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n溝道m(xù)os管工作原理

工程師 ? 來源:未知 ? 作者:姚遠(yuǎn)香 ? 2018-08-16 15:31 ? 次閱讀
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N溝MOS晶體管概述

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)成的互補型MOS集成電路即為CMOS集成電路。

由p型襯底和兩個高濃度n擴散區(qū)構(gòu)成的MOS管叫作n溝道MOS管,該管導(dǎo)通時在兩個高濃度n擴散區(qū)間形成n型導(dǎo)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(dǎo)電溝道產(chǎn)生的n溝道MOS管。n溝道耗盡型MOS管是指在不加?xùn)艍海旁措妷簽榱悖r,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,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(電位)上拉電阻R,R的取值一般選用2~100KΩ。

N溝道增強型MOS管的結(jié)構(gòu)

在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上,制作兩個高摻雜濃度的N+區(qū),并用金屬鋁引出兩個電極,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鋁電極,作為柵極g。

在襯底上也引出一個電極B,這就構(gòu)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(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。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。

n溝道m(xù)os管工作原理

N溝道加強型MOS管的特性曲線

n溝道m(xù)os管工作原理

1)輸出特性曲線

N溝道加強型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)幾局部。

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)管作放大器件運用時是工作在飽和區(qū)(恒流區(qū)),此時iD簡直不隨vDS而變化,即不同的vDS所對應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線簡直是重合的,所以可用vDS大于某一數(shù)值(vDS>vGS-VT)后的一條轉(zhuǎn)移特性曲線替代飽和區(qū)的一切轉(zhuǎn)移特性曲線。

3)iD與vGS的近似關(guān)系

與結(jié)型場效應(yīng)管相相似。在飽和區(qū)內(nèi),iD與vGS的近似關(guān)系式為

n溝道m(xù)os管工作原理

式中IDO是vGS=2VT時的漏極電流iD。

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

n溝道m(xù)os管工作原理
n溝道m(xù)os管工作原理

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)。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(jié)。當(dāng)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(jié)處于反偏狀態(tài),漏-源極間沒有導(dǎo)電溝道,所以這時漏極電流iD≈0。

若在柵-源極間加上正向電壓,即vGS>0,則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個垂直于半導(dǎo)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,因而使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥,剩下不能移動的受主離子(負(fù)離子),形成耗盡層,同時P襯底中的電子(少子)被吸引到襯底表面。當(dāng)vGS數(shù)值較小,吸引電子的能力不強時,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,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,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(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,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。我們把開始形成溝道時的柵-源極電壓稱為開啟電壓,用VT表示。

由上述分析可知,N溝道增強型MOS管在vGS<VT時,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,才有溝道形成,此時在漏-源極間加上正向電壓vDS,才有漏極電流產(chǎn)生。而且vGS增大時,溝道變厚,溝道電阻減小,iD增大。這種必須在vGS≥VT時才能形成導(dǎo)電溝道的MOS管稱為增強型MOS管。

2.vDS對iD的影響

n溝道m(xù)os管工作原理
n溝道m(xù)os管工作原理

如圖2(a)所示,當(dāng)vGS》VT且為一確定值時,漏-源電壓vDS對導(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沿溝道產(chǎn)生的電壓降使溝道內(nèi)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=vGS - vDS,因而這里溝道最薄。但當(dāng)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(dāng)vDS增加到使vGD=vGS-vDS=VT(或vDS=vGS-VT)時,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(jìn)入飽和區(qū),iD幾乎僅由vGS決定。

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