MOS/CMOS集成電路簡介及N溝道MOS管和P溝道MOS管

MOS/CMOS集成電路

MOS集成電路特點(diǎn)：

制造工藝比較簡單、成品率較高、功耗低、組成的邏輯電路比較簡單，集成度高、抗干擾能力強(qiáng)，特別適合于大規(guī)模集成電路。

MOS集成電路包括:

NMOS管組成的NMOS電路、PMOS管組成的PMOS電路及由NMOS和PMOS兩種管子組成的互補(bǔ)MOS電路，即CMOS電路。

PMOS門電路與NMOS電路的原理完全相同，只是電源極性相反而已。

數(shù)字電路中MOS集成電路所使用的MOS管均為增強(qiáng)型管子，負(fù)載常用MOS管作為有源負(fù)載，這樣不僅節(jié)省了硅片面積，而且簡化了工藝?yán)诖笠?guī)模集成。常用的符號如圖1所示。

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)通時在兩個高濃度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?柵源電壓為零)時，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集成電路連接時不必考慮電流的負(fù)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(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，制作兩個高摻雜濃度的N+區(qū)，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(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鋁電極,作為柵極g。

在襯底上也引出一個電極B，這就構(gòu)成了一個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。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(qiáng)型MOS管的箭頭方向與上述相反，如圖(c)所示。

N溝道增強(qiáng)型MOS管的工作原理

(1)vGS對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之間有兩個背靠背的PN結(jié)。當(dāng)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(jié)處于反偏狀態(tài)，漏——源極間沒有導(dǎo)電溝道，所以這時漏極電流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)生一個電場。電場方向垂直于半導(dǎo)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。

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，漏——源極之間仍無導(dǎo)電溝道出現(xiàn)，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(dāng)vGS達(dá)到某一數(shù)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(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。

開始形成溝道時的柵——源極電壓稱為開啟電壓，用VT表示。

上面討論的N溝道MOS管在vGS

vDS對iD的影響

如圖(a)所示，當(dāng)vGS>VT且為一確定值時，漏——源電壓vDS對導(dǎo)電溝道及電流iD的影響與結(jié)型場效應(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越薄，當(dāng)vDS增加到使VGD=vGS-vDS=VT(或vDS=vGS-VT)時，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，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

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,由于場效應(yīng)管作放大器件使用時是工作在飽和區(qū)(恒流區(qū)),此時iD幾乎不隨vDS而變化,即不同的vDS所對應(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)型場效應(yīng)管相類似。在飽和區(qū)內(nèi),iD與vGS的近似關(guān)系式為

式中IDO是vGS=2VT時的漏極電流iD。

(2)參數(shù)

MOS管的主要參數(shù)與結(jié)型場效應(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)

(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，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時才出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。

(3)原因：

制造N溝道耗盡型MOS管時，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管時摻入負(fù)離子)，如圖1(a)所示，因此即使vGS=0時，在這些正離子產(chǎn)生的電場作用下，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溝道間的電場將在溝道中吸引來更多的電子，溝道加寬，溝道電阻變小，iD增大。反之vGS為負(fù)時，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，導(dǎo)電溝道消失，iD趨于零，管子截止，故稱為耗盡型。溝道消失時的柵-源電壓稱為夾斷電壓，仍用VP表示。與N溝道結(jié)型場效應(yīng)管相同，N溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓VP也為負(fù)值，但是，前者只能在vGS<0的情況下工作。而后者在vGS=0，vGS>0，VP

(4)電流方程：

在飽和區(qū)內(nèi)，耗盡型MOS管的電流方程與結(jié)型場效應(yīng)管的電流方程相同，即：

各種場效應(yīng)管特性比較

P溝MOS晶體管

金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)(MOS)晶體管可分為N溝道與P溝道兩大類， P溝道硅MOS場效應(yīng)晶體管在N型硅襯底上有兩個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，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場效應(yīng)晶體管稱為P溝道增強(qiáng)型場效應(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?，可使溝道的電阻增大或減小。這樣的MOS場效應(yīng)晶體管稱為P溝道耗盡型場效應(yīng)晶體管。統(tǒng)稱為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，充電放電過程長，加之器件跨導(dǎo)小，所以工作速度更低，在NMOS電路(見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電路工藝簡單,價格便宜，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對輸入電平的要求。

MOS場效應(yīng)晶體管具有很高的輸入阻抗，在電路中便于直接耦合，容易制成規(guī)模大的集成電路。

各種場效應(yīng)管特性比較

擴(kuò)展閱讀：硬件基本概念-模擬電子電路