N沟道和P沟道MOS管

1、mos/cmos集成电路简介及n沟道mos管和p沟道mos管在实际项目中，我们基本都用增强型mos管，分为n沟道和p沟道两种。我们常用的是nmos，因为其导通电阻小，且容易制造。在mos管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载（如马达），这个二极管很重要。顺便说一句，体二极管只在单个的mos管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。  1.导通特性  nmos的特性，vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4v或10v就可以了。  pmos的特性，vgs小于一定

2、的值就会导通，适合用于源极接vcc时的情况（高端驱动）。但是，虽然pmos可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用nmos。 2.mos开关管损失  不管是nmos还是pmos，导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的mos管会减小导通损耗。现在的小功率mos管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有。  mos在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。mos两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，mos管

3、的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越高，损失也越大。  导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。  3.mos管驱动  跟双极性晶体管相比，一般认为使mos管导通不需要电流，只要gs电压高于一定的值，就可以了。这个很容易做到，但是，我们还需要速度。  在mos管的结构中可以看到，在gs，gd之间存在寄生电容，而mos管的驱动，实际上就是对电容的充放电。对电

4、容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。选择/设计mos管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。  第二注意的是，普遍用于高端驱动的nmos，导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的mos管导通时源极电压与漏极电压（vcc）相同，所以这时栅极电压要比vcc大4v或10v。如果在同一个系统里，要得到比vcc大的电压，就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵，要注意的是应该选择合适的外接电容，以得到足够的短路电流去驱动mos管。2009-03-20 11:18mos/cmos集成电路mos集成电路特点：制造工艺比

5、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。mos集成电路包括:nmos管组成的nmos电路、pmos管组成的pmos电路及由nmos和pmos两种管子组成的互补mos电路，即cmos电路。pmos门电路与nmos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。常用的符号如图1所示。n沟mos晶体管金属-氧化物-半导体(metal-oxide-semiconductor)结构的晶体管简称mos晶体管，有p

6、型mos管和n型mos管之分。mos管构成的集成电路称为mos集成电路，而pmos管和nmos管共同构成的互补型mos集成电路即为cmos集成电路。 由p型衬底和两个高浓度n扩散区构成的mos管叫作n沟道mos管，该管导通时在两个高浓度n扩散区间形成n型导电沟道。n沟道增强型mos管必须在栅极上施加正向偏压，且只有栅源电压大于阈值电压时才有导电沟道产生的n沟道mos管。n沟道耗尽型mos管是指在不加栅压（栅源电压为零）时，就有导电沟道产生的n沟道mos管。 nmos集成电路是n沟道mos电路，nmos集成电路的输入阻抗很高，基本上不需要吸收电流，因此，cmos与nmos集成电路连接时不必考虑电

7、流的负载问题。nmos集成电路大多采用单组正电源供电，并且以5v为多。cmos集成电路只要选用与nmos集成电路相同的电源，就可与nmos集成电路直接连接。不过，从nmos到cmos直接连接时，由于nmos输出的高电平低于cmos集成电路的输入高电平，因而需要使用一个（电位）上拉电阻r，r的取值一般选用2100k。 n沟道增强型mos管的结构在一块掺杂浓度较低的p型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的n+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s。 然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(sio2)绝缘层，在漏源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g。 在衬底上也引出一个电极b，这就构成了

8、一个n沟道增强型mos管。mos管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。 它的栅极与其它电极间是绝缘的。 图(a)、(b)分别是它的结构示意图和代表符号。代表符号中的箭头方向表示由p(衬底)指向n(沟道)。p沟道增强型mos管的箭头方向与上述相反，如图(c)所示。 n沟道增强型mos管的工作原理（1）vgs对id及沟道的控制作用 vgs=0 的情况 从图1(a)可以看出，增强型mos管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的pn结。当栅源电压vgs=0时，即使加上漏源电压vds，而且不论vds的极性如何，总有一个pn结处于反偏状态，漏源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流id0。

9、 vgs>0 的情况 若vgs0，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）导电沟道的形成： 当vgs数值较小，吸引电子的能力不强时，漏源极之间仍无导电沟道出现，如图1(b)所示。vgs增加时，吸引到p衬底表面层的电子就增多，当vgs达到某一数值时，这些电子在栅极附近的p衬底表面便形成一个n型薄层，且与两个n+区相连通，在漏源极间形成n型导电沟道，

10、其导电类型与p衬底相反，故又称为反型层，如图1(c)所示。vgs越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到p衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。 开始形成沟道时的栅源极电压称为开启电压，用vt表示。 上面讨论的n沟道mos管在vgsvt时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。只有当vgsvt时，才有沟道形成。这种必须在vgsvt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对id的影响 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的影响与结型场效应管相似。漏极电流id

11、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=vgsvds，因而这里沟道最薄。但当vds较小（vds<vgsvt）时，它对沟道的影响不大，这时只要vgs一定，沟道电阻几乎也是一定的，所以id随vds近似呈线性变化。 随着vds的增大，靠近漏极的沟道越来越薄，当vds增加到使vgd=vgsvds=vt(或vds=vgsvt)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

12、饱和区，id几乎仅由vgs决定。 n沟道增强型mos管的特性曲线、电流方程及参数（1） 特性曲线和电流方程 1）输出特性曲线n沟道增强型mos管的输出特性曲线如图1(a)所示。与结型场效应管一样,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）转移特性曲线 转移特性曲线如图1(b)所示,由于场效应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(vdsvgs-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与vgs的近似关系 与结型场效应管相类似。在饱和区

13、内,id与vgs的近似关系式为 式中ido是vgs=2vt时的漏极电流id。 （2）参数 mos管的主要参数与结型场效应管基本相同，只是增强型mos管中不用夹断电压vp ，而用开启电压vt表征管子的特性。 n沟道耗尽型mos管的基本结构（1）结构： n沟道耗尽型mos管与n沟道增强型mos管基本相似。 （2）区别： 耗尽型mos管在vgs=0时，漏源极间已有导电沟道产生，而增强型mos管要在vgsvt时才出现导电沟道。 （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

14、，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沟道结型场效应管相同，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<

15、vgs<0的情况下均能实现对id的控制，而且仍能保持栅源极间有很大的绝缘电阻,使栅极电流为零。这是耗尽型mos管的一个重要特点。图(b)、(c)分别是n沟道和p沟道耗尽型mos管的代表符号。 （4）电流方程： 在饱和区内，耗尽型mos管的电流方程与结型场效应管的电流方程相同，即： 各种场效应管特性比较p沟mos晶体管金属氧化物半导体场效应(mos)晶体管可分为n沟道与p沟道两大类， p沟道硅mos场效应晶体管在n型硅衬底上有两个p+区，分别叫做源极和漏极，两极之间不通导，柵极上加有足够的正电压(源极接地)时，柵极下的n型硅表面呈现p型反型层，成为连接源极和漏极的沟道。改变栅压可以改变沟道

16、中的电子密度，从而改变沟道的电阻。这种mos场效应晶体管称为p沟道增强型场效应晶体管。如果n型硅衬底表面不加栅压就已存在p型反型层沟道，加上适当的偏压，可使沟道的电阻增大或减小。这样的mos场效应晶体管称为p沟道耗尽型场效应晶体管。统称为pmos晶体管。 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沟道mos晶体管。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