N沟道和P沟道MOS管

1、MOS/CMOS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QdOd| I_OBIBOSN沟道P沟道我们常用的是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 小于一定的值就

2、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 管的

3、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。对电容的充电需要一个电流，因为对电容充 电瞬间可以把电

4、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/CMC集成电路MOSI成电路特点：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

5、成度高、 抗干扰能力强，特别适合于大规模集成电路。MOS!成电路包括：NMO管组成的NMO电路、PMO管组成的PMO电路及由NMOS口 PMO两种管子 组成的互补MOS6路，即CMOS!路。PMO门电路与NMO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。ft)图1 MOS管的符号(a) NNlOS 管 FMOS 管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 MO

6、S体 管，有P型MOSt和N型MOST之分。MOS?构成的集成电路称为 MOSfc成电路， 而PMO管和NMO管共同构成的互补型 MOSfc成电路即为CMO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MOST，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MOSf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MOSt是指在不加栅压（栅源电压为零）时，就有导电沟道产 生的n沟道皿02管。NMO集成电路是N沟道MOS电路，NMO集成电路的输入阻抗很高，基本上不需 要吸收电流，因此，CMOS! N

7、MO集成电路连接时不必考虑电流的负载问题。NMOS 集成电路大多采用单组正电源供电，并且以 5V为多。CMOS!成电路只要选用与 NMO集成电路相同的电源，就可与 NMO集成电路直接连接。不过，从 NMOSU CMOS接连接时，由于NMO输出的高电平低于CMO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2100KQ。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 ,

8、作为栅极 g。在衬底上也引出一个电极B,这就构成了一个N沟道增强型MOST。MOSt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MOST的箭头方向与上述相反，如图（c）所 示。铝U) N沟逍増强型答结构 示意国(b) N沟道增强型M兀 仁)P沟道增强型薈代表符号HOS代袁符号主；“PH4 H村展引越(e)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MOST的漏极d

9、和源极s之间有两个背靠背的PN结。 当栅一一源电压vGS=0时，即使加上漏一一源电压 vDS而且不论vDS的极性如 何，总有一个PN结处于反偏状态，漏一一源极间没有导电沟道，所以这时漏极 电流iD0。 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) 导电沟道的形成： 当vGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏一一源极

10、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，在漏一一源极间形成N型导电沟道，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一一源极电压称为开启电压，用VT表示。上面讨论的N沟道MOS?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

11、能形成导电沟道的 MOST称为增强型MOST。沟道形成以后，在漏一一源极间加上正向电压 vDS 就有漏极电流产生。vDS对iD的影响廉员层生】闵谪(a)如图(a)所示，当vGS>VTS为一确定值时，漏一一源电压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=vGvDS,因而这里沟道最薄。但当vDS较小(vDSvvGS VT)时，它对沟道的影响不 大，这时只要vGS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

12、近漏极的沟道越来越薄，当 vDS增加到使VGD=vG vDS=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尸05】°截止区Ir-Z1) 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

13、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(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与vGS的近似关系与结型场效应管相类似。在饱和区内，iD与vGS的近似关系式为式中IDO是vGS=2VT寸的漏极电流iD。(2)参数MOST的主要参数与结型场效应管基本相同，只是增强型MOST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

14、型MOS管基本相似。(2) 区别：耗尽型MOST在vGS=0时，漏一一源极间已有导电沟道产生， 而增强型MOS管要 在vGS> VT时才出现导电沟道。(3) 原因:制造N沟道耗尽型MOST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?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

15、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MO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 VPvvGSv的情况下均能实现对iD的控制，而且仍能保持栅一一源极间 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MOST的代表符号。(4) 电流方程：bfj护 札kN I /丿在饱和区内，耗尽型

16、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电反霰性工曲笛号琴金IOSFET%"輸出特性 打=f <'ts）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

17、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PMOS1体管。P沟道MO關体管的空穴迁移率低，因而在MOSI体管的几何尺寸和工作电压绝 对值相等的情况下，PMO晶体管的跨导小于N沟道MOSI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，与双极型晶体管一一晶体管逻辑电路不兼容。PMO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 NMO电路（见 N沟道金属一氧化物一半导体集成电路）出现之后，多数已为NMO电路所取代。 只是,因PMO电路工艺简单,价格便宜

18、，有些中规模和小规模数字控制电路仍采 用PMO电路技术。PMO集成电路是一种适合在低速、低频领域内应用的器件。PMO集成电路采用-24V电压供电。如图5所示的CMOS-PMOS口电路采用两种电源供电。采用直 接接口方式，一般CMOS勺电源电压选择在1012V就能满足PMO对输入电平的要求。MO觀效应晶体管具有很高的输入阻抗，在电路中便于直接耦合，容易制成规模 大的集成电路。各种场效应管特性比较F沟還KOSFETF构逍GaAsJttSFETJ仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Z