N沟道和P沟道MOS管

1、MOS/CMOS成电路简介及N沟道MO第和P沟道MOST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N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小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）

2、。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

3、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

4、，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。2009-03-2011:18MOS/CMOB成电路moS1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，集成度高、抗干扰能力强，特别适合于大规模集成电路。moS1成电路包括：NMOSF组成的NMO电路、PMOST组成的PMO的路及由NMOS口PMO甑种管子组成的互补

5、MOSt路，即CMOSl路。PMOS1电品&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MOS1成电路所使用的MOST均为增强型管子，负载常用MOST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。图1MOS管的符号NMOS管（b）PMOS管N沟MOS!体管金属-氧化物-半导体（Metal-Oxide-SemIConductor）结构的晶体管简称MOSfj体管，有P型MOST和N型MOST之分。MOST构成的集成电路称为MO辣成电路，而PMOS!和NMOST共同构成的互补型MOS1成电品&即为CMO集成电路。由p型衬底和

6、两个高浓度n扩散区构成的MOST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MOST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MO第是指在不加栅压（栅源电压为零）时，就有导电沟道产生的n沟道MO器NMO集成电路是N沟道MOSI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!NMOS1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。CMOSM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NMO制CMO

7、S1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MO甯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NM,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

8、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。U) N海通犍覆型MOS管结均示意图(b) N河道鸿强型NOS M P沟道增强型营代表符号MOS管代表符号N沟道增强型MO甯的工作原理(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和源极s之间有两个背靠背的PN结。当栅一一源电压vGS=0-,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iD=0。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

9、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，漏一一源极之间仍无导电沟道出现，如图1(b)所示。vG8曾力口时，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+S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

10、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。在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MOST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(W2心，如图(a)所示，当vGS>VTS为一确定值时，在一一源电压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

11、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戌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MO

12、潸的特性曲线、电流方程及参数(1)特性曲线和电流方程馆和区°截止区尸国】；现夹鼾点辕迹1)输出特性曲线N沟道增强型MO箔的输出特Tt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(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v

13、GS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MO甯的基本结构(1)结构：N沟道耗尽型MO箔与N沟道增强型MO第基本相似。(2)区别:耗尽型MO第在vGS=0W,源极间已有导电沟道产生，而增弓S型MO箔要在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MOST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，源

14、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iDo如果加上正的vG§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MOST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=0vGS>0VP<vGS<0T情况下均能实现

15、对iD-控制，而且仍能保持栅一一源极问有很大的绝缘电阻，使栅极电流为零。这是耗尽型MOST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:在饱和区内，耗尽型MOST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转移特性1口 = r工作方式符号的道10SF&T结构种类就出审1%工八、JP沟MOS!体管金属氧化物半导体场效应（MOSM体管可分为N沟道与P沟道两大类，P沟道硅MO筋效应晶体管在N型硅衬底上有两个P+S,分别叫做源极和漏极，两极之间不通导，栅极上加有足够的正电压（源极接地）时，栅极下的N型硅表面呈现P型反型层，成为

16、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MO酸效应晶体管称为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MO骇效应晶体管称为P沟道耗尽型场效应晶体管。统称为PMOS!体管。P沟道MOSfj体管的空穴迁移率低,因而在MOS!体管的几何尺寸和工作电压绝对值相等的情况下，PMOSj体管的E导小于N沟道MOS!体管。此外，P沟道MOSIj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。PMOM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