nmos管工作原理

金屬-氧化物-半導(dǎo)體(Metal-Oxide-SemIConductor)結(jié)構(gòu)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，且只有柵源電壓大于閾值電壓時(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，基本上不需要吸收電流，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集成電路相同的電源，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，因而需要使用一個(gè)（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管的結(jié)構(gòu)

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個(gè)鋁電極,作為柵極g。

在襯底上也引出一個(gè)電極B，這就構(gòu)成了一個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOS管。MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數(shù)管子在出廠前已連接好)。

它的柵極與其它電極間是絕緣的。

圖(a)、(b)分別是它的結(jié)構(gòu)示意圖和代表符號(hào)。代表符號(hào)中的箭頭方向表示由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。

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

① vGS=0 的情況

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)，即使加上漏——源電壓vDS，而且不論vDS的極性如何，總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏——源極間沒有導(dǎo)電溝道，所以這時(shí)漏極電流iD≈0。

② vGS>0 的情況

若vGS＞0，則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個(gè)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，剩下不能移動(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增加時(shí)，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當(dāng)vGS達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個(gè)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——源極電壓稱為開啟電壓，用VT表示。

上面討論的N溝道MOS管在vGS＜VT時(shí)，不能形成導(dǎo)電溝道，管子處于截止?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。溝道形成以后，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

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較小（vDS

隨著vDS的增大，靠近漏極的溝道越來越薄，當(dāng)vDS增加到使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的增加部分幾乎全部降落在夾斷區(qū)，故iD幾乎不隨vDS增大而增加，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

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)管一樣,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,即不同的vDS所對應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線幾乎是重合的,所以可用vDS大于某一數(shù)值(vDS＞vGS-VT)后的一條轉(zhuǎn)移特性曲線代替飽和區(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

式中IDO是vGS=2VT時(shí)的漏極電流iD。

（2）參數(shù)

MOS管的主要參數(shù)與結(jié)型場效應(yīng)管基本相同，只是增強(qiáng)型MOS管中不用夾斷電壓VP ，而用開啟電壓VT表征管子的特性。

N溝道耗盡型MOS管的基本結(jié)構(gòu)

（1）結(jié)構(gòu)：

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，因此即使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。

如果加上正的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)向增加到某一數(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表示。與N溝道結(jié)型場效應(yīng)管相同，N溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓VP也為負(fù)值，但是，前者只能在vGS<0的情況下工作。而后者在vGS=0，vGS>0，VP

（4）電流方程：

在飽和區(qū)內(nèi)，耗盡型MOS管的電流方程與結(jié)型場效應(yīng)管的電流方程相同，即：

NMOS邏輯門電路

NMOS邏輯門電路是全部由N溝道MOSFET構(gòu)成。由于這種器件具有較小的幾何尺寸，適合于制造大規(guī)模集成電路。此外，由于NMOS集成電路的結(jié)構(gòu)簡單，易于使用CAD技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。與CMOS電路類似,NMOS電路中不使用難于制造的電阻 。NMOS反相器是整個(gè)NMO邏輯門電路的基本構(gòu)件，它的工作管常用增強(qiáng)型器件，而負(fù)載管可以是增強(qiáng)型也可以是耗盡型。現(xiàn)以增強(qiáng)型器件作為負(fù)載管的NMOS反相器為例來說明它的工作原理。

上圖是表示NMOS反相器的原理電路，其中T1為工作管，T2為負(fù)載管，二者均屬增強(qiáng)型器件。若T1和T2在同一工藝過程中制成，它們必將具有相同的開啟電壓VT。從圖中可見，負(fù)載管T2的柵極與漏極同接電源VDD，因而T2總是工作在它的恒流區(qū),處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)輸入vI為高電壓(超過管子的開啟電壓VT)時(shí)，T1導(dǎo)通，輸出vO;為低電壓。輸出低電壓的值，由T1，T2兩管導(dǎo)通時(shí)所呈現(xiàn)的電阻值之比決定。通常T1的跨導(dǎo)gm1遠(yuǎn)大于T2管的跨導(dǎo)gm2，以保證輸出低電壓值在+1V左右。當(dāng)輸入電壓vI為低電壓(低于管子的開啟電壓VT)時(shí)，T1截止，輸出vO為高電壓。由于T2管總是處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此輸出高電壓值約為(VDD—VT)。

通常gm1在100～200

之間,而gm2約為5～15

。T1導(dǎo)通時(shí)的等效電阻Rds1約為3～10kΩ，而T2的Rds2約在100～200kΩ之間。負(fù)載管導(dǎo)通電阻是隨工作電流而變化的非線性電阻。

在NMOS反相器的基礎(chǔ)上，可以制成NMOS門電路。下圖即為NMOS或非門電路。只要輸入A，B中任一個(gè)為高電平，與它對應(yīng)的MOSFET導(dǎo)通時(shí)，輸出為低電平;僅當(dāng)A、B全為低電平時(shí)，所有工作管都截止時(shí)，輸出才為高電平。可見電路具有或非功能，即

或非門的工作管都是并聯(lián)的，增加管子的個(gè)數(shù)，輸出低電平基本穩(wěn)定，在整體電路設(shè)計(jì)中較為方便，因而NMOS門電路是以或非門為基礎(chǔ)的。這種門電路不像TTL或CMOS電路作成小規(guī)模的單個(gè)芯片 ，主要用于大規(guī)模集成電路。

以上討論和分析了各種邏輯門電路的結(jié)構(gòu)、工作原理和性能，為便于比較，現(xiàn)用它們的主要技術(shù)參數(shù)傳輸延遲時(shí)間Tpd和功耗PD綜合描述各種邏輯門電路的性能，如圖所示。

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