漲知識(shí)-場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)N、P溝道區(qū)分及導(dǎo)通條件詳解-KIA MOS管

場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)N、P溝道區(qū)分及導(dǎo)通條件

場(chǎng)效應(yīng)管N、P溝道區(qū)分及導(dǎo)通：如何區(qū)分場(chǎng)效應(yīng)管是N溝道還是P溝道？答：在電路圖中N溝道的MOS管箭頭是向內(nèi)側(cè)指向，P溝道的箭頭是向外側(cè)指向的。

場(chǎng)效應(yīng)管N、P溝道區(qū)分及導(dǎo)通

N溝道的測(cè)量方法是:萬(wàn)用表打到二極管檔，紅表筆接S極，黑表筆接D極，測(cè)到400到800的阻值就可以判斷這個(gè)MOS管是N溝道的。P溝道的測(cè)量方法是:萬(wàn)用表打到二極管檔，紅表筆接D極，黑表筆接S極，測(cè)到400-800的阻值可以判斷這個(gè)MOS管是P溝道的。（用表筆二極管檔測(cè)s極和D極的一組數(shù)值（600-800）紅S黑D是N溝道黑S紅D是P溝道）。

場(chǎng)效應(yīng)管N、P溝道區(qū)分及導(dǎo)通：場(chǎng)效應(yīng)管分為N溝道和P溝道，它的導(dǎo)通條件分別是什么？答：都是靠在G極上加一個(gè)觸發(fā)電壓，使N極與D極導(dǎo)通。對(duì)N溝道G極電壓為+極性。對(duì)P溝道的G極電壓為-極性。

場(chǎng)效應(yīng)管N、P溝道區(qū)分及導(dǎo)通：場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通與截止由柵源電壓來(lái)控制，對(duì)于增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)說(shuō)，N溝道的管子加正向電壓即導(dǎo)通，P溝道的管子則加反向電壓。一般2V～4V就可以了。但是，場(chǎng)效應(yīng)管分為增強(qiáng)型（常開(kāi)型）和耗盡型（常閉型），增強(qiáng)型的管子是需要加電壓才能導(dǎo)通的，而耗盡型管子本來(lái)就處于導(dǎo)通狀態(tài)，加?xùn)旁措妷菏菫榱耸蛊浣刂埂?/span>

開(kāi)關(guān)只有兩種狀態(tài)通和斷，三極管和場(chǎng)效應(yīng)管工作有三種狀態(tài)，1、截止，2、線性放大，3、飽和（基極電流繼續(xù)增加而集電極電流不再增加）。使晶體管只工作在1和3狀態(tài)的電路稱(chēng)之為開(kāi)關(guān)電路，一般以晶體管截止，集電極不吸收電流表示關(guān)；以晶體管飽和，發(fā)射極和集電極之間的電壓差接近于0V時(shí)表示開(kāi)。開(kāi)關(guān)電路用于數(shù)字電路時(shí)，輸出電位接近0V時(shí)表示0，輸出電位接近電源電壓時(shí)表示1。所以數(shù)字集成電路內(nèi)部的晶體管都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

場(chǎng)效應(yīng)管N、P溝道區(qū)分及導(dǎo)通

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(chēng)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(chēng)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(wèn)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(guò)，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。

場(chǎng)效應(yīng)管N、P溝道區(qū)分及導(dǎo)通

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(méi)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(wú)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(lèi)型與P襯底相反，故又稱(chēng)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(kāi)始形成溝道時(shí)的柵——源極電壓稱(chēng)為開(kāi)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(chēng)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

場(chǎng)效應(yīng)管N、P溝道區(qū)分及導(dǎo)通

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較小（vDS隨著vDS的增大，靠近漏極的溝道越來(lái)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

場(chǎng)效應(yīng)管N、P溝道區(qū)分及導(dǎo)通

（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(lèi)似。在飽和區(qū)內(nèi),iD與vGS的近似關(guān)系式為

場(chǎng)效應(yīng)管N、P溝道區(qū)分及導(dǎo)通

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(kāi)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)

場(chǎng)效應(yīng)管N、P溝道區(qū)分及導(dǎo)通

（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(chēng)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(lái)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(chēng)為耗盡型。溝道消失時(shí)的柵－源電壓稱(chēng)為夾斷電壓，仍用VP表示。

P溝MOS晶體管

金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)(MOS)晶體管可分為N溝道與P溝道兩大類(lèi)，P溝道硅MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管在N型硅襯底上有兩個(gè)P+區(qū)，分別叫做源極和漏極，兩極之間不通導(dǎo)，柵極上加有足夠的正電壓(源極接地)時(shí)，柵極下的N型硅表面呈現(xiàn)P型反型層，成為連接源極和漏極的溝道。

改變柵壓可以改變溝道中的電子密度，從而改變溝道的電阻。這種MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管稱(chēng)為P溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。如果N型硅襯底表面不加?xùn)艍壕鸵汛嬖赑型反型層溝道，加上適當(dāng)?shù)钠珘海墒箿系赖碾娮柙?/span>大或減小。這樣的MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管稱(chēng)為P溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。統(tǒng)稱(chēng)為PMOS晶體管。

P溝道MOS晶體管的空穴遷移率低,因而在MOS晶體管的幾何尺寸和工作電壓絕對(duì)值相等的情況下，PMOS晶體管的跨導(dǎo)小于N溝道MOS晶體管。此外，P溝道MOS晶體管閾值電壓的絕對(duì)值一般偏高，要求有較高的工作電壓。

它的供電電源的電壓大小和極性,與雙極型晶體管——晶體管邏輯電路不兼容。PMOS因邏輯擺幅大，充電放電過(guò)程長(zhǎng)，加之器件跨導(dǎo)小，所以工作速度更低，在NMOS電路(見(jiàn)N溝道金屬—氧化物—半導(dǎo)體集成電路)出現(xiàn)之后，多數(shù)已為NMOS電路所取代。

只是,因PMOS電路工藝簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜，有些中規(guī)模和小規(guī)模數(shù)字控制電路仍采用PMOS電路技術(shù)。PMOS集成電路是一種適合在低速、低頻領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的器件。PMOS集成電路采用-24V電壓供電。如圖5所示的CMOS-PMOS接口電路采用兩種電源供電。采用直接接口方式，一般CMOS的電源電壓選擇在10～12V就能滿足PMOS對(duì)輸入電平的要求。

場(chǎng)效應(yīng)管N、P溝道區(qū)分及導(dǎo)通