1、N沟道和P沟道MOS管MOS/CMOS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Qd Od| I_OB I BOSN沟道 P沟道我们常用的是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
2、特性, Vgs 小于一定的值就会导通,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,
3、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
4、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/CMC集成电路MOSI成电路特点:制造工艺比较简单、成品率较高、功耗低
5、、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。MOS!成电路包括:NMO管组成的NMO电路、PMO管组成的PMO电路及由NMOS口 PMO两种管子 组成的互补MOS6路,即CMOS!路。PMO门电路与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。 ft)图1 MOS管的符号(a)NNlOS 管 FMOS 管N沟MOS晶体管金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-SemIConducto
6、r) 结构的晶体管简称 MOS体 管,有P型MOSt和N型MOST之分。MOS?构成的集成电路称为 MOSfc成电路, 而PMO管和NMO管共同构成的互补型 MOSfc成电路即为CMO集成电路。由p型衬底和两个高浓度n扩散区构成的MOS管叫作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MOSf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沟道皿02管。NMO集成电路是N沟道MOS电路,NMO集成电路的输入阻抗很高,基本上不需 要吸
7、收电流,因此,CMOS! NMO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!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 NMOSU CMOS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
8、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 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1vGS=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时,即使加上漏一一源电压 vDS而且不论vD
9、S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iD0。2vGS0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,漏一一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
10、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。开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vGSVT时,才有沟道形成。这种必须在vGSVT时才能形成导电沟道的 MOST称为增强型MOST。沟道形成以后,在漏一一源极间加上正向电压 vDS 就有漏极电流产生。vDS对iD的影响(a)如图(a)所示,当vGSVTS为一确定值时,漏一一源电压vDS对导
11、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=vGvDS,因而这里沟道最薄。但当vDS较小(vDSvvGS VT)时,它对沟道的影响不 大,这时只要vGS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VGD=vG vDS=VT或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
12、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MOS管的特性曲线、电流方程及参数(1)特性曲线和电流方程1)输出特性曲线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)转移特性曲线转移特性曲线如图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(vDSvGS-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
13、)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MOS管的基本结构(1)结构:N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管基本相似。(2)区别:耗尽型MOST在vGS=0时,漏一一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。(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
14、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。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MO管的夹断 电压VP也为负值,但是,前者只能在 vGS0 VPvv
15、GSv的情况下均能实现对iD的控制,而且仍能保持栅一一源极间 有很大的绝缘电阻,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MOST的代表符号。(4)电流方程:bfj护 札kN I /丿在饱和区内,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
16、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PMOS1体管。P沟道MO關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,PMO晶体管的跨导小于N沟道MOSI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,与双极型晶体管一一晶体管逻辑电路不兼容。PMO因逻辑摆 幅大,充电放电过程长,
17、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半导体集成电路)出现之后,多数已为NMO电路所取代。 只是,因PMO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PMO电路技术。PMO集成电路是一种适合在低速、低频领域内应用的器件。 PMO集成电路采用-24V电压供电。如图5所示的CMOS-PMOS口电路采用两种电源供电。采用直 接接口方式,一般CMOS勺电源电压选择在1012V就能满足PMO对输入电平的要求。MO觀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仅供个人用于学习、研究;不得用于商业用
18、途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l e tude et la recherche uniquement a des fins personnelles; pas a des fins commerciales.to员bko gA.nrogeHKO TOpMenob3ymrnflCH6yHeHu
19、ac egoB u HHuefigoHM仅供个人用于学习、研究;不得用于商业用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l e tude et la recherche uniquement a des fins personnelles; pas a des fins commerciales.to员bko gA.nrogeHKO TOpMenob3ymrnflCH6yHeHuac egoB u HHuefigoHMUCnO 员 B30BaTbCEb KOMMepqeckuxue 贝 ex.
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