N沟道和P沟道MOS管.doc

1、MOS/CMOS 集成电路简介及 N 沟道 MOS 管和 P 沟道 MOS 管在实际项目中，我们基本都用增强型 mos 管，分为 N 沟道和 P 沟道两种。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。1.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

2、导通，适合用于源极接 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

3、做开关损失。通常开关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

4、 MOS 管驱动时第一要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/CMOS 集成电路MOS 集成电路特点：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

5、于大规模集成电路。MOS 集成电路包括:NMOS 管组成的 NMOS 电路、PMOS 管组成的 PMOS 电路及由 NMOS 和 PMOS 两种管子组成的互补 MOS 电路，即 CMOS 电路。PMOS 门电路与 NMOS 电路的原理完全相同，只是电源极性相反而已。数字电路中 MOS 集成电路所使用的 MOS 管均为增强型管子，负载常用 MOS 管作为有源负载，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。N 沟 MOS 晶体管金属-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

6、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

7、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 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

8、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。 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

9、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 vGS0，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

10、，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 vGSVT 时，才有沟道形成。

11、这种必须在 vGSVT 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 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，这里沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为VGD=vGSvDS，因而这里沟道最薄。但当 vDS 较小（vDS0，VPvGS0 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,使栅极电流为零。这是耗

12、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。 （4）电流方程： 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： 各种场效应管特性比较P 沟 MOS 晶体管金属氧化物半导体场效应(MOS)晶体管可分为 N 沟道与 P 沟道两大类， P 沟道硅MOS 场效应晶体管在 N 型硅衬底上有两个 P+区，分别叫做源极和漏极，两极之间不通导，柵极上加有足够的正电压(源极接地)时，柵极下的 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 MOS 场效应晶

13、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 MOS 场效应晶体管称为 P 沟道耗尽型场效应晶体管。统称为 PMOS 晶体管。 P 沟道 MOS 晶体管的空穴迁移率低,因而在 MOS 晶体管的几何尺寸和工作电压绝对值相等的情况下，PMOS 晶体管的跨导小于 N 沟道 MOS 晶体管。此外，P 沟道MOS 晶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,与双极型晶体管晶体管逻辑电路不兼容。PMOS 因逻辑摆幅大，充电放电过程长，加之器件跨导小，所以工作速度更低，在 NMOS 电路(见 N 沟道金属氧化物半导体集成电路)出现之后，多数已为 NMOS 电路所取代。只是,因 PMOS 电路工艺简单,价格便宜，有些中规模和小规模数字控制电路仍采用 PMOS 电路技术。 PMOS 集成电路是一种适合在低速、低频领域内应用的器件。PMOS 集成电路采用-24V 电压供电。如图 5 所示的 CMOS-PMOS 接口电路采用两种电源供电。采用直接接口方式，一般 CMOS 的电源电压选择在 1012V 就能满足 PMOS 对输入电平的要求。 MOS 场效应晶体管具有很高的输入阻抗，在电路中便于直接耦合，容易制成规模大的集成电路。 各种场效应管特性比较