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N沟MOS晶体管

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发表于 2009-6-17 18:05:11 | 显示全部楼层 |阅读模式

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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-IC。
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3 Z3 G8 p1 t8 N7 F& n; w$ L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。 ; |8 j& n* w' T& ]! v4 w
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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2~100KΩ。 ' S/ L3 ?! Q5 S) w1 O+ ?4 w! g
N沟道增强型MOS管的结构+ n# U% X+ @% K+ B! p
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。 $ ~: e3 h" E' v: W0 B! g& l9 a
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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。 - S9 a8 n) J7 k9 }  R% t

- Y# q2 E- G1 O4 K! i3 g6 \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)。
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' Y! n1 ]) {8 N5 a/ w它的栅极与其它电极间是绝缘的。
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* |+ ^! U: f3 m/ |2 ~" o3 x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。 8 C/ t4 H6 Q/ a; u5 m# U
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N沟道增强型MOS管的工作原理6 h, g* r2 h1 {: x6 }9 u' z5 G
(1)vGS对iD及沟道的控制作用
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① vGS=0 的情况 0 e( c+ `$ D9 H& Y- V0 o  `
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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。
7 _4 x  c! Z* Z" H8 B
( Q) b* {; e2 d$ d② vGS>0 的情况
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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。 + L% o6 m4 U6 F5 s  \& w
: y3 }5 A$ k! r5 r, r
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。 % _/ h' J) |4 L

' Q4 E2 E/ B0 {2 A/ G(2)导电沟道的形成:
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) x5 c$ {& G$ F2 p, r) G: F$ b2 _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。
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开始形成沟道时的栅——源极电压称为开启电压,用VT表示。 5 e9 Z4 ]3 L: q8 M. r0 h

. b5 R! b7 n. I( @! B3 i上面 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。
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vDS对iD的影响
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9 ~+ E( `. r2 C! W5 B" G3 c
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2 K/ n" D& t+ H+ r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。
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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。 9 u* U7 s( H0 J( W( O/ m0 f2 c

/ h- ]  t, o; k1 T) h: v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。 + n1 D: C9 |4 X" W8 z. B
N沟道增强型MOS管的特性曲线、电流方程及参数* p7 ~* D+ y$ ?/ X' m) F
(1) 特性曲线和电流方程
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& p' V9 |& W% x
5 k1 ~$ ~) @. J0 U+ h; x4 G$ L' o1)输出特性曲线
  m' k  ^  O7 l0 a1 C' l2 ?. i8 h/ C
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 K4 o( _( h5 Z- c; ?+ O% {+ C- U0 D
: A8 ?) Y  m% P) K. W
2)转移特性曲线
% ?1 Z$ E& ]2 H
- @: ^) ~; u. ^9 d. T( d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.   A0 q$ G1 p7 k9 j3 X
1 k: C# d. J. v* P' k$ M' ~  o
3)iD与vGS的近似关系
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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 " y. @* X& X4 x9 {- }2 ~1 O

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! K: I. n4 x8 a0 b+ N7 U0 H7 ]2 d/ `9 }0 x" \" G
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3 {& y2 q5 n, \% q1 ?式中IDO是vGS=2VT时的漏极电流iD。 . B  e, I5 ]9 L0 S

" A+ i4 s7 a0 t! g(2)参数 / i% T7 K, s& ~+ e
" V5 e$ r* P" p. _3 r. W
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。
! t" P( g- g+ j; }, MN沟道耗尽型MOS管的基本结构
" B, }* z9 `9 A4 p2 z* z* w2 i9 [& B* E1 ?/ T9 ~
/ J" D% {' j5 T/ E/ L
       
8 W0 B: ]) I, r/ Z' T
- Y9 B) ~! y8 I: ^8 L$ d* W" U(1)结构:
/ X3 W/ n! `' Y; |, n+ b
; a6 A4 v% H/ |, U: M6 a% pN沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管基本相似。
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(2)区别:
0 N" v& a* O6 [, S* K$ O
) Y- e$ G# }9 D. `" ]& D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时才出现导电沟道。
4 F- P* x6 l' n
3 a9 X5 }4 o1 S' k5 u  A! L(3)原因:
! [6 |, Z) o' A3 S. ~  }' g$ q% ^3 ?# Y# H
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。
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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vGS<0的情况下工作。而后者在vGS=0,vGS>0,VP<vGS<0的情况下均能实现对iD的控制,而且仍能保持栅——源极间有很大的绝缘电阻,

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 楼主| 发表于 2009-6-17 18:05:11 | 显示全部楼层
使栅极电流为零。这是耗尽型MOS管的一个重要特点。图(b)、(c)分别是N沟道和P沟道耗尽型MOS管的代表符号。 % \, h: }( r, H) h& W- A# r; K
/ N( k7 d- w; x5 ^2 z& r: S, c
(4)电流方程:
; N! E: l1 x0 r$ O& @: O0 L. W/ @9 w4 b) @
在饱和区内,耗尽型MOS管的电流方程与结型场效应管的电流方程相同,即:
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7 ^& S; S1 A2 U各种场效应管特性比较
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" d, p" l# u: {5 L( T9 T  F

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发表于 2012-3-20 11:50:22 | 显示全部楼层
牛牛牛牛  

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发表于 2012-3-20 11:50:22 | 显示全部楼层
可以说仔细点吗?
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