N溝MOS晶體管概述

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。

N溝道加強(qiáng)型MOS管的特性曲線

1）輸出特性曲線

N溝道加強(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)幾局部。

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)管作放大器件運(yùn)用時(shí)是工作在飽和區(qū)（恒流區(qū)），此時(shí)iD簡(jiǎn)直不隨vDS而變化，即不同的vDS所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線簡(jiǎn)直是重合的，所以可用vDS大于某一數(shù)值（vDS＞vGS-VT）后的一條轉(zhuǎn)移特性曲線替代飽和區(qū)的一切轉(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)管相相似。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。

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

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）。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。

若在柵-源極間加上正向電壓，即vGS＞0，則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個(gè)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，因而使柵極附近的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，同時(shí)P襯底中的電子（少子）被吸引到襯底表面。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。我們把開(kāi)始形成溝道時(shí)的柵-源極電壓稱為開(kāi)啟電壓，用VT表示。

由上述分析可知，N溝道增強(qiáng)型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，此時(shí)在漏-源極間加上正向電壓vDS，才有漏極電流產(chǎn)生。而且vGS增大時(shí)，溝道變厚，溝道電阻減小，iD增大。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。

2．vDS對(duì)iD的影響

如圖2（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《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(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。