N溝MOS晶體管

金屬-氧化物-半導(dǎo)體(Metal-Oxide-SemIConductor)結(jié)構(gòu)的晶體管簡(jiǎn)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-IC。

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(duì)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(chǎng)。電場(chǎng)方向垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場(chǎng),。這個(gè)電場(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(duì)導(dǎo)電溝道及電流iD的影響與結(jié)型場(chǎng)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?。╲DS<vGS–VT）時(shí)，它對(duì)溝道的影響不大,，這時(shí)只要vGS一定,，溝道電阻幾乎也是一定的，所以iD隨vDS近似呈線性變化,。

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(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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<vGS<0的情況下均能實(shí)現(xiàn)對(duì)iD的控制,，而且仍能保持柵——源極間有很大的絕緣電阻,使柵極電流為零,。這是耗盡型MOS管的一個(gè)重要特點(diǎn)。圖(b),、(c)分別是N溝道和P溝道耗盡型MOS管的代表符號(hào),。

（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(chǎng)效應(yīng)管的電流方程相同,，即：

      各種場(chǎng)效應(yīng)管特性比較