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MOS电路简介

MOS电(dian)路为(wei)单极型集成电(dian)路，又称为(wei)MOS集成电(dian)路，它(ta)采用金(jin)属－氧化物半导体场效应(ying)管(Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor,缩写(xie)为(wei)MOSFET)制(zhi)造，其(qi)主要(yao)特点(dian)是结(jie)构简单、制(zhi)造方便、集成度高(gao)、功耗低，但速度较慢。

MOS集(ji)成电路(lu)又(you)分为PMOS(P-channel Metal Oxide Semiconductor，P沟道金属氧化(hua)物(wu)半(ban)导(dao)体(ti))、NMOS(N-channel Metal Oxide Semiconductor，N沟道金属氧化(hua)物(wu)半(ban)导(dao)体(ti))和CMOS(Complement Metal Oxide Semiconductor，复合互补金属氧化(hua)物(wu)半(ban)导(dao)体(ti))等类型。

MOS电路的应用

MOS电(dian)(dian)路中(zhong)应(ying)用最广泛的(de)(de)为CMOS电(dian)(dian)路，CMOS数(shu)(shu)字(zi)电(dian)(dian)路中(zhong)，应(ying)用最广泛的(de)(de)为4000、4500系列(lie)(lie)，它(ta)不(bu)但适用于通(tong)用逻(luo)辑电(dian)(dian)路的(de)(de)设计，而(er)且综合性能也很好，它(ta)与TTL电(dian)(dian)路一起成(cheng)为数(shu)(shu)字(zi)集(ji)成(cheng)电(dian)(dian)路中(zhong)两大主(zhu)(zhu)流产品。CMOS数(shu)(shu)字(zi)集(ji)成(cheng)电(dian)(dian)路电(dian)(dian)路主(zhu)(zhu)要分为4000（4500系列(lie)(lie)）系列(lie)(lie)、54HC/74HC系列(lie)(lie)、54HCT/74HCT系列(lie)(lie)等，实际上这三大系列(lie)(lie)之间的(de)(de)引脚功能、排列(lie)(lie)顺序是相同的(de)(de)，只是某些(xie)参数(shu)(shu)不(bu)同而(er)已。

例如，74HC4017与CD4017为功(gong)能(neng)相同、引(yin)脚(jiao)排列(lie)(lie)相同的(de)电(dian)路，前者的(de)工作(zuo)速度(du)高，工作(zuo)电(dian)源电(dian)压低(di)。4000系列(lie)(lie)中目前最(zui)常用(yong)的(de)是B系列(lie)(lie)，它采用(yong)了(le)硅栅(zha)工艺和双(shuang)缓冲输出结构(gou)。

Bi-CMOS是双极型CMOS（Bipolar-CMOS）电(dian)路(lu)的简(jian)称，这种门(men)电(dian)路(lu)的特(te)点(dian)是逻辑(ji)部分采(cai)用(yong)CMOS结构，输出级采(cai)用(yong)双极型三极管(guan)，因(yin)此(ci)兼有CMOS电(dian)路(lu)的低功耗和双极型电(dian)路(lu)输出阻抗(kang)低的优点(dian)。

低压应用

当使(shi)用5V电源，这(zhei)时(shi)候如果使(shi)用传(chuan)统(tong)的图腾柱(zhu)结构(gou)，由于三极(ji)管的be有0.7V左右(you)的压降，导(dao)致实际最终加在(zai)(zai)gate上(shang)的电压只(zhi)有4.3V。这(zhei)时(shi)候，我们选用标称(cheng)gate电压4.5V的MOS管就存在(zai)(zai)一定的风险。同样的问题也(ye)发生在(zai)(zai)使(shi)用3V或(huo)者(zhe)其他低压电源的场合(he)。

宽电压应用

输入(ru)(ru)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)并不(bu)是一(yi)个(ge)固定值，它会随(sui)着时(shi)(shi)间(jian)或者其他因素而变动。这个(ge)变动导致PWM电(dian)(dian)路(lu)提(ti)供(gong)给(ji)MOS管(guan)(guan)(guan)的(de)驱(qu)动电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)是不(bu)稳(wen)定的(de)。为了(le)让MOS管(guan)(guan)(guan)在(zai)高(gao)gate电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)下(xia)(xia)安全，很多MOS管(guan)(guan)(guan)内(nei)置了(le)稳(wen)压(ya)(ya)(ya)管(guan)(guan)(guan)强行限制gate电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)的(de)幅值。在(zai)这种情况下(xia)(xia)，当提(ti)供(gong)的(de)驱(qu)动电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)超过(guo)稳(wen)压(ya)(ya)(ya)管(guan)(guan)(guan)的(de)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)，就会引起较(jiao)(jiao)大的(de)静态功耗。同时(shi)(shi)，如(ru)果简单的(de)用电(dian)(dian)阻分(fen)压(ya)(ya)(ya)的(de)原(yuan)理(li)降低(di)gate电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)，就会出现输入(ru)(ru)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)比(bi)较(jiao)(jiao)高(gao)的(de)时(shi)(shi)候，MOS管(guan)(guan)(guan)工作良(liang)好，而输入(ru)(ru)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)降低(di)的(de)时(shi)(shi)候gate电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)不(bu)足，引起导通不(bu)够彻底，从而增加功耗。

双电压应用

在(zai)一(yi)些控制(zhi)(zhi)电路中，逻(luo)辑部分使(shi)用典(dian)型的(de)(de)5V或者(zhe)3.3V数字电压(ya)，而功率部分使(shi)用12V甚至更高的(de)(de)电压(ya)。两个电压(ya)采用共(gong)地方式(shi)连接(jie)。这(zhei)就提(ti)(ti)出一(yi)个要求，需要使(shi)用一(yi)个电路，让低压(ya)侧(ce)(ce)能够有效的(de)(de)控制(zhi)(zhi)高压(ya)侧(ce)(ce)的(de)(de)MOS管(guan)，同时高压(ya)侧(ce)(ce)的(de)(de)MOS管(guan)也同样会面对1和2中提(ti)(ti)到的(de)(de)问题(ti)。在(zai)这(zhei)三种情况下，图(tu)腾柱(zhu)结构无法满足输出要求，而很多现成的(de)(de)MOS驱动IC，似乎也没有包含gate电压(ya)限制(zhi)(zhi)的(de)(de)结构。

MOS电路图

P沟道MOS管开关电路

下图是两种P沟道MOS管(guan)开(kai)关电(dian)路应用(yong)：其中第一(yi)种NMOS管(guan)为高(gao)电(dian)平(ping)导(dao)通(tong)，低(di)电(dian)平(ping)截(jie)断，Drain端接后面(mian)电(dian)路的(de)接地端；第二种为P沟道MOS管(guan)开(kai)关电(dian)路，为高(gao)电(dian)平(ping)断开(kai)，低(di)电(dian)平(ping)导(dao)通(tong)，Drain端接后面(mian)电(dian)路的(de)VCC端。

P沟道MOS管开关电路工作原理

金属氧(yang)化物半导体场(chang)(chang)效应(MOS)晶(jing)(jing)体管(guan)可分(fen)为(wei)N沟(gou)道(dao)与P沟(gou)道(dao)两(liang)(liang)大类， P沟(gou)道(dao)硅(gui)MOS场(chang)(chang)效应晶(jing)(jing)体管(guan)在N型硅(gui)衬(chen)底上有(you)两(liang)(liang)个P+区，分(fen)别(bie)叫做源极(ji)(ji)和漏极(ji)(ji)，两(liang)(liang)极(ji)(ji)之间不通导，柵极(ji)(ji)上加(jia)有(you)足(zu)够(gou)的(de)正(zheng)电(dian)压(ya)(源极(ji)(ji)接(jie)地)时，柵极(ji)(ji)下(xia)的(de)N型硅(gui)表面(mian)呈现P型反型层，成为(wei)衔接(jie)源极(ji)(ji)和漏极(ji)(ji)的(de)沟(gou)道(dao)。改(gai)动(dong)栅压(ya)可以改(gai)动(dong)沟(gou)道(dao)中的(de)电(dian)子密度，从(cong)而改(gai)动(dong)沟(gou)道(dao)的(de)电(dian)阻。这种(zhong)MOS场(chang)(chang)效应晶(jing)(jing)体管(guan)称为(wei)P沟(gou)道(dao)增强型场(chang)(chang)效应晶(jing)(jing)体管(guan)。

假设N型(xing)(xing)硅衬底表面不加栅(zha)压就已存在(zai)P型(xing)(xing)反型(xing)(xing)层沟道，加上恰当(dang)的(de)(de)偏压，可使沟道的(de)(de)电阻增大或减(jian)小(xiao)。这样的(de)(de)MOS场效应(ying)晶体(ti)管(guan)称为(wei)P沟道耗(hao)尽型(xing)(xing)场效应(ying)晶体(ti)管(guan)。统称为(wei)PMOS晶体(ti)管(guan)。

P沟(gou)道MOS晶(jing)(jing)体(ti)(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)的(de)空(kong)穴迁移率低(di)，因而在MOS晶(jing)(jing)体(ti)(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)的(de)几何尺寸和(he)工(gong)作电(dian)压(ya)绝对值相等的(de)情况下，PMOS晶(jing)(jing)体(ti)(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)的(de)跨导(dao)小于N沟(gou)道MOS晶(jing)(jing)体(ti)(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)。此外，P沟(gou)道MOS晶(jing)(jing)体(ti)(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)阈(yu)值电(dian)压(ya)的(de)绝对值普通偏高，恳求有较(jiao)高的(de)工(gong)作电(dian)压(ya)。它的(de)供电(dian)电(dian)源的(de)电(dian)压(ya)大小和(he)极性，与双极型晶(jing)(jing)体(ti)(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)——晶(jing)(jing)体(ti)(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)逻辑(ji)电(dian)路(lu)不兼容。PMOS因逻辑(ji)摆幅大，充电(dian)放电(dian)过程长，加(jia)之(zhi)器件跨导(dao)小，所(suo)(suo)以工(gong)作速度更低(di)，在P沟(gou)道MOS管(guan)(guan)(guan)开关电(dian)路(lu)(见(jian)N沟(gou)道金属(shu)—氧化物—半导(dao)体(ti)(ti)(ti)集成(cheng)电(dian)路(lu))呈现(xian)之(zhi)后，多数已(yi)为NMOS电(dian)路(lu)所(suo)(suo)取代。

只是(shi)，因(yin)PMOS电(dian)路(lu)工艺简单(dan)，价(jia)钱低价(jia)，有(you)些中范(fan)围和小范(fan)围数字控制(zhi)电(dian)路(lu)仍采用(yong)PMOS电(dian)路(lu)技(ji)术。PMOS的(de)特性，Vgs小于(yu)(yu)一定(ding)的(de)值就会(hui)导(dao)通，适宜用(yong)于(yu)(yu)源(yuan)极接VCC时的(de)情况(kuang)（高(gao)端(duan)驱(qu)动(dong)）。但(dan)是(shi)，固然(ran)PMOS可以很便(bian)当地用(yong)作(zuo)高(gao)端(duan)驱(qu)动(dong)，但(dan)由于(yu)(yu)导(dao)通电(dian)阻大(da)，价(jia)钱贵，交流种类少等缘(yuan)由，在高(gao)端(duan)驱(qu)动(dong)中，通常(chang)还是(shi)运用(yong)NMOS。

正常工(gong)作时，P沟道(dao)增强型MOS管的衬(chen)(chen)底必需(xu)与源极相连，而漏心极的电(dian)(dian)(dian)压Vds应(ying)为负值，以保证两个P区与衬(chen)(chen)底之(zhi)间的PN结(jie)均为反偏，同时为了在衬(chen)(chen)底顶表面(mian)左(zuo)近构(gou)成导(dao)电(dian)(dian)(dian)沟道(dao)，栅(zha)极对源极的电(dian)(dian)(dian)压Vgs也应(ying)为负。

1．Ｖds≠Ｏ的情况导电(dian)沟(gou)(gou)(gou)道(dao)构(gou)成以后，ＤＳ间加(jia)(jia)负(fu)向电(dian)压(ya)(ya)时(shi)，那么在(zai)源极与漏极之间将有漏极电(dian)流Ｉd流通，而(er)且Ｉd随Vds而(er)增加(jia)(jia)．Ｉd沿沟(gou)(gou)(gou)道(dao)产生的压(ya)(ya)降(jiang)使(shi)(shi)沟(gou)(gou)(gou)道(dao)上各点(dian)与栅极间的电(dian)压(ya)(ya)不(bu)再(zai)相等，该电(dian)压(ya)(ya)削(xue)弱了栅极中(zhong)负(fu)电(dian)荷电(dian)场的作用，使(shi)(shi)沟(gou)(gou)(gou)道(dao)从漏极到源极逐渐(jian)变窄．当Ｖds增大到使(shi)(shi)Ｖgd＝Ｖgs（TH），沟(gou)(gou)(gou)道(dao)在(zai)漏极左近呈(cheng)现预夹断(duan)．

2．导(dao)电(dian)(dian)沟(gou)道(dao)的(de)构成（Ｖds＝0）当Vds=0时(shi)(shi)，在(zai)(zai)(zai)栅(zha)源之(zhi)间加负(fu)(fu)(fu)电(dian)(dian)压(ya)(ya)Vgs，由于绝缘层(ceng)(ceng)(ceng)的(de)存(cun)在(zai)(zai)(zai)，故没有电(dian)(dian)流，但是金(jin)属栅(zha)极(ji)被(bei)补充电(dian)(dian)而聚(ju)集负(fu)(fu)(fu)电(dian)(dian)荷，Ｎ型半导(dao)体中的(de)多(duo)子(zi)电(dian)(dian)子(zi)被(bei)负(fu)(fu)(fu)电(dian)(dian)荷排斥(chi)向体内运动，表面留(liu)下带正电(dian)(dian)的(de)离子(zi)，构成耗尽(jin)层(ceng)(ceng)(ceng)，随着Ｇ、Ｓ间负(fu)(fu)(fu)电(dian)(dian)压(ya)(ya)的(de)增(zeng)加，耗尽(jin)层(ceng)(ceng)(ceng)加宽，当Vgs增(zeng)大到(dao)一定值时(shi)(shi)，衬底中的(de)空(kong)穴（少子(zi)）被(bei)栅(zha)极(ji)中的(de)负(fu)(fu)(fu)电(dian)(dian)荷吸收到(dao)表面，在(zai)(zai)(zai)耗尽(jin)层(ceng)(ceng)(ceng)和绝缘层(ceng)(ceng)(ceng)之(zhi)间构成一个(ge)(ge)Ｐ型薄层(ceng)(ceng)(ceng)，称反(fan)型层(ceng)(ceng)(ceng)，这个(ge)(ge)反(fan)型层(ceng)(ceng)(ceng)就构成漏源之(zhi)间的(de)导(dao)电(dian)(dian)沟(gou)道(dao)，这时(shi)(shi)的(de)Ｖgs称为(wei)开启(qi)电(dian)(dian)压(ya)(ya)Vgs（th），Vgs到(dao)Vgs（th）后再增(zeng)加，衬底表面感应的(de)空(kong)穴越多(duo)，反(fan)型层(ceng)(ceng)(ceng)加宽，而耗尽(jin)层(ceng)(ceng)(ceng)的(de)宽度却不再变(bian)化，这样我们(men)可(ke)以用(yong)Vgs的(de)大小(xiao)控制(zhi)导(dao)电(dian)(dian)沟(gou)道(dao)的(de)宽度。

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