确定值时,漏——源电压vDS对导电沟道及电流iD的影响与结型場效應管相似。漏极电流iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等,靠近源极一端的电压最大,这里沟道最厚,而漏极一端电压最小,其值为VGD=vGS-vDS,因而这里沟道最薄。但当vDS较小(vDS随着vDS的增大,靠近漏极的沟道越来越薄,当vDS增加到使VGD=vGS-vDS=VT(或vDS=vGS-VT)时,沟道在漏极一端出现预夹断,如图2(b)所示。再继续增大vDS,夹断点将向源极方向移动,如图2(c)所示。由于vDS的增加部分几乎全部降落在夹断区,故iD几乎不随vDS增大而增加,管子进入饱和区,iD几乎仅由vGS决定。

N溝道增強型NMOS管的特性曲線、電流方程及參數

MOS管P溝道N溝道區分

(1)特性曲線和電流方程

1、輸出特性曲線

N沟道增强型NMOS管的输出特性曲线如图1(a)所示。与结型場效應管一样,其输出特性曲线也可分为可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区几部分。

2、轉移特性曲線

转移特性曲线如图1(b)所示,由于場效應管作放大器件使用时是工作在饱和区(恒流区),此时iD几乎不随vDS而变化,即不同的vDS所对应的转移特性曲线几乎是重合的,所以可用vDS大于某一数值(vDS>vGS-VT)后的一条转移特性曲线代替饱和区的所有转移特性曲线。

3、iD與vGS的近似關系

与结型場效應管相类似。在饱和区内,iD与vGS的近似关系式为

MOS管P溝道N溝道區分

式中IDO是vGS=2VT時的漏極電流iD。

(2)參數

MOS管的主要参数与结型場效應管基本相同,只是增强型NMOS管中不用夹断电压VP ,而用开启电压VT表征管子的特性。

MOS管P溝道N溝道區分

1、結構:

N溝道耗盡型NMOS管與N溝道增強型MOS管基本相似。

2、區別:

耗盡型MOS管在vGS=0時,漏——源極間已有導電溝道産生,而增強型NMOS管要在vGS≥VT時才出現導電溝道。

3、原因:

制造N沟道耗尽型MOS管时,在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+(制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子),如图1(a)所示,因此即使vGS=0时,在这些正离子产生的电场作用下,漏——源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道),只要加上正向电压vDS,就有电流iD。如果加上正的vGS,栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子,沟道加宽,沟道电阻变小,iD增大。反之vGS为负时,沟道中感应的电子减少,沟道变窄,沟道电阻变大,iD减小。当vGS负向增加到某一数值时,导电沟道消失,iD趋于零,管子截止,故称为耗尽型。沟道消失时的栅-源电压称为夹断电压,仍用VP表示。与N沟道结型場效應管相同,N沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP也为负值,但是,前者只能在vGS<0的情况下工作。而后者在vGS=0,vGS>0,VP。

4、電流方程:

在饱和区内,耗尽型NMOS管的电流方程与结型場效應管的电流方程相同,即:

MOS管P溝道N溝道區分

各种場效應管特性比较

MOS管P溝道N溝道區分

P溝MOS晶體管

金屬氧化物半導體場效應(MOS)晶體管可分爲N溝道與P溝道兩大類,P溝道矽MOS場效應晶體管在N型矽襯底上有兩個P+區,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型矽表面呈現P型反型層,成爲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場效應晶體管稱爲P溝道增強型場效應晶體管。如果N型矽襯底表面不加柵壓就已存在P型反型層溝道,加上適當的偏壓,可使溝道的電阻增大或減小。這樣的MOS場效應晶體管稱爲P溝道耗盡型場效應晶體管。統稱爲PMOS晶體管。

P沟道MOS晶体管的空穴迁移率低,因而在MOS晶体管的几何尺寸和工作电压绝对值相等的情况下,PMOS晶体管的跨导小于N溝道MOS晶體管。此外,P沟道MOS晶体管阈值电压的绝对值一般偏高,要求有较高的工作电压。它的供电电源的电压大小和极性,与双极型晶体管——晶体管逻辑电路不兼容。PMOS因逻辑摆幅大,充电放电过程长,加之器件跨导小,所以工作速度更低,在NMOS电路(见N沟道金属—氧化物—半导体集成电路)出现之后,多数已为NMOS电路所取代。只是,因PMOS电路工艺简单,价格便宜,有些中规模和小规模数字控制电路仍采用PMOS电路技术。

PMOS集成電路是一種適合在低速、低頻領域內應用的器件。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對輸入電平的要求。MOS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,容易制成規模大的集成電路。

各种場效應管特性比较

MOS管P溝道N溝道區分



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