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NMOS管
什么是NMOS管

NMOS英(ying)文全(quan)称为N-Metal-Oxide-Semiconductor。 意思为N型(xing)(xing)金属-氧化物-半(ban)导体(ti)(ti)，而拥有这种结构的(de)晶体(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)我们称之为NMOS晶体(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)。 MOS晶体(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)有P型(xing)(xing)MOS管(guan)(guan)(guan)(guan)和N型(xing)(xing)MOS管(guan)(guan)(guan)(guan)之分。由(you)MOS管(guan)(guan)(guan)(guan)构成的(de)集(ji)(ji)(ji)成电(dian)(dian)路(lu)(lu)称为MOS集(ji)(ji)(ji)成电(dian)(dian)路(lu)(lu)，由(you)NMOS组成的(de)电(dian)(dian)路(lu)(lu)就是(shi)NMOS集(ji)(ji)(ji)成电(dian)(dian)路(lu)(lu)，由(you)PMOS管(guan)(guan)(guan)(guan)组成的(de)电(dian)(dian)路(lu)(lu)就是(shi)PMOS集(ji)(ji)(ji)成电(dian)(dian)路(lu)(lu)，由(you)NMOS和PMOS两种管(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)组成的(de)互补MOS电(dian)(dian)路(lu)(lu)，即CMOS电(dian)(dian)路(lu)(lu)。

NMOS管结构

在一块掺(chan)杂浓度较(jiao)低的P型硅(gui)衬底上(shang)，制(zhi)作两个高掺(chan)杂浓度的N+区(qu)，并(bing)用金属铝引出两个电(dian)极(ji)，分(fen)别作漏(lou)(lou)极(ji)d和源极(ji)s。然后(hou)在半导体表面覆盖(gai)一层(ceng)很薄(bo)的二氧化硅(gui)(SiO2)绝缘层(ceng)，在漏(lou)(lou)——源极(ji)间的绝缘层(ceng)上(shang)再装上(shang)一个铝电(dian)极(ji),作为栅(zha)极(ji)g。

在(zai)衬(chen)底(di)上也引出一(yi)个电(dian)极B，这就构成了一(yi)个N沟道增强型MOS管。MOS管的(de)源(yuan)极和衬(chen)底(di)通(tong)常(chang)是(shi)接(jie)在(zai)一(yi)起的(de)(大多数管子在(zai)出厂前已(yi)连接(jie)好)。它的(de)栅(zha)极与其(qi)它电(dian)极间是(shi)绝(jue)缘的(de)。图(tu)(tu)(a)、(b)分别是它的(de)结构示(shi)意图(tu)(tu)和代表(biao)符(fu)号。代表(biao)符(fu)号中的(de)箭(jian)(jian)头(tou)方(fang)向表(biao)示(shi)由P(衬底)指(zhi)向N(沟道)。P沟道增(zeng)强型MOS管(guan)的(de)箭(jian)(jian)头(tou)方(fang)向与上述相反(fan)，如图(tu)(tu)(c)所(suo)示(shi)。

NMOS管增强型工作原理

（1）vGS对iD及(ji)沟道的(de)控(kong)制作用

① vGS=0 的情(qing)况

从图1(a)可以(yi)看出，增(zeng)强型MOS管的漏极(ji)d和源(yuan)极(ji)s之间有(you)两个背(bei)靠背(bei)的PN结(jie)(jie)。当栅——源(yuan)电(dian)压vGS=0时(shi)，即使加上漏——源(yuan)电(dian)压vDS，而(er)且不论vDS的极(ji)性如何，总有(you)一个PN结(jie)(jie)处(chu)于反偏状态(tai)，漏——源(yuan)极(ji)间没有(you)导电(dian)沟道，所以(yi)这时(shi)漏极(ji)电(dian)流iD≈0。

② vGS>0 的情况

若vGS＞0，则栅极和衬底之间的(de)SiO2绝缘层中便产生(sheng)一(yi)个(ge)电场(chang)。电场(chang)方向(xiang)垂(chui)直于(yu)半导体(ti)表面(mian)的(de)由栅极指向(xiang)衬底的(de)电场(chang)。这个(ge)电场(chang)能(neng)排斥空穴而吸(xi)引电子。

排斥空(kong)穴：使栅极(ji)附近的(de)P型衬(chen)(chen)(chen)底(di)中的(de)空(kong)穴被排斥，剩下(xia)不能(neng)移(yi)动的(de)受主(zhu)离(li)子(zi)(zi)(负离(li)子(zi)(zi))，形成耗尽(jin)层。吸引(yin)电子(zi)(zi)：将(jiang) P型衬(chen)(chen)(chen)底(di)中的(de)电子(zi)(zi)（少子(zi)(zi)）被吸引(yin)到衬(chen)(chen)(chen)底(di)表面(mian)。

（2）导电沟道(dao)的形成：

当vGS数值较小，吸引(yin)电(dian)(dian)(dian)(dian)子的(de)能力(li)不强时，漏——源(yuan)极之间(jian)仍无导电(dian)(dian)(dian)(dian)沟(gou)道(dao)出现，如图1(b)所(suo)示。vGS增加时，吸引(yin)到(dao)P衬底表面层(ceng)的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)子就增多(duo)，当vGS达到(dao)某一数值时，这些电(dian)(dian)(dian)(dian)子在栅极附近的(de)P衬底表面便(bian)形成一个(ge)N型(xing)薄层(ceng)，且与(yu)两个(ge)N+区相连通，在漏——源(yuan)极间(jian)形成N型(xing)导电(dian)(dian)(dian)(dian)沟(gou)道(dao)，其导电(dian)(dian)(dian)(dian)类型(xing)与(yu)P衬底相反(fan)，故又(you)称(cheng)为(wei)反(fan)型(xing)层(ceng)，如图1(c)所(suo)示。vGS越(yue)大，作用于半导体(ti)表面的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)场就越(yue)强，吸引(yin)到(dao)P衬底表面的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)子就越(yue)多(duo)，导电(dian)(dian)(dian)(dian)沟(gou)道(dao)越(yue)厚，沟(gou)道(dao)电(dian)(dian)(dian)(dian)阻越(yue)小。开始形成沟(gou)道(dao)时的(de)栅——源(yuan)极电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)称(cheng)为(wei)开启电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)，用VT表示。

上(shang)面讨论的(de)N沟(gou)(gou)道(dao)(dao)MOS管在(zai)vGS＜VT时，不能(neng)(neng)形(xing)成(cheng)导(dao)电沟(gou)(gou)道(dao)(dao)，管子处于(yu)截止状态。只有(you)当vGS≥VT时，才(cai)有(you)沟(gou)(gou)道(dao)(dao)形(xing)成(cheng)。这种必须在(zai)vGS≥VT时才(cai)能(neng)(neng)形(xing)成(cheng)导(dao)电沟(gou)(gou)道(dao)(dao)的(de)MOS管称为增强型MOS管。沟(gou)(gou)道(dao)(dao)形(xing)成(cheng)以后(hou)，在(zai)漏——源极间加上(shang)正(zheng)向电压(ya)vDS，就有(you)漏极电流产生(sheng)。

vDS对iD的影响

如图(a)所示，当vGS>VT且为一确定值(zhi)时(shi)，漏——源电(dian)(dian)压(ya)vDS对导电(dian)(dian)沟道及电(dian)(dian)流iD的影(ying)响(xiang)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最大，这里沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为VGD=vGS－vDS，因而这里沟道最薄。但当vDS较小（vDS随着(zhe)vDS的增大(da)，靠近漏(lou)极的沟道(dao)(dao)越来越薄，当vDS增加到(dao)使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)时，沟道(dao)(dao)在(zai)漏(lou)极一端出现预夹(jia)断(duan)(duan)，如图(tu)2(b)所(suo)示。再继续(xu)增大(da)vDS，夹(jia)断(duan)(duan)点将(jiang)向源极方向移动，如图(tu)2(c)所(suo)示。由于(yu)vDS的增加部分(fen)几乎(hu)全部降(jiang)落在(zai)夹(jia)断(duan)(duan)区，故iD几乎(hu)不(bu)随vDS增大(da)而增加，管子(zi)进入饱(bao)和区，iD几乎(hu)仅由vGS决定(ding)。

NMOS管增强型的特性曲线、方程及参数详解

（1）特性曲线和电流方程

1）输出特性曲线

N沟道(dao)增强型(xing)MOS管(guan)的输出(chu)特(te)性(xing)曲线如图1(a)所示。与结型(xing)场效(xiao)应管(guan)一样,其(qi)输出(chu)特(te)性(xing)曲线也可分为可变电(dian)阻区、饱(bao)和区、截止区和击穿(chuan)区几部分。

2）转移特性(xing)曲线

转移特性(xing)曲线如(ru)图1(b)所(suo)示,由于(yu)场效应(ying)管作(zuo)放大器(qi)件使用时(shi)是(shi)工(gong)作(zuo)在饱(bao)和(he)区(qu)(恒(heng)流区(qu)),此时(shi)iD几(ji)乎(hu)不随vDS而变化,即不同的(de)vDS所(suo)对(dui)应(ying)的(de)转移特性(xing)曲线几(ji)乎(hu)是(shi)重合的(de),所(suo)以(yi)可(ke)用vDS大于(yu)某(mou)一数值(vDS＞vGS-VT)后的(de)一条转移特性(xing)曲线代替饱(bao)和(he)区(qu)的(de)所(suo)有转移特性(xing)曲线。

3）iD与vGS的近似关系

与结型场效应管相(xiang)类似。在(zai)饱和(he)区内(nei),iD与vGS的近似关系式为

式(shi)中IDO是vGS=2VT时的漏极电流iD。

（2）参数(shu)

MOS管的(de)主要参数与结型场效应管基本相同，只是增(zeng)强型MOS管中不用夹断电压(ya)VP ，而用开(kai)启(qi)电压(ya)VT表征管子的(de)特性(xing)。

NMOS管耗尽型基本结构

（1）结构：

N沟(gou)道耗尽(jin)型(xing)(xing)MOS管与N沟(gou)道增强(qiang)型(xing)(xing)MOS管基本(ben)相似。

（2）区别：

耗尽(jin)型MOS管在vGS=0时，漏——源极间已有导(dao)(dao)电(dian)沟(gou)道产(chan)生，而(er)增强型MOS管要在vGS≥VT时才出现导(dao)(dao)电(dian)沟(gou)道。

（3）原因(yin)：

制造N沟道(dao)(dao)耗尽型(xing)(xing)MOS管时(shi)，在(zai)SiO2绝缘层中掺(chan)入(ru)(ru)了大量的碱金属(shu)正离子Na+或(huo)K+(制造P沟道(dao)(dao)耗尽型(xing)(xing)MOS管时(shi)掺(chan)入(ru)(ru)负离子)，如(ru)图1(a)所(suo)示(shi)，因此即(ji)使(shi)vGS=0时(shi)，在(zai)这些正离子产生的电(dian)场作用(yong)下，漏——源(yuan)极(ji)间的P型(xing)(xing)衬底表面也能感(gan)应(ying)生成N沟道(dao)(dao)(称为初(chu)始沟道(dao)(dao))，只要加上正向(xiang)电(dian)压vDS，就(jiu)有电(dian)流iD。

如果加(jia)上正(zheng)的(de)(de)vGS，栅极(ji)与(yu)N沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)间(jian)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)场(chang)将在沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)中吸引来更多的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)子(zi)，沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)加(jia)宽，沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)电(dian)(dian)(dian)阻变(bian)小，iD增(zeng)大(da)。反之vGS为(wei)(wei)(wei)负(fu)时，沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)中感应的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)子(zi)减(jian)(jian)少，沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)变(bian)窄，沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)电(dian)(dian)(dian)阻变(bian)大(da)，iD减(jian)(jian)小。当vGS负(fu)向(xiang)增(zeng)加(jia)到某一数值时，导电(dian)(dian)(dian)沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)消失(shi)，iD趋于(yu)零(ling)，管(guan)(guan)子(zi)截止，故称为(wei)(wei)(wei)耗(hao)尽型(xing)。沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)消失(shi)时的(de)(de)栅－源电(dian)(dian)(dian)压称为(wei)(wei)(wei)夹断电(dian)(dian)(dian)压，仍用(yong)VP表示(shi)。与(yu)N沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)结型(xing)场(chang)效应管(guan)(guan)相同，N沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)耗(hao)尽型(xing)MOS管(guan)(guan)的(de)(de)夹断电(dian)(dian)(dian)压VP也为(wei)(wei)(wei)负(fu)值，但是，前者只能在vGS<0的(de)(de)情况下工作。而后者在vGS=0，vGS>0，VP。

（4）电流方程：

在饱和区内(nei)，耗尽型(xing)MOS管(guan)的电流方程与结型(xing)场效应管(guan)的电流方程相(xiang)同。

NMOS管逻辑门电路

NMOS逻(luo)辑门电路(lu)是(shi)(shi)(shi)全部由N沟道MOSFET构(gou)(gou)成。由于(yu)(yu)(yu)这种器(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)具有较小(xiao)的(de)(de)(de)几(ji)何尺(chi)寸(cun)，适合于(yu)(yu)(yu)制造大规(gui)模集成电路(lu)。此外，由于(yu)(yu)(yu)NMOS集成电路(lu)的(de)(de)(de)结构(gou)(gou)简单(dan)，易于(yu)(yu)(yu)使(shi)用CAD技术进行设计。与(yu)CMOS电路(lu)类似,NMOS电路(lu)中(zhong)不使(shi)用难于(yu)(yu)(yu)制造的(de)(de)(de)电阻 。NMOS反相(xiang)器(qi)(qi)是(shi)(shi)(shi)整个NMO逻(luo)辑门电路(lu)的(de)(de)(de)基本(ben)构(gou)(gou)件(jian)(jian)(jian)，它的(de)(de)(de)工作(zuo)管(guan)常(chang)用增(zeng)强(qiang)(qiang)型(xing)(xing)器(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)，而负载管(guan)可(ke)(ke)以(yi)是(shi)(shi)(shi)增(zeng)强(qiang)(qiang)型(xing)(xing)也(ye)可(ke)(ke)以(yi)是(shi)(shi)(shi)耗尽型(xing)(xing)。现以(yi)增(zeng)强(qiang)(qiang)型(xing)(xing)器(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)作(zuo)为(wei)负载管(guan)的(de)(de)(de)NMOS反相(xiang)器(qi)(qi)为(wei)例来说明它的(de)(de)(de)工作(zuo)原理。

上图是(shi)表(biao)示NMOS反相器的(de)(de)(de)(de)原(yuan)理电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路，其中(zhong)T1为工(gong)作管(guan)，T2为负载管(guan)，二(er)者均属(shu)增强型器件。若T1和T2在(zai)(zai)同一工(gong)艺过程中(zhong)制成，它们必将(jiang)具(ju)有相同的(de)(de)(de)(de)开(kai)启电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)VT。从(cong)图中(zhong)可见，负载管(guan)T2的(de)(de)(de)(de)栅极(ji)(ji)与(yu)漏极(ji)(ji)同接电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源VDD，因(yin)而T2总是(shi)工(gong)作在(zai)(zai)它的(de)(de)(de)(de)恒流(liu)区,处于(yu)导(dao)通状态。当(dang)输(shu)(shu)入vI为高电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(超过管(guan)子的(de)(de)(de)(de)开(kai)启电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)VT)时，T1导(dao)通，输(shu)(shu)出(chu)vO;为低电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)。输(shu)(shu)出(chu)低电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)的(de)(de)(de)(de)值(zhi)，由T1，T2两管(guan)导(dao)通时所呈现的(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻值(zhi)之比决定。通常T1的(de)(de)(de)(de)跨(kua)导(dao)gm1远大于(yu)T2管(guan)的(de)(de)(de)(de)跨(kua)导(dao)gm2，以保证输(shu)(shu)出(chu)低电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)值(zhi)在(zai)(zai)+1V左(zuo)右。当(dang)输(shu)(shu)入电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)vI为低电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(低于(yu)管(guan)子的(de)(de)(de)(de)开(kai)启电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)VT)时，T1截止，输(shu)(shu)出(chu)vO为高电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)。由于(yu)T2管(guan)总是(shi)处于(yu)导(dao)通状态，因(yin)此(ci)输(shu)(shu)出(chu)高电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)值(zhi)约为(VDD—VT)。

通常(chang)gm1在100～200之间,而gm2约(yue)(yue)为(wei)5～15。T1导(dao)(dao)通时(shi)的等效电(dian)阻(zu)Rds1约(yue)(yue)为(wei)3～10kΩ，而T2的Rds2约(yue)(yue)在100～200kΩ之间。负载管导(dao)(dao)通电(dian)阻(zu)是随(sui)工(gong)作(zuo)电(dian)流而变化的非线性电(dian)阻(zu)。

在NMOS反(fan)相器(qi)的(de)基础(chu)上，可以制成(cheng)NMOS门电(dian)(dian)路(lu)。下(xia)图(tu)即为NMOS或非门电(dian)(dian)路(lu)。只要输入(ru)A，B中任一个(ge)为高(gao)电(dian)(dian)平(ping)，与它对应的(de)MOSFET导通时(shi)，输出为低电(dian)(dian)平(ping);仅当A、B全为低电(dian)(dian)平(ping)时(shi)，所有工作(zuo)管都截止时(shi)，输出才为高(gao)电(dian)(dian)平(ping)。可见电(dian)(dian)路(lu)具(ju)有或非功能，即

或(huo)非门(men)(men)的(de)(de)工作(zuo)管(guan)都是并(bing)联的(de)(de)，增加管(guan)子的(de)(de)个数，输出(chu)低电(dian)平基本稳(wen)定，在整体(ti)电(dian)路设计(ji)中(zhong)较(jiao)为方(fang)便，因而NMOS门(men)(men)电(dian)路是以或(huo)非门(men)(men)为基础的(de)(de)。这种门(men)(men)电(dian)路不(bu)像TTL或(huo)CMOS电(dian)路作(zuo)成小(xiao)规模(mo)的(de)(de)单(dan)个芯片 ，主要(yao)用于大规模(mo)集(ji)成电(dian)路。

以上讨论和分析了各种逻辑门电路(lu)的结构、工作原理和性(xing)能，为便于比较(jiao)，现用(yong)它(ta)们的主要技术(shu)参(can)数传输延迟(chi)时间Tpd和功耗PD综合描(miao)述(shu)各种逻辑门电路(lu)的性(xing)能，如图所示。

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