N沟道和P沟道MOS管

1、MOS/CMOS成电路简介及N沟道MO第和P沟道MOST在实际项目中，我们基本都用增强型 mos管，分为N沟道和P沟道两种gN沟道P沟道O我们常用的是NMOS,因为其导通电阻小，且容易制造。在 MOS管原理图上可 以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载（如马达），这个二极管很重要。顺便说一句，体二极管只在单个的 MOS管中 存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。S1 . 导通特性NMOS 的特性， Vgs 大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V 或 10V 就可以了。PMOS 的特性， Vgs 小于一定的值就会导通，适合

2、用于源极接VCC 时的情况（高端驱动）。但是，虽然PMOS 可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS 。2 .MOS 开关管损失不管是NMOS还是PMOS,导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS 管会减小导通损耗。现在的小功率MOS 管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有。MOS 在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。MOS 两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS 管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关

3、损失比导通损失大得多，而且开关频率越高，损失也越大。导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。3 .MOS 管驱动跟双极性晶体管相比，一般认为使MOS 管导通不需要电流，只要GS 电压高于一定的值，就可以了。这个很容易做到，但是，我们还需要速度。在 MOS 管的结构中可以看到，在GS， GD 之间存在寄生电容，而MOS 管的驱动，实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。选择 /设计MOS管驱动时 第一要

4、注意的是可提供瞬间短路电流的大小。第二注意的是，普遍用于高端驱动的 NMOS,导通时需要是栅极电压大于源极 电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压（VCC）相同，所以这 时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里，要得到比 VCC大的 电压，就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵，要注意的是应 该选择合适的外接电容，以得到足够的短路电流去驱动 MOS管。2009-03-20 11:18MOS/CMOB成电路moS1成电路特点：制造工艺比较简单、成品率较高、功耗低、组成的逻辑电路比较简单，集成度高、 抗干扰能力强，特别适合于大规模集成电路。moS1成电路包括：

5、NMOSF组成的NMO电路、PMOST组成的PMO的路及由NMOS口 PMO甑种管子 组成的互补MOSt路，即CMOSl路。PMOS1电品&与NMO电路的原理完全相同，只是 电源极性相反 而已。数字电路中MOS1成电路所使用的MOST均为增强型管子，负载常用MOST作为 有源负载，这样不仅节省了硅片面积，而且简化了工艺利于大规模集成。 常用的 符号如图1所示。ft)图1 MOS管的符号(a)NMOS 管(b)PMOS 管N沟MOS!体管 金属-氧化物-半导体（Metal-Oxide-SemIConductor） 结构的晶体管简称 MOSIj体 管，有P型MOST和N型MOST之分。MO

6、ST构成的集成电路称为 MO耶成电路， 而PMOST和NMOST共同构成的互补型 MOS1成电品&即为CMO集成电路。由p型衬底和两个高浓度n扩散区构成的MOST叫作n沟道MOST,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MOST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MOST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MOSS%NMO集成电路是N沟道MOS1路，NMO集成电路的输入阻抗很高，基本上不需 要吸收电流，因此，CMOST NMO集成电路连接时不必考虑电流的负载问题。NM

7、OS 集成电路大多采用单组正电源供电，并且以 5V为多。CMOS1成电路只要选用与 NMO集成电路相同的电源，就可与 NMO集成电路直接连接。不过，从 NMOSJ CMOS1接连接时，由于NMO输出的高电平低于CMO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2100KQ。N沟道增强型MO甯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 NM,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

8、沟道增强型MOST。MOST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MOST的箭头方向与上述相反，如图（c）所(a) N海道增强型HOS管结枸示意图(b) N沟道懈强型MOS M P沟道增强型管代表符号MOS管代表符号N沟道增强型MO甯的工作原理(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MOST的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。 当栅一一源电压vGS=0-,即使加上漏一一源电压

9、 vDS,而且不论vDS的极性如 何，总有一个PN结处于反偏状态，漏一一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，漏一一源极之间仍无导电沟道出现，如图1(b)所示。vGSt曾加时，吸引到P衬底表面层的电子就

10、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+S相连通，在漏一一源极间形成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。在始形成沟道时的栅一一源极电压称为开启电压，用VT表示。上面讨论的N沟道MOS?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 MOST称为增强型MO在。沟道形成以后，在漏一一源极间加上正向电

11、压 vDS, 就有漏极电流产生。vDS对iD的影响哥底弓i说 i转底引慢/澄rj.底引:(a)W或精如图(a)所示，当vGS>Vta为一确定值时，漏一源电压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vDS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V

12、GD=vGS vDS=VT戌vDS=vGSVT)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。N沟道增强型MOST的特性曲线、电流方程及参数(1)特性曲线和电流方程馆和区°截止区尸国】；现夹鼾点辕迹1)输出特性曲线N沟道增强型乂0范的输出特Tt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

13、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寸的漏极电流iD。(2)参数MOST的主要参数与结型场效应管基本相同，只是增强型MOST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MO甯的基本结构国也沟道什取|禹孑的罪鬻|融化联(1)结构：N沟道耗尽型MOS与N沟道增强型MO第

14、基本相似。(2)区别：耗尽型MO第在vGS=0寸，一源极问已有导电沟道产生， 而增弓®型乂0箔要 在vGS> VT时才出现导电沟道。(3)原因:制造N沟道耗尽型MOST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?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，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iDo 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，

15、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MOST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<vGS<0T情况下均能实现对iD-控制，而且仍能保持栅一一源极问 有很大的绝缘电阻，使栅极电流为零。这是耗尽型MOST的一个重要特点。图(b)、 (c)分别是N沟道和P沟道耗尽型MOST的代表符号。(4)电流方程:（卜酬 | < Np|）在饱和区内

16、，耗尽型MOST的电流方程与结型场效应管的电流方程相同，即:各种场效应管特性比较U氏由结构种类工作方贰P沟MOS!体管金属氧化物半导体场效应（MOSM体管可分为N沟道与P沟道两大类，P沟道硅 MOSg效应晶体管在N型硅衬底上有两个P+S,分别叫做源极和漏极，两极之间 不通导，栅极上加有足够的正电压（源极接地）时，栅极下的N型硅表面呈现P 型反型层，成为连接源极和漏极的沟道。改变栅压可以改变沟道中的电子密度， 从而改变沟道的电阻。这种 MO酸效应晶体管称为P沟道增强型场效应晶体管。如果N型硅衬底表面不加栅压就已存在 P型反型层沟道，加上适当的偏压，可使 沟道的电阻增大或减小。这样的MO骇效应晶体管称为P沟道耗尽型场效应晶体 管。统称为PMOS!体管。P沟道MOSfj体管的空穴迁移率低,因而在MOSI体管的几何尺寸和工作电压绝 对值相等的情况下，PMOSj体管的E导小于N沟道MO。体管。此外，P沟道 MOSfj体管阈值电压的绝对值一般偏高，要求有较高的工作电压。它的供电电源 的电压大小和极性，与双极型晶体管一一晶体管逻辑电路不兼容。PMOS9逻辑摆 幅大，充电放电过程长，加之器件跨导小，所以工作速度更低，在NMO电路（见N沟道金属一氧化物一