MOS晶體管特征及其靜態(tài)特性

?授課題目：MOS!體管特點及其靜態(tài)特點二?目的要求：授課目標：認識三種基本MOS晶體管的結(jié)構(gòu)特點，工作原理及其靜態(tài)特點授課要求：要修業(yè)生掌握C-MOS晶體管的分類，會解析其靜態(tài)特點原理圖三?重點，難點授課重點：C-MOS晶體管的分類，工作原理，解析其靜態(tài)特點原曲線授課難點：C-MOS晶體管工作原理，靜態(tài)特點原曲線的解析。四?授課內(nèi)容：MOS晶體管特點及其靜態(tài)特點本節(jié)將談論以金屬氧化物■半導體場效應管，也就是我們常說的M0管為基本元件的集成邏輯門，稱為M0邏輯門。M0管制造工藝簡單，功耗低，輸入阻抗高，集成度高且沒有電荷儲藏效應，在數(shù)字集成電路中用途特別廣泛。M0集成電路能夠依照所用管子種類的不同樣分為以下3種。NM0電路：NM0

電路是由

管構(gòu)成的集成電路。其工作速度優(yōu)于

但制造工藝要復雜些。PMOSt路：PMOSI路是由PMOSt構(gòu)成的集成電路。它出現(xiàn)的早，制造工藝簡單，但是工作速度較慢。CMOS電路：CMOSfe路是由PMOS管和CMO管構(gòu)成的互補集成MOSI靜態(tài)功耗低，抗攪亂能力強，工作牢固性好，開尖速度高等優(yōu)點。這類電路的藝復雜，但目前已經(jīng)獲取廣泛應用。

路,

它擁有制造工1?MOS晶體管M0管能夠依照結(jié)構(gòu)的不同樣分為NMOST（N溝道）和PMOSt（P溝道）。每一類又能夠依照其特點分為增強型和耗盡型兩種。PMO管是較早出現(xiàn)的產(chǎn)品，其電源電壓高且用負電壓，工作效率低，而且由它構(gòu)成的邏輯門與TTL型邏輯門不能夠兼容。比較而言，NMOST的工作效率較高，電源電壓為正電壓，由它構(gòu)成的邏輯門能與TTL型邏輯門兼容，所以應用范圍廣泛。其他，由一個NMO管和一個PMOS管能夠構(gòu)成功耗很小的CMOT，它的性能優(yōu)越，應用特別廣泛。下面我們以N溝道增強型MOT為例來介紹MOT的結(jié)構(gòu)和特點，并簡要介紹各樣MOT之間的差異。NMOST1）N溝道增強型MOT。N溝道增強型MOT的結(jié)構(gòu)如圖3-44所示。它是以P型硅片作襯底，利用擴散的方法在其上形成兩個混淆濃度很高的N區(qū)，分別稱為源極S和漏極B在硅表面上有SiO2絕緣層，在它之上再蒸發(fā)一層金屬鋁，引出線稱為柵極G在柵極未加正電壓時，源漏之間有兩個方向相反的PN吉，在源漏之間加電壓IDS,由于總會有一個PN吉是反向偏置，所以管子不會有電流，處于截止狀態(tài)iDS=0A3當在柵正電壓UGs,在襯底表面將會感覺電子。但在UG較小時，感覺的電子濃度小，在

極加S和D之間還不能夠形成導電溝道。當UG增加到必然值就會感覺出足夠的電子，在襯底表面形成N型層，將源極和漏極連接起來，形成了導電溝道（N溝道）。此時，在源極和漏極之間加電壓UD便會產(chǎn)生電流iD,即管子為導通狀態(tài)。開始形成導電溝道的柵極電壓稱為開啟電壓VNT（—般在1?2V）°當U=VDD-VTL（高電平）時，工作點在C點，這時兩管有同一電流流過，輸出低電平VOLO為了保證VoL<0.3V，要求TL的導通電阻DS遠大于TO的導通電阻盛。導通電阻與溝道的長寬比L/W成正比，所以要求TL管的Luw遠大于T。管的Lo/WO,即兩者應保持必然的比率尖系，稱為有比型電路，平時采用典型比率10：1。由于有比型電路中，兩個MO管的溝道尺寸差異很大，占用芯片面積大，不利于提高集成度。這類反向器的特點是：單一電源，電路結(jié)構(gòu)簡單；TL管總是工作在飽和區(qū)，工作速度低'功耗低；輸出高電平為VDD—VTL,電源電壓未充分利用°N溝道耗盡型MO管。這各種類的MO管與增強型近似，但在制造時，在S與D極間的襯底表面上已形成了N型溝道，所以柵壓UGS為0V時，仍有導電溝道存在，在源極和漏極之間加電壓UDS即有電流i0。在柵極加負電壓，N型溝道變淺，柵壓負到必然數(shù)值，以致把這條N型導電溝道全部耗盡時，MO管就不能夠?qū)ǎ苑Q之為耗盡型，此時的柵壓稱為夾斷電壓VN。3.PMOS管P溝道增強型MO管。用N型硅片作襯底，在其上擴散兩個P區(qū)，并在柵極上加負電壓，可形成P溝道增強型MO管。一般它的開啟電壓為VTP=-(1-2.5)Vo在P型溝道中，載流子是空穴，由于空穴的遷移率約為電子遷移率的一半，所以PMO管的效率比NMO管要低。P溝道耗盡型MO管。這類MO管在制造過程中，即使柵壓為0V時也有P溝道形成，當柵壓加正電壓并達到必然的值時，P溝道被耗盡，該MO管不能夠?qū)ā４祟怣O管制作的工藝復雜，在實質(zhì)的集成電路中很少使用。MOS晶體管的靜態(tài)特點以N溝道增強型MO管為例來談論MO尖的主要特f生。1-輸出特點曲線輸出特點曲線是表示在必然的道增強型的MOS管的輸出特點曲線如圖3?義及相尖的看法。

UG下，iD和UDS之間尖系的曲線。45所示。下面我們來講解一下該曲線的

N溝含*非飽和區(qū)：UDs值較小，在滿足UDSVUGS—VN時，iDs與LDs近似成線性尖系。當Uas增大，貝U形成的導電溝道越寬，相應的等效電阻越小，所以一準時，溝道電阻也為定值，所以UDS越大使電子流動加快，iDS

iDS越大；當UGs便線性增加。非飽和區(qū)又稱為可調(diào)電阻區(qū)。*飽和區(qū)：UDs增加到UDs》UGs-VN此后，在漏極周邊的溝道被夾斷，即導電溝道要縮短，形成空間電荷區(qū)，其中電子是在電壓作用下吸入漏極D,形成iDso由于溝道兩端的電壓恒定，所以iDS基本上保持不變。iDS與UDs近似無尖。對應不同樣的UGs使電流趨于飽和的Ubs也不同樣，在輸出特點曲線上，把滿足UDS=UGS?VTN的臨界點連接起來便構(gòu)成非飽和區(qū)和飽和區(qū)的分界線，我們稱之為臨界線，如圖3-45中的虛線。*截止區(qū)：當UG<VTN時，沒有導電溝道iDS~OAo由以上的解析可知，

M0

管在作開尖用時，在開尖信號的作用下交替工作在

截止與導通狀態(tài)。?轉(zhuǎn)移持性曲線.輸出特點曲線是表示在必然的UGsT,iD和UDs之間尖系的曲線。N溝道增強型的MOS管的輸出特點曲線如圖3?45所示。下面我們來講解一下該曲線的含義及相尖的就匕區(qū)f；BS圖3-45N溝道增強型MOS管特點曲線轉(zhuǎn)移特點是指在漏源電壓UDs—準時，iD