详解，N沟道MOS管和P沟道MOS管

先讲讲MOS/CMOS集成(cheng)电路

MOS集成电路特点：

制造工艺比(bi)较简单(dan)(dan)、成(cheng)品率(lv)较高、功耗低、组成(cheng)的逻(luo)辑电路比(bi)较简单(dan)(dan)，集(ji)成(cheng)度高、抗干(gan)扰能力强，特别(bie)适合于大(da)规模集(ji)成(cheng)电路。

MOS集成电路包括:

NMOS管组(zu)(zu)成(cheng)的NMOS电路、PMOS管组(zu)(zu)成(cheng)的PMOS电路及由NMOS和PMOS两(liang)种管子(zi)组(zu)(zu)成(cheng)的互补MOS电路，即CMOS电路。

PMOS门(men)电(dian)路与NMOS电(dian)路的原理(li)完全相同，只是(shi)电(dian)源极性相反而已(yi)。

数字电(dian)路(lu)中MOS集成(cheng)电(dian)路(lu)所(suo)使用的MOS管(guan)均为增(zeng)强型管(guan)子(zi)，负(fu)(fu)载常用MOS管(guan)作(zuo)为有源负(fu)(fu)载，这样不仅节省了(le)(le)硅片面积，而且简化了(le)(le)工艺(yi)利于(yu)大(da)规模集成(cheng)。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(gou)的晶体管(guan)(guan)简称MOS晶体管(guan)(guan)，有(you)P型(xing)MOS管(guan)(guan)和N型(xing)MOS管(guan)(guan)之分。MOS管(guan)(guan)构(gou)成的集成电(dian)路(lu)称为(wei)MOS集成电(dian)路(lu)，而PMOS管(guan)(guan)和NMOS管(guan)(guan)共(gong)同构(gou)成的互(hu)补型(xing)MOS集成电(dian)路(lu)即为(wei)CMOS集成电(dian)路(lu)。

由p型(xing)(xing)(xing)衬底和两(liang)个高浓度(du)n扩散区构成(cheng)的MOS管(guan)(guan)(guan)(guan)叫作(zuo)n沟(gou)道MOS管(guan)(guan)(guan)(guan)，该管(guan)(guan)(guan)(guan)导(dao)通时(shi)在(zai)两(liang)个高浓度(du)n扩散区间(jian)形成(cheng)n型(xing)(xing)(xing)导(dao)电(dian)(dian)沟(gou)道。n沟(gou)道增(zeng)强型(xing)(xing)(xing)MOS管(guan)(guan)(guan)(guan)必(bi)须在(zai)栅(zha)极上施加(jia)正向偏压，且只有(you)栅(zha)源电(dian)(dian)压大于阈值(zhi)电(dian)(dian)压时(shi)才有(you)导(dao)电(dian)(dian)沟(gou)道产(chan)生(sheng)的n沟(gou)道MOS管(guan)(guan)(guan)(guan)。n沟(gou)道耗尽型(xing)(xing)(xing)MOS管(guan)(guan)(guan)(guan)是指在(zai)不加(jia)栅(zha)压（栅(zha)源电(dian)(dian)压为零）时(shi)，就(jiu)有(you)导(dao)电(dian)(dian)沟(gou)道产(chan)生(sheng)的n沟(gou)道MOS管(guan)(guan)(guan)(guan)。

NMOS集(ji)成(cheng)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)是(shi)N沟(gou)道MOS电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)，NMOS集(ji)成(cheng)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)的(de)(de)输(shu)入(ru)阻抗(kang)很(hen)高(gao)，基本上(shang)不需要(yao)(yao)(yao)吸收电(dian)(dian)(dian)流，因此，CMOS与(yu)(yu)NMOS集(ji)成(cheng)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)连接(jie)(jie)时不必考虑(lv)电(dian)(dian)(dian)流的(de)(de)负载问题(ti)。NMOS集(ji)成(cheng)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)大多采用(yong)(yong)单组(zu)正电(dian)(dian)(dian)源供电(dian)(dian)(dian)，并且以5V为多。CMOS集(ji)成(cheng)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)只要(yao)(yao)(yao)选用(yong)(yong)与(yu)(yu)NMOS集(ji)成(cheng)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)相同的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)源，就可与(yu)(yu)NMOS集(ji)成(cheng)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)直(zhi)接(jie)(jie)连接(jie)(jie)。不过，从NMOS到CMOS直(zhi)接(jie)(jie)连接(jie)(jie)时，由于NMOS输(shu)出的(de)(de)高(gao)电(dian)(dian)(dian)平(ping)低于CMOS集(ji)成(cheng)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)的(de)(de)输(shu)入(ru)高(gao)电(dian)(dian)(dian)平(ping)，因而需要(yao)(yao)(yao)使用(yong)(yong)一个（电(dian)(dian)(dian)位(wei)）上(shang)拉电(dian)(dian)(dian)阻R，R的(de)(de)取(qu)值(zhi)一般选用(yong)(yong)2～100KΩ。

N沟道增强型MOS管的结构

在一块掺杂(za)浓(nong)度较低的P型硅衬底上，制作两个高掺杂(za)浓(nong)度的N+区，并用(yong)金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源(yuan)极s。

然后在(zai)半导体表面覆(fu)盖一(yi)层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘(yuan)层，在(zai)漏——源极(ji)间的绝缘(yuan)层上再装(zhuang)上一(yi)个铝电(dian)极(ji),作为栅极(ji)g。

在(zai)衬底上也引出(chu)一(yi)个电极B，这就构成了一(yi)个N沟(gou)道增强型MOS管(guan)。MOS管(guan)的(de)源极和衬底通常是接在(zai)一(yi)起的(de)(大多数管(guan)子在(zai)出(chu)厂前已(yi)连接好)。

它的(de)栅极与其它电极间是绝(jue)缘的(de)。

图(a)、(b)分别是它的(de)结构(gou)示(shi)(shi)意图和代(dai)表(biao)(biao)符号(hao)(hao)。代(dai)表(biao)(biao)符号(hao)(hao)中(zhong)的(de)箭(jian)头(tou)方向表(biao)(biao)示(shi)(shi)由P(衬(chen)底)指向N(沟(gou)道)。P沟(gou)道增强型MOS管的(de)箭(jian)头(tou)方向与上述相反，如图(c)所(suo)示(shi)(shi)。

N沟道增强型MOS管的工作原理

（1）vGS对(dui)iD及(ji)沟道的控制作用(yong)

① vGS=0 的情况(kuang)

从图1(a)可以看(kan)出，增(zeng)强型MOS管的漏(lou)极(ji)d和源极(ji)s之间有两个背靠背的PN结。当栅——源电(dian)压vGS=0时，即使加上漏(lou)——源电(dian)压vDS，而且不论vDS的极(ji)性如何，总有一个PN结处于反偏状态(tai)，漏(lou)——源极(ji)间没有导电(dian)沟道(dao)，所以这时漏(lou)极(ji)电(dian)流iD≈0。

② vGS>0 的情况(kuang)

若(ruo)vGS＞0，则栅(zha)极和衬底(di)之(zhi)间的(de)SiO2绝缘(yuan)层(ceng)中便(bian)产生一个电场(chang)(chang)。电场(chang)(chang)方向垂直于半导(dao)体(ti)表(biao)面的(de)由栅(zha)极指向衬底(di)的(de)电场(chang)(chang)。这(zhei)个电场(chang)(chang)能排斥空(kong)穴而(er)吸(xi)引电子。

排斥空穴：使栅极附近的(de)P型衬(chen)(chen)底中(zhong)的(de)空穴被排斥，剩下不能(neng)移动的(de)受主离子(zi)(负离子(zi))，形成耗尽层。吸引电子(zi)：将 P型衬(chen)(chen)底中(zhong)的(de)电子(zi)（少子(zi)）被吸引到衬(chen)(chen)底表面。

（2）导电沟道的形成：

当vGS数值(zhi)较(jiao)小，吸引(yin)电子(zi)的(de)(de)能力不强时，漏——源(yuan)极之间仍无导电沟(gou)(gou)道出现(xian)，如(ru)(ru)图(tu)1(b)所(suo)示(shi)。vGS增(zeng)加(jia)时，吸引(yin)到P衬(chen)底表面层(ceng)的(de)(de)电子(zi)就增(zeng)多(duo)，当vGS达到某一(yi)数值(zhi)时，这些(xie)电子(zi)在栅极附近的(de)(de)P衬(chen)底表面便形成(cheng)一(yi)个N型薄(bo)层(ceng)，且(qie)与(yu)两个N+区相连通，在漏——源(yuan)极间形成(cheng)N型导电沟(gou)(gou)道，其导电类型与(yu)P衬(chen)底相反，故又称为反型层(ceng)，如(ru)(ru)图(tu)1(c)所(suo)示(shi)。vGS越(yue)大，作用于半导体表面的(de)(de)电场就越(yue)强，吸引(yin)到P衬(chen)底表面的(de)(de)电子(zi)就越(yue)多(duo)，导电沟(gou)(gou)道越(yue)厚，沟(gou)(gou)道电阻越(yue)小。

开始形(xing)成沟(gou)道时的栅——源极电(dian)压(ya)称(cheng)为开启电(dian)压(ya)，用VT表示(shi)。

上面(mian)讨论(lun)的(de)N沟(gou)道(dao)MOS管在(zai)vGS＜VT时，不能(neng)形成导电(dian)沟(gou)道(dao)，管子(zi)处于(yu)截止状态。只有当vGS≥VT时，才有沟(gou)道(dao)形成。这种必(bi)须在(zai)vGS≥VT时才能(neng)形成导电(dian)沟(gou)道(dao)的(de)MOS管称为(wei)增强型MOS管。沟(gou)道(dao)形成以后(hou)，在(zai)漏——源极间加上正向电(dian)压vDS，就有漏极电(dian)流产生(sheng)。

vDS对iD的影响

 如图(a)所示(shi)，当vGS>VT且为一确定(ding)值时(shi)，漏(lou)——源(yuan)电(dian)压vDS对(dui)导电(dian)沟道及电(dian)流iD的影响(xiang)与结型场效应(ying)管(guan)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=vGS－vDS，因而这里沟道最薄。但当vDS较小（vDS

随着vDS的(de)增(zeng)大，靠近漏(lou)极的(de)沟道越来越薄，当vDS增(zeng)加到使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)时，沟道在(zai)漏(lou)极一端出(chu)现预夹(jia)断(duan)(duan)，如图2(b)所示(shi)。再继续增(zeng)大vDS，夹(jia)断(duan)(duan)点将向源极方向移动，如图2(c)所示(shi)。由于vDS的(de)增(zeng)加部(bu)分几(ji)乎(hu)全部(bu)降落在(zai)夹(jia)断(duan)(duan)区(qu)，故iD几(ji)乎(hu)不随vDS增(zeng)大而增(zeng)加，管子(zi)进入饱和(he)区(qu)，iD几(ji)乎(hu)仅(jin)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(fang)程

1）输出特性曲线

N沟道(dao)增强型MOS管的输出特性曲线如图1(a)所示。与结型场(chang)效(xiao)应(ying)管一(yi)样,其输出特性曲线也可分(fen)(fen)为可变电(dian)阻(zu)区(qu)、饱(bao)和(he)区(qu)、截止区(qu)和(he)击穿区(qu)几部分(fen)(fen)。

2）转移(yi)特(te)性曲(qu)线

转移(yi)(yi)(yi)特(te)(te)性曲(qu)(qu)线(xian)(xian)如图1(b)所(suo)(suo)示(shi),由于(yu)场效(xiao)应管(guan)作(zuo)放大(da)器件使用时是工作(zuo)在饱和区(qu)(恒流(liu)区(qu)),此时iD几(ji)乎不随vDS而变化,即不同(tong)的(de)(de)vDS所(suo)(suo)对应的(de)(de)转移(yi)(yi)(yi)特(te)(te)性曲(qu)(qu)线(xian)(xian)几(ji)乎是重合的(de)(de),所(suo)(suo)以可用vDS大(da)于(yu)某一数值(vDS＞vGS-VT)后的(de)(de)一条转移(yi)(yi)(yi)特(te)(te)性曲(qu)(qu)线(xian)(xian)代(dai)替饱和区(qu)的(de)(de)所(suo)(suo)有转移(yi)(yi)(yi)特(te)(te)性曲(qu)(qu)线(xian)(xian)。

3）iD与(yu)vGS的近似关系

与(yu)结型场效应管相(xiang)类(lei)似(si)。在(zai)饱和区内,iD与(yu)vGS的近似(si)关系式为(wei)

式中IDO是(shi)vGS=2VT时(shi)的(de)漏(lou)极电流iD。

（2）参数

MOS管(guan)的主(zhu)要参数与(yu)结(jie)型场效应(ying)管(guan)基本相同，只是(shi)增(zeng)强型MOS管(guan)中不(bu)用(yong)夹断电压(ya)VP ，而(er)用(yong)开启电压(ya)VT表征管(guan)子的特性(xing)。

N沟道耗(hao)尽型(xing)MOS管的基本结构

（1）结构(gou)：

N沟道耗尽型(xing)MOS管(guan)与N沟道增强型(xing)MOS管(guan)基本相似(si)。

（2）区(qu)别：

耗尽型(xing)MOS管在vGS=0时，漏——源极间已有导(dao)电沟道(dao)产生(sheng)，而增强型(xing)MOS管要在vGS≥VT时才出(chu)现(xian)导(dao)电沟道(dao)。

（3）原因：

制造N沟道(dao)耗尽(jin)型MOS管时(shi)，在SiO2绝(jue)缘层中掺(chan)入了大量的碱金属正(zheng)(zheng)离子(zi)Na+或K+(制造P沟道(dao)耗尽(jin)型MOS管时(shi)掺(chan)入负离子(zi))，如图(tu)1(a)所(suo)示(shi)，因此即使vGS=0时(shi)，在这些正(zheng)(zheng)离子(zi)产(chan)生的电(dian)场作(zuo)用下，漏——源极(ji)间的P型衬底表面也能感应(ying)生成N沟道(dao)(称为初(chu)始沟道(dao))，只要加上正(zheng)(zheng)向电(dian)压vDS，就(jiu)有电(dian)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

（4）电流方程：

在(zai)饱和区(qu)内，耗尽型MOS管的(de)电流(liu)方程(cheng)与(yu)结型场(chang)效应管的(de)电流(liu)方程(cheng)相同，即：

各(ge)种场效应(ying)管(guan)特性比较

P沟MOS晶体管

金属氧化物半导(dao)体(ti)(ti)场(chang)效(xiao)(xiao)(xiao)应(ying)(MOS)晶(jing)(jing)(jing)体(ti)(ti)管(guan)可分为(wei)N沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)与P沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)两(liang)大类，P沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)硅(gui)MOS场(chang)效(xiao)(xiao)(xiao)应(ying)晶(jing)(jing)(jing)体(ti)(ti)管(guan)在(zai)(zai)N型(xing)(xing)(xing)硅(gui)衬底上(shang)有两(liang)个P+区(qu)，分别(bie)叫做源(yuan)极(ji)和(he)漏(lou)极(ji)，两(liang)极(ji)之间不(bu)通导(dao)，柵极(ji)上(shang)加(jia)(jia)有足够的(de)(de)正电(dian)压(源(yuan)极(ji)接(jie)地)时(shi)，柵极(ji)下的(de)(de)N型(xing)(xing)(xing)硅(gui)表面呈现P型(xing)(xing)(xing)反型(xing)(xing)(xing)层，成为(wei)连(lian)接(jie)源(yuan)极(ji)和(he)漏(lou)极(ji)的(de)(de)沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)。改(gai)变栅(zha)压可以改(gai)变沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)中的(de)(de)电(dian)子密度，从而(er)改(gai)变沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)的(de)(de)电(dian)阻。这种MOS场(chang)效(xiao)(xiao)(xiao)应(ying)晶(jing)(jing)(jing)体(ti)(ti)管(guan)称(cheng)为(wei)P沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)增强型(xing)(xing)(xing)场(chang)效(xiao)(xiao)(xiao)应(ying)晶(jing)(jing)(jing)体(ti)(ti)管(guan)。如(ru)果N型(xing)(xing)(xing)硅(gui)衬底表面不(bu)加(jia)(jia)栅(zha)压就(jiu)已(yi)存(cun)在(zai)(zai)P型(xing)(xing)(xing)反型(xing)(xing)(xing)层沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)，加(jia)(jia)上(shang)适当的(de)(de)偏压，可使沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)的(de)(de)电(dian)阻增大或减小。这样的(de)(de)MOS场(chang)效(xiao)(xiao)(xiao)应(ying)晶(jing)(jing)(jing)体(ti)(ti)管(guan)称(cheng)为(wei)P沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)耗(hao)尽(jin)型(xing)(xing)(xing)场(chang)效(xiao)(xiao)(xiao)应(ying)晶(jing)(jing)(jing)体(ti)(ti)管(guan)。统称(cheng)为(wei)PMOS晶(jing)(jing)(jing)体(ti)(ti)管(guan)。

P沟(gou)道MOS晶体管(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)空穴迁移(yi)率低(di),因(yin)而在(zai)MOS晶体管(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)几何尺寸(cun)和(he)工(gong)作(zuo)电(dian)(dian)(dian)压(ya)绝对值(zhi)相等的(de)(de)(de)(de)情况下，PMOS晶体管(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)跨导小(xiao)于N沟(gou)道MOS晶体管(guan)(guan)。此外，P沟(gou)道MOS晶体管(guan)(guan)阈值(zhi)电(dian)(dian)(dian)压(ya)的(de)(de)(de)(de)绝对值(zhi)一般(ban)偏高(gao)，要求有较高(gao)的(de)(de)(de)(de)工(gong)作(zuo)电(dian)(dian)(dian)压(ya)。它的(de)(de)(de)(de)供电(dian)(dian)(dian)电(dian)(dian)(dian)源的(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)压(ya)大小(xiao)和(he)极(ji)(ji)性,与双(shuang)极(ji)(ji)型晶体管(guan)(guan)——晶体管(guan)(guan)逻辑电(dian)(dian)(dian)路不兼(jian)容(rong)。PMOS因(yin)逻辑摆幅大，充(chong)电(dian)(dian)(dian)放电(dian)(dian)(dian)过程长，加(jia)之(zhi)器件跨导小(xiao)，所以工(gong)作(zuo)速度(du)更低(di)，在(zai)NMOS电(dian)(dian)(dian)路(见N沟(gou)道金属—氧化物—半(ban)导体集(ji)成电(dian)(dian)(dian)路)出现之(zhi)后，多数已为NMOS电(dian)(dian)(dian)路所取代。只是,因(yin)PMOS电(dian)(dian)(dian)路工(gong)艺简单,价格便宜(yi)，有些中规(gui)模和(he)小(xiao)规(gui)模数字(zi)控(kong)制电(dian)(dian)(dian)路仍采(cai)用PMOS电(dian)(dian)(dian)路技术。

PMOS集(ji)成电(dian)(dian)路是(shi)一种(zhong)适合在(zai)低速、低频领域内应用(yong)的器件(jian)。PMOS集(ji)成电(dian)(dian)路采(cai)用(yong)-24V电(dian)(dian)压供电(dian)(dian)。如图5所示的CMOS-PMOS接口电(dian)(dian)路采(cai)用(yong)两种(zhong)电(dian)(dian)源供电(dian)(dian)。采(cai)用(yong)直接接口方式，一般CMOS的电(dian)(dian)源电(dian)(dian)压选择(ze)在(zai)10～12V就能满足PMOS对输入电(dian)(dian)平的要(yao)求。

MOS场效应晶体(ti)管(guan)具有很(hen)高的(de)输入阻抗(kang)，在电(dian)路中便于直接耦合，容易制(zhi)成(cheng)规模(mo)大的(de)集成(cheng)电(dian)路。

各种场效应管特性比较(jiao)

联系方式(shi)：邹(zou)先生

联系电(dian)话：0755-83888366-8022

手机：18123972950

QQ：2880195519

联(lian)系地址：深圳市(shi)福田区车公庙天安数码城天吉大厦CD座5C1

关(guan)注KIA半导体工程专辑请搜微(wei)信(xin)号:“KIA半导体”或点击(ji)本文下方图片扫(sao)一扫(sao)进入官方微(wei)信(xin)“关(guan)注”

长按(an)二维码(ma)识别关注