MOS管的工作原理

MOS管工作原理金屬-氧化物-半導(dǎo)體(Metal-Oxide-SemIConductor)構(gòu)造的晶體管簡稱MOS晶體管，有P型MOS管和N型MOS管之分。MOS管構(gòu)成的集成電路稱為MOS集成電路，而PMOS管和NMOS管共同構(gòu)成的互補(bǔ)型MOS集成電路即為CMOS集成電路。由p型襯底和兩個(gè)高濃度n擴(kuò)散區(qū)構(gòu)成的MOS管叫作n溝道MOS管，該管導(dǎo)通時(shí)在兩個(gè)高濃度n擴(kuò)散區(qū)間形成n型導(dǎo)電溝道。n溝道增強(qiáng)型MOS管必須在柵極上施加正向偏壓，且只有柵源電壓不小于閾值電壓時(shí)才有導(dǎo)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?xùn)艍海旁措妷簽榱悖r(shí)，就有導(dǎo)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，基本上不需要吸取電流，因此，CMOS與NMOS集成電路連接時(shí)不必考慮電流的負(fù)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集成電路相似的電源，就可與NMOS集成電路直接連接。不過，從NMOS到CMOS直接連接時(shí)，由于NMOS輸出的高電平低于CMOS集成電路的輸入高電平，因而需要使用一種（電位）上拉電阻R，R的取值一般選用2～100KΩ。N溝道增強(qiáng)型MOS管的構(gòu)造在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上，制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個(gè)電極，分別作漏極d和源極s。然后在半導(dǎo)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種鋁電極,作為柵極g。在襯底上也引出一種電極B，這就構(gòu)成了一種N溝道增強(qiáng)型MOS管。MOS管的源極和襯底一般是接在一起的(大多數(shù)管子在出廠前已連接好)。它的柵極與其他電極間是絕緣的。圖(a)、(b)分別是它的構(gòu)造示意圖和代表符號。代表符號中的箭頭方向表達(dá)由P(襯底)指向N(溝道)。P溝道增強(qiáng)型MOS管的箭頭方向與上述相反，如圖(c)所示。Desc=":Bk064914j-1.jpg"small="0">N溝道增強(qiáng)型MOS管的工作原理（1）vGS對iD及溝道的控制作用①vGS=0的狀況從圖1(a)可以看出，增強(qiáng)型MOS管的漏極d和源極s之間有兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵——源電壓vGS=0時(shí)，雖然加上漏——源電壓vDS，并且不管vDS的極性怎樣，總有一種PN結(jié)處在反偏狀態(tài)，漏——源極間沒有導(dǎo)電溝道，因此這時(shí)漏極電流iD≈0。②vGS>0的狀況若vGS＞0，則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一種電場。電場方向垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場。這個(gè)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，剩余不能移動(dòng)的受主離子(負(fù)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(dǎo)電溝道的形成：當(dāng)vGS數(shù)值較小，吸引電子的能力不強(qiáng)時(shí)，漏——源極之間仍無導(dǎo)電溝道出現(xiàn)，如圖1(b)所示。vGS增長時(shí)，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當(dāng)vGS到達(dá)某一數(shù)值時(shí)，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一種N型薄層，且與兩個(gè)N+區(qū)相連通，在漏——源極間形成N型導(dǎo)電溝道，其導(dǎo)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(dǎo)體表面的電場就越強(qiáng)，吸引到P襯底表面的電子就越多，導(dǎo)電溝道越厚，溝道電阻越小。開始形成溝道時(shí)的柵——源極電壓稱為啟動(dòng)電壓，用VT表達(dá)。上面討論的N溝道MOS管在vGS＜VT時(shí)，不能形成導(dǎo)電溝道，管子處在截止?fàn)顟B(tài)。只有當(dāng)vGS≥VT時(shí)，才有溝道形成。這種必須在vGS≥VT時(shí)才能形成導(dǎo)電溝道的MOS管稱為增強(qiáng)型MOS管。溝道形成后來，在漏——源極間加上正向電壓vDS，就有漏極電流產(chǎn)生。vDS對iD的影響Desc=":Bk064914j-2.jpg"small="0">如圖(a)所示，當(dāng)vGS>VT且為一確定值時(shí)，漏——源電壓vDS對導(dǎo)電溝道及電流iD的影響與結(jié)型場效應(yīng)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(diǎn)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(dāng)vDS較?。╲DS<vGS–VT）時(shí)，它對溝道的影響不大，這時(shí)只要vGS一定，溝道電阻幾乎也是一定的，因此iD隨vDS近似呈線性變化。伴隨vDS的增大，靠近漏極的溝道越來越薄，當(dāng)vDS增長到使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)時(shí)，溝道在漏極一端出現(xiàn)預(yù)夾斷，如圖2(b)所示。再繼續(xù)增大vDS，夾斷點(diǎn)將向源極方向移動(dòng)，如圖2(c)所示。由于vDS的增長部分幾乎所有降落在夾斷區(qū)，故iD幾乎不隨vDS增大而增長，管子進(jìn)入飽和區(qū)，iD幾乎僅由vGS決定。N溝道增強(qiáng)型MOS管的特性曲線、電流方程及參數(shù)（1）特性曲線和電流方程Desc=":Bk064914j-3.jpg"small="0">1）輸出特性曲線N溝道增強(qiáng)型MOS管的輸出特性曲線如圖1(a)所示。與結(jié)型場效應(yīng)管同樣,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(yīng)管作放大器件使用時(shí)是工作在飽和區(qū)(恒流區(qū)),此時(shí)iD幾乎不隨vDS而變化,即不一樣的vDS所對應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線幾乎是重疊的,因此可用vDS不小于某一數(shù)值(vDS＞vGS-VT)后的一條轉(zhuǎn)移特性曲線替代飽和區(qū)的所有轉(zhuǎn)移特性曲線.3）iD與vGS的近似關(guān)系與結(jié)型場效應(yīng)管相類似。在飽和區(qū)內(nèi),iD與vGS的近似關(guān)系式為Desc=":Bk064914j-4.jpg"small="0">式中IDO是vGS=2VT時(shí)的漏極電流iD。（2）參數(shù)MOS管的重要參數(shù)與結(jié)型場效應(yīng)管基本相似，只是增強(qiáng)型MOS管中不用夾斷電壓VP，而用啟動(dòng)電壓VT表征管子的特性。N溝道耗盡型MOS管的基本構(gòu)造Desc=":Bk064914j-5.jpg"small="0">（1）構(gòu)造：N溝道耗盡型MOS管與N溝道增強(qiáng)型MOS管基本相似。（2）區(qū)別：耗盡型MOS管在vGS=0時(shí)，漏——源極間已經(jīng)有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生，而增強(qiáng)型MOS管要在vGS≥VT時(shí)才出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。（3）原因：制造N溝道耗盡型MOS管時(shí)，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(shí)摻入負(fù)離子)，如圖1(a)所示，因此雖然vGS=0時(shí)，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(yīng)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。假如加上正的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(fù)時(shí)，溝道中感應(yīng)的電子減少，溝道變窄，溝道電阻變大，iD減小。當(dāng)vGS負(fù)向增長到某一數(shù)值時(shí)，導(dǎo)電溝道消失，iD趨于零，管子截止，故稱為耗盡型。溝道消失時(shí)的柵－源電壓稱為夾斷電壓，仍用VP表達(dá)。與N溝道結(jié)型場效應(yīng)管相似，N溝道耗盡型