晶体管原理扫盲

晶体管原理扫盲晶体管原理扫盲 N 沟沟 MOS 晶体管晶体管 金属 氧化物 半导体 Metal Oxide Semiconductor 结构的晶体管简称 MOS 晶体管 有 P 型 MOS 管和 N 型 MOS 管之分 MOS 管构成的集成电路称为 MO S 集成电路 而 PMOS 管和 NMOS 管共同构成的互补型 MOS 集成电路即为 CM OS IC 由 p 型衬底和两个高浓度 n 扩散区构成的 MOS 管叫作 n 沟道 MOS 管 该 管导通时在两个高浓度 n 扩散区间形成 n 型导电沟道 n 沟道增强型 MOS 管必 须在栅极上施加正向偏压 且只有栅源电压大于阈值电压时才有导电沟道产生 的 n 沟道 MOS 管 n 沟道耗尽型 MOS 管是指在不加栅压 栅源电压为零 时 就有导电沟道产生的 n 沟道 MOS 管 NMOS 集成电路是 N 沟道 MOS 电路 NMOS 集成电路的输入阻抗很高 基 本上不需要吸收电流 因此 CMOS 与 NMOS 集成电路连接时不必考虑电流的 负载问题 NMOS 集成电路大多采用单组正电源供电 并且以 5V 为多 CMOS 集成电路只要选用与 NMOS 集成电路相同的电源 就可与 NMOS 集成电路直接 连接 不过 从 NMOS 到 CMOS 直接连接时 由于 NMOS 输出的高电平低于 C MOS 集成电路的输入高电平 因而需要使用一个 电位 上拉电阻 R R 的取 值一般选用 2 100K 编辑 N 沟道增强型沟道增强型 MOS 管的结构管的结构 在一块掺杂浓度较低的 P 型硅衬底上 制作两个高掺杂浓度的 N 区 并用 金属铝引出两个电极 分别作漏极 d 和源极 s 然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅 SiO2 绝缘层 在漏 源极间 的绝缘层上再装上一个铝电极 作为栅极 g 在衬底上也引出一个电极 B 这就构成了一个 N 沟道增强型 MOS 管 MOS 管的源极和衬底通常是接在一起的 大多数管子在出厂前已连接好 它的栅极与其它电极间是绝缘的 图 a b 分别是它的结构示意图和代表符号 代表符号中的箭头方向表示 由 P 衬底 指向 N 沟道 P 沟道增强型 MOS 管的箭头方向与上述相反 如图 c 所 示 编辑 N 沟道增强型沟道增强型 MOS 管的工作原理管的工作原理 1 vGS 对 iD 及沟道的控制作用 vGS 0 的情况 从图 1 a 可以看出 增强型 MOS 管的漏极 d 和源极 s 之间有两个背靠背的 PN 结 当栅 源电压 vGS 0 时 即使加上漏 源电压 vDS 而且不论 vDS 的极性如何 总有一个 PN 结处于反偏状态 漏 源极间没有导电沟道 所以 这时漏极电流 iD 0 vGS 0 的情况 若 vGS 0 则栅极和衬底之间的 SiO2 绝缘层中便产生一个电场 电场方向 垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场 这个电场能排斥空穴而吸引电子 排斥空穴 使栅极附近的 P 型衬底中的空穴被排斥 剩下不能移动的受主离 子 负离子 形成耗尽层 吸引电子 将 P 型衬底中的电子 少子 被吸引到 衬底表面 2 导电沟道的形成 当 vGS 数值较小 吸引电子的能力不强时 漏 源极之间仍无导电沟道出 现 如图 1 b 所示 vGS 增加时 吸引到 P 衬底表面层的电子就增多 当 vGS 达到某一数值时 这些电子在栅极附近的 P 衬底表面便形成一个 N 型薄层 且 与两个 N 区相连通 在漏 源极间形成 N 型导电沟道 其导电类型与 P 衬 底相反 故又称为反型层 如图 1 c 所示 vGS 越大 作用于半导体表面的电 场就越强 吸引到 P 衬底表面的电子就越多 导电沟道越厚 沟道电阻越小 开始形成沟道时的栅 源极电压称为开启电压 用 VT 表示 上面讨论的 N 沟道 MOS 管在 vGS VT 时 不能形成导电沟道 管子处于截 止状态 只有当 vGS VT 时 才有沟道形成 这种必须在 vGS VT 时才能形成 导电沟道的 MOS 管称为增强型 MOS 管 沟道形成以后 在漏 源极间加上 正向电压 vDS 就有漏极电流产生 vDS 对 iD 的影响 如图 a 所示 当 vGS VT 且为一确定值时 漏 源电压 vDS 对导电沟道 及电流 iD 的影响与结型场效应管相似 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 vGS VT 时 它对沟 道的影响不大 这时只要 vGS 一定 沟道电阻几乎也是一定的 所以 iD 随 vD S 近似呈线性变化 随着 vDS 的增大 靠近漏极的沟道越来越薄 当 vDS 增加到使 VGD vGS vDS VT 或 vDS vGS VT 时 沟道在漏极一端出现预夹断 如图 2 b 所示 再继续增大 vDS 夹断点将向源极方向移动 如图 2 c 所示 由于 vDS 的增 加部分几乎全部降落在夹断区 故 iD 几乎不随 vDS 增大而增加 管子进入饱 和区 iD 几乎仅由 vGS 决定 编辑 N 沟道增强型沟道增强型 MOS 管的特性曲线 电流方程及参管的特性曲线 电流方程及参 数数 1 特性曲线和电流方程 1 输出特性曲线 N 沟道增强型 MOS 管的输出特性曲线如图 1 a 所示 与结型场效应管一样 其输出特性曲线也可分为可变电阻区 饱和区 截止区和击穿区几部分 2 转移特性曲线 转移特性曲线如图 1 b 所示 由于场效应管作放大器件使用时是工作在饱和 区 恒流区 此时 iD 几乎不随 vDS 而变化 即不同的 vDS 所对应的转移特性曲线 几乎是重合的 所以可用 vDS 大于某一数值 vDS vGS VT 后的一条转移特性曲 线代替饱和区的所有转移特性曲线 3 iD 与 vGS 的近似关系 与结型场效应管相类似 在饱和区内 iD 与 vGS 的近似关系式为 式中 IDO 是 vGS 2VT 时的漏极电流 iD 2 参数 MOS 管的主要参数与结型场效应管基本相同 只是增强型 MOS 管中不用夹 断电压 VP 而用开启电压 VT 表征管子的特性 编辑 N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 管的基本结构管的基本结构 1 结构 N 沟道耗尽型 MOS 管与 N 沟道增强型 MOS 管基本相似 2 区别 耗尽型 MOS 管在 vGS 0 时 漏 源极间已有导电沟道产生 而增强型 M OS 管要在 vGS VT 时才出现导电沟道 3 原因 制造 N 沟道耗尽型 MOS 管时 在 SiO2 绝缘层中掺入了大量的碱金属正离 子 Na 或 K 制造 P 沟道耗尽型 MOS 管时掺入负离子 如图 1 a 所示 因此 即使 vGS 0 时 在这些正离子产生的电场作用下 漏 源极间的 P 型衬底表 面也能感应生成 N 沟道 称为初始沟道 只要加上正向电压 vDS 就有电流 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 vGS0 VP vGS 0 的