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NMOS管与PMOS管工作原理

 N沟MOS晶体管

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MOS管，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MOS管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MOS管是指在不加栅压（栅源电压为零）时，就有导电沟道产生的n沟道MOS管。

NMOS集成电路是N沟道MOS电路，NMOS集成电路的输入阻抗很高，基本上不需要吸收电流，因此，CMOS与NMOS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集成电路只要选用与NMOS集成电路相同的电源，就可与NMOS集成电路直接连接。不过，从NMOS到CMOS直接连接时，由于NMOS输出的高电平低于CMOS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2～100KΩ。

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(  )绝缘层，在漏——源极间的绝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MOS管。MOS管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1

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MOS管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）  对iD及沟道的控制作用

①   =0 的情况

从图1(a)可以看出，增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。当栅——源电压  =0时，即使加上漏——源电压  ，而且不论  的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏——源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流iD≈0。

②   >0 的情况

若  ＞0，则栅极和衬底之间的  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  数值较小，吸引电子的能力不强时，漏——源极之间仍无导电沟道出现，如图1(b)所示。  增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当  达到某一数值时，这些电子在栅极附近的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——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。  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——源极电压称为开启电压，用  表示。

上面讨论的N沟道MOS管在 ＜ 时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。只有当vGS≥VT时，才有沟道形成。这种必须在  时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。沟道形成以后，在漏——源极间加上正向电压  ，就有漏极电流产生。 

  对iD的影响

如图(a)所示，当  且为一确定值时，漏——源电压  对导电沟道及电流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Zui大，这里沟道Zui厚，而漏极一端电压Zui小，其值为 － ，因而这里沟道Zui薄。但当  较小（  ）时，它对沟道的影响不大，这时只要  一定，沟道电阻几乎也是一定的，所以iD随  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  增加到使 － (或 － )时，沟道在漏极一端出现预夹断，如图2(b)所示。再继续增大  ，夹断点将向源极方向移动，如图2(c)所示。由于  的增加部分几乎全部降落在夹断区，故iD几乎不随  增大而增加，管子进入饱和区，iD几乎仅由  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  而变化,即不同的  所对应的转移特性曲线几乎是重合的,所以可用  大于某一数值( ＞ )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）iD与  的近似关系

与结型场效应管相类似。在饱和区内,iD与  的近似关系式为

式中  是  时的漏极电流iD。

（2）参数

MOS管的主要参数与结型场效应管基本相同，只是增强型MOS管中不用夹断电压VP ，而用开启电压VT表征管子的特性。