詳解N溝道MOS管和P溝道MOS管，最全面的文章
信息來源：本站 日期：2017-09-01
先講講MOS/CMOS集成電路
制造工藝比較簡單、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，特別適合于大規(guī)模集成電路。
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管均為增強型管子，負載常用MOS管作為有源負載，這樣不僅節(jié)省了硅片面積，而且簡化了工藝利于大規(guī)模集成。常用的符號如
圖1所示。
金屬-氧化物-半導體(Metal-Oxide-SemIConductor)結(jié)構的晶體管簡稱MOS晶體管，有P型MOS管和N型MOS管之分。MOS管構成的集成電路稱為MOS集成電路，而PMOS管和NMOS管共同構成的互補型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)構成的MOS管叫作n溝道MOS管，該管導通時在兩個高濃度n擴散區(qū)間形成n型導電溝道。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管是指在不加柵壓（柵源電壓為零）時，就有導電溝道產(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。
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。
（1）vGS對iD及溝道的控制作用
① vGS=0 的情況
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——源極間沒有導電溝道，所以這時漏極電流iD≈0。
② vGS>0 的情況
若vGS＞0，則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個電場。電場方向垂直于半導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。
排斥空穴：使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥，剩下不能移動的受主離子(負離子)，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）導電溝道的形成：
當vGS數(shù)值較小，吸引電子的能力不強時，漏——源極之間仍無導電溝道出現(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vGS達到某一數(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型導電溝道，其導電類型與P襯底相反，故又稱為反型層，如圖1(c)所示。vGS越大，作用于半導體表面的電場就越強，吸引到P襯底表面的電子就越多，導電溝道越厚，溝道電阻越小。
開始形成溝道時的柵——源極電壓稱為開啟電壓，用VT表示。
上面討論的N溝道MOS管在vGS＜VT時，不能形成導電溝道，管子處于截止狀態(tài)。只有當vGS≥VT時，才有溝道形成。這種必須在vGS≥VT時才能形成導電溝道的MOS管稱為增強型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。
如圖(a)所示，當vGS>VT且為一確定值時，漏——源電壓vDS對導電溝道及電流iD的影響與結(jié)型場效應管相似。
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vDS較?。╲DS
隨著vDS的增大，靠近漏極的溝道越來越薄，當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，管子進入飽和區(qū)，iD幾乎僅由vGS決定。
（1）特性曲線和電流方程
1）輸出特性曲線
N溝道增強型MOS管的輸出特性曲線如圖1(a)所示。與結(jié)型場效應管一樣,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,由于場效應管作放大器件使用時是工作在飽和區(qū)(恒流區(qū)),此時iD幾乎不隨vDS而變化,即不同的vDS所對應的轉(zhuǎn)移特性曲線幾乎是重合的,所以可用vDS大于某一數(shù)值(vDS＞vGS-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的近似關系
與結(jié)型場效應管相類似。在飽和區(qū)內(nèi),iD與vGS的近似關系式為
式中IDO是vGS=2VT時的漏極電流iD。
MOS管的主要參數(shù)與結(jié)型場效應管基本相同，只是增強型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
（1）結(jié)構：
N溝道耗盡型MOS管與N溝道增強型MOS管基本相似。
（2）區(qū)別：
耗盡型MOS管在vGS=0時，漏——源極間已有導電溝道產(chǎn)生，而增強型MOS管要在vGS≥VT時才出現(xiàn)導電溝道。
（3）原因：
制造N溝道耗盡型MOS管時，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管時摻入負離子)，如圖1(a)所示，因此即使vGS=0時，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為負時，溝道中感應的電子減少，溝道變窄，溝道電阻變大，iD減小。當vGS負向增加到某一數(shù)值時，導電溝道消失，iD趨于零，管子截止，故稱為耗盡型。溝道消失時的柵－源電壓稱為夾斷電壓，仍用VP表示。與N溝道結(jié)型場效應管相同，N溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓VP也為負值，但是，前者只能在vGS<0的情況下工作。而后者在vGS=0，vGS>0，VP
（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)型場效應管的電流方程相同，即：
各種場效應管特性比較
金屬氧化物半導體場效應(MOS)晶體管可分為N溝道與P溝道兩大類，P溝道硅MOS場效應晶體管在N型硅襯底上有兩個P+區(qū)，分別叫做源極和漏極，兩極之間不通導，柵極上加有足夠的正電壓(源極接地)時，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中的電子密度，從而改變溝道的電阻。這種MOS場效應晶體管稱為P溝道增強型場效應晶體管。如果N型硅襯底表面不加柵壓就已存在P型反型層溝道，加上適當?shù)钠珘?，可使溝道的電阻增大或減小。這樣的MOS場效應晶體管稱為P溝道耗盡型場效應晶體管。統(tǒng)稱為PMOS晶體管。
P溝道MOS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值相等的情況下，PMOS晶體管的跨導小于N溝道MOS晶體管。此外，P溝道MOS晶體管閾值電壓的絕對值一般偏高，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，加之器件跨導小，所以工作速度更低，在NMOS電路(見N溝道金屬—氧化物—半導體集成電路)出現(xiàn)之后，多數(shù)已為NMOS電路所取代。只是,因PMOS電路工藝簡單,價格便宜，有些中規(guī)模和小規(guī)模數(shù)字控制電路仍采用PMOS電路技術。
PMOS集成電路是一種適合在低速、低頻領域內(nèi)應用的器件。PMOS集成電路采用-24V電壓供電。如圖5所示的CMOS-PMOS接口電路采用兩種電源供電。采用直接接口方式，一般CMOS的電源電壓選擇在10～12V就能滿足PMOS對輸入電平的要求。
MOS場效應晶體管具有很高的輸入阻抗，在電路中便于直接耦合，容易制成規(guī)模大的集成電路。
各種場效應管特性比較
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