N溝道和P溝道MOS管

1、mos/cmos集成電路簡介及n溝道m(xù)os管和p溝道m(xù)os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。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

2、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)，mos管

3、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。縮短開關(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

4、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，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/cmos集成電路mos集成電路特點(diǎn)：制造工藝比

5、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(qiáng)，特別適合于大規(guī)模集成電路。mos集成電路包括:nmos管組成的nmos電路、pmos管組成的pmos電路及由nmos和pmos兩種管子組成的互補(bǔ)mos電路，即cmos電路。pmos門電路與nmos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。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

6、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m(xù)os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m(xù)os管。n溝道耗盡型mos管是指在不加?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m(xù)os管。 nmos集成電路是n溝道m(xù)os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

7、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。 n溝道增強(qiáng)型mos管的結(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,作為柵極g。 在襯底上也引出一個(gè)電極b，這就構(gòu)成了

8、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)，漏源極間沒有導(dǎo)電溝道，所以這時(shí)漏極電流id0。

9、 vgs>0 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，

10、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)的柵源極電壓稱為開啟電壓，用vt表示。 上面討論的n溝道m(xù)os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，就有漏極電流產(chǎn)生。 vds對(duì)id的影響 如圖(a)所示，當(dāng)vgs>vt且為一確定值時(shí)，漏源電壓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

11、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(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(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

12、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 1）輸出特性曲線n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)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)

13、內(nèi),id與vgs的近似關(guān)系式為 式中ido是vgs=2vt時(shí)的漏極電流id。 （2）參數(shù) mos管的主要參數(shù)與結(jié)型場效應(yīng)管基本相同，只是增強(qiáng)型mos管中不用夾斷電壓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mos管在vgs=0時(shí)，漏源極間已有導(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mos管時(shí)摻入負(fù)離子)，如圖1(a)所示，因此即使vgs=0時(shí)

14、，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，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mos管的夾斷電壓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=0，vgs>0，vp<

15、vgs<0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管的代表符號(hào)。 （4）電流方程： 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p溝mos晶體管金屬氧化物半導(dǎo)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

16、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)艍壕鸵汛嬖趐型反型層溝道，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pmos晶體管。 p溝道m(xù)os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(duì)值相等的情況下，pmos晶體管的跨導(dǎo)小于n溝道m(xù)os晶體管。此外，p溝道m(xù)os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(dǎo)小，所以工作速度更低，在nmos電路(見n溝道金屬