N溝MOS晶體管概述

金屬-氧化物-半導體（Metal-Oxide-SemIConductor）結構的晶體管簡稱MOS晶體管，有P型MOS管和N型MOS管之分。MOS管構成的集成電路稱為MOS集成電路，而PMOS管和NMOS管共同構成的互補型MOS集成電路即為CMOS集成電路。

由p型襯底和兩個高濃度n擴散區構成的MOS管叫作n溝道MOS管，該管導通時在兩個高濃度n擴散區間形成n型導電溝道。n溝道增強型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才有導電溝道產生的n溝道MOS管。n溝道耗盡型MOS管是指在不加柵壓（柵源電壓為零）時，就有導電溝道產生的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集成電路連接時不必考慮電流的負載問題。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，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（電位）上拉電阻R，R的取值一般選用2～100KΩ。

N溝道增強型MOS管的結構

在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上，制作兩個高摻雜濃度的N+區，并用金屬鋁引出兩個電極，分別作漏極d和源極s。

然后在半導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鋁電極，作為柵極g。

在襯底上也引出一個電極B，這就構成了一個N溝道增強型MOS管。MOS管的源極和襯底通常是接在一起的（大多數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）分別是它的結構示意圖和代表符號。代表符號中的箭頭方向表示由P（襯底）指向N（溝道）。P溝道增強型MOS管的箭頭方向與上述相反，如圖（c）所示。

N溝道加強型MOS管的特性曲線

1）輸出特性曲線

N溝道加強型MOS管的輸出特性曲線如圖1（a）所示。與結型場效應管一樣，其輸出特性曲線也可分為可變電阻區、飽和區、截止區和擊穿區幾局部。

2）轉移特性曲線

轉移特性曲線如圖1（b）所示，由于場效應管作放大器件運用時是工作在飽和區（恒流區），此時iD簡直不隨vDS而變化，即不同的vDS所對應的轉移特性曲線簡直是重合的，所以可用vDS大于某一數值（vDS＞vGS-VT）后的一條轉移特性曲線替代飽和區的一切轉移特性曲線。

3）iD與vGS的近似關系

與結型場效應管相相似。在飽和區內，iD與vGS的近似關系式為

式中IDO是vGS=2VT時的漏極電流iD。

N溝道增強型MOS管的工作原理

1．vGS對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（大多數管子在出廠前已連接好）。從圖1（a）可以看出，增強型MOS管的漏極d和源極s之間有兩個背靠背的PN結。當柵-源電壓vGS=0時，即使加上漏-源電壓vDS，而且不論vDS的極性如何，總有一個PN結處于反偏狀態，漏-源極間沒有導電溝道，所以這時漏極電流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絕緣層中便產生一個垂直于半導體表面的由柵極指向襯底的電場，這個電場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，剩下不能移動的受主離子（負離子），形成耗盡層，同時P襯底中的電子（少子）被吸引到襯底表面。當vGS數值較小，吸引電子的能力不強時，漏-源極之間仍無導電溝道出現，如圖1（b）所示。vGS增加時，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當vGS達到某一數值時，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個N型薄層，且與兩個N+區相連通，在漏-源極間形成N型導電溝道，其導電類型與P襯底相反，故又稱為反型層，如圖1（c）所示。vGS越大，作用于半導體表面的電場就越強，吸引到P襯底表面的電子就越多，導電溝道越厚，溝道電阻越小。我們把開始形成溝道時的柵-源極電壓稱為開啟電壓，用VT表示。

由上述分析可知，N溝道增強型MOS管在vGS＜VT時，不能形成導電溝道，管子處于截止狀態。只有當vGS≥VT時，才有溝道形成，此時在漏-源極間加上正向電壓vDS，才有漏極電流產生。而且vGS增大時，溝道變厚，溝道電阻減小，iD增大。這種必須在vGS≥VT時才能形成導電溝道的MOS管稱為增強型MOS管。

2．vDS對iD的影響

如圖2（a）所示，當vGS》VT且為一確定值時，漏-源電壓vDS對導電溝道及電流iD的影響與結型場效應管相似。漏極電流iD沿溝道產生的電壓降使溝道內各點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vDS較小（vDS《vGS–VT）時，它對溝道的影響不大，這時只要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vDS增加到使vGD=vGS-vDS=VT（或vDS=vGS-VT）時，溝道在漏極一端出現預夾斷，如圖2（b）所示。再繼續增大vDS，夾斷點將向源極方向移動，如圖2（c）所示。由于vDS的增加部分幾乎全部降落在夾斷區，故iD幾乎不隨vDS增大而增加，管子進入飽和區，iD幾乎僅由vGS決定。