MOS管的工作原理

1、mos 管工作原理金属-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mos 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cmos 集成电路。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

2、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cmos 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2100k 。n 沟道增强型mos

3、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。desc=http:/

4、www.go- small=0 n 沟道增强型 mos 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id0 。 vgs0 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

5、，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

6、极电压称为开启电压，用vt 表示。上面讨论的 n 沟道 mos 管在 vgsvt 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desc=http:/www.go- small=0 如图 (a)所示，当 vgsvt 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

7、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 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

8、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desc=http:/www.go- small=0 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。n 沟道耗尽型 mos 管的基本结构desc=http:/www.go- small=0 （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mos 管要在 vgs vt 时才出现

9、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