nmos管(guan)工作原理

金属(shu)-氧化物-半(ban)导体(Metal-Oxide-SemIConductor)结构(gou)的(de)晶(jing)体管(guan)简称MOS晶(jing)体管(guan)，有P型MOS管(guan)和N型MOS管(guan)之(zhi)分。MOS管(guan)构(gou)成的(de)集(ji)成电路称为(wei)MOS集(ji)成电路，而(er)PMOS管(guan)和NMOS管(guan)共同构(gou)成的(de)互(hu)补型MOS集(ji)成电路即为(wei)CMOS集(ji)成电路。

由(you)p型(xing)衬底和(he)两个高浓度(du)n扩散区构成的(de)MOS管(guan)(guan)叫(jiao)作n沟(gou)道(dao)(dao)(dao)MOS管(guan)(guan)，该管(guan)(guan)导通(tong)时在(zai)两个高浓度(du)n扩散区间形成n型(xing)导电沟(gou)道(dao)(dao)(dao)。n沟(gou)道(dao)(dao)(dao)增强型(xing)MOS管(guan)(guan)必须在(zai)栅(zha)极上施加(jia)正向(xiang)偏压(ya)，且(qie)只(zhi)有(you)栅(zha)源电压(ya)大于阈(yu)值电压(ya)时才有(you)导电沟(gou)道(dao)(dao)(dao)产(chan)生的(de)n沟(gou)道(dao)(dao)(dao)MOS管(guan)(guan)。n沟(gou)道(dao)(dao)(dao)耗(hao)尽型(xing)MOS管(guan)(guan)是指在(zai)不加(jia)栅(zha)压(ya)（栅(zha)源电压(ya)为零）时，就(jiu)有(you)导电沟(gou)道(dao)(dao)(dao)产(chan)生的(de)n沟(gou)道(dao)(dao)(dao)MOS管(guan)(guan)。

NMOS集(ji)成电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)是N沟道MOS电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)，NMOS集(ji)成电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)的(de)(de)输(shu)(shu)入阻抗很高(gao)，基本上(shang)不(bu)需要吸收(shou)电(dian)(dian)(dian)流，因(yin)此，CMOS与(yu)(yu)NMOS集(ji)成电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)连(lian)接时(shi)不(bu)必考虑电(dian)(dian)(dian)流的(de)(de)负载问(wen)题。NMOS集(ji)成电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)大多采(cai)用(yong)(yong)单组正电(dian)(dian)(dian)源(yuan)供电(dian)(dian)(dian)，并且以(yi)5V为多。CMOS集(ji)成电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)只(zhi)要选用(yong)(yong)与(yu)(yu)NMOS集(ji)成电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)相同的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)源(yuan)，就可与(yu)(yu)NMOS集(ji)成电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)直接连(lian)接。不(bu)过，从NMOS到CMOS直接连(lian)接时(shi)，由(you)于(yu)NMOS输(shu)(shu)出的(de)(de)高(gao)电(dian)(dian)(dian)平低于(yu)CMOS集(ji)成电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)的(de)(de)输(shu)(shu)入高(gao)电(dian)(dian)(dian)平，因(yin)而需要使用(yong)(yong)一个（电(dian)(dian)(dian)位）上(shang)拉(la)电(dian)(dian)(dian)阻R，R的(de)(de)取值一般选用(yong)(yong)2～100KΩ。

N沟道增强型MOS管的结构

在(zai)一块掺(chan)杂浓度较低的P型硅衬底上，制作两个(ge)高(gao)掺(chan)杂浓度的N+区，并(bing)用金属铝引出(chu)两个(ge)电极(ji)(ji)，分别作漏极(ji)(ji)d和源(yuan)极(ji)(ji)s。

然后在(zai)半导体表面覆盖一层很薄(bo)的(de)二氧化硅(gui)(SiO2)绝(jue)缘层，在(zai)漏——源(yuan)极间的(de)绝(jue)缘层上再装上一个铝电(dian)极,作为栅极g。

在(zai)衬(chen)(chen)底(di)上(shang)也引出(chu)一个电(dian)极B，这就(jiu)构成(cheng)了一个N沟道(dao)增强型MOS管。MOS管的源极和衬(chen)(chen)底(di)通常是(shi)接在(zai)一起(qi)的(大多数管子在(zai)出(chu)厂前已连接好)。

它(ta)的(de)栅极与其它(ta)电极间是绝(jue)缘(yuan)的(de)。

图(a)、(b)分别是(shi)它的(de)结构示意图和代表(biao)符(fu)号。代表(biao)符(fu)号中的(de)箭头方(fang)向表(biao)示由P(衬(chen)底)指向N(沟道(dao))。P沟道(dao)增强型(xing)MOS管的(de)箭头方(fang)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）vGS对(dui)iD及(ji)沟道的(de)控制作(zuo)用

① vGS=0 的情况

从(cong)图1(a)可以(yi)看出，增强型MOS管的漏极(ji)d和源(yuan)(yuan)极(ji)s之间有(you)(you)两个背靠(kao)背的PN结。当栅——源(yuan)(yuan)电(dian)压(ya)vGS=0时(shi)，即使(shi)加上漏——源(yuan)(yuan)电(dian)压(ya)vDS，而且不论vDS的极(ji)性如何，总有(you)(you)一(yi)个PN结处(chu)于反偏状态(tai)，漏——源(yuan)(yuan)极(ji)间没有(you)(you)导电(dian)沟道，所以(yi)这(zhei)时(shi)漏极(ji)电(dian)流iD≈0。

② vGS>0 的(de)情况

若vGS＞0，则(ze)栅极和(he)衬(chen)底(di)之间的(de)SiO2绝缘层中便产生一个电场。电场方向垂(chui)直(zhi)于半(ban)导体(ti)表面的(de)由栅极指向衬(chen)底(di)的(de)电场。这(zhei)个电场能排斥空穴而吸(xi)引电子。

排斥(chi)(chi)空穴(xue)：使栅极附近的P型(xing)衬底中(zhong)的空穴(xue)被排斥(chi)(chi)，剩下(xia)不能移动(dong)的受主离(li)子(负离(li)子)，形成耗尽(jin)层。吸引电子：将 P型(xing)衬底中(zhong)的电子（少子）被吸引到衬底表面。

（2）导电沟道的形成：

当(dang)vGS数值较(jiao)小(xiao)，吸引(yin)(yin)电(dian)子的(de)能力不强时，漏——源极之间(jian)仍无(wu)导电(dian)沟(gou)道(dao)出现，如(ru)图1(b)所(suo)示。vGS增加时，吸引(yin)(yin)到P衬底(di)表面(mian)(mian)层的(de)电(dian)子就(jiu)增多，当(dang)vGS达到某一数值时，这些电(dian)子在栅极附近(jin)的(de)P衬底(di)表面(mian)(mian)便形成一个N型(xing)薄层，且与(yu)(yu)两个N+区相连通，在漏——源极间(jian)形成N型(xing)导电(dian)沟(gou)道(dao)，其(qi)导电(dian)类型(xing)与(yu)(yu)P衬底(di)相反，故又称(cheng)为反型(xing)层，如(ru)图1(c)所(suo)示。vGS越(yue)大(da)，作用(yong)于半导体表面(mian)(mian)的(de)电(dian)场就(jiu)越(yue)强，吸引(yin)(yin)到P衬底(di)表面(mian)(mian)的(de)电(dian)子就(jiu)越(yue)多，导电(dian)沟(gou)道(dao)越(yue)厚，沟(gou)道(dao)电(dian)阻越(yue)小(xiao)。

开始形成沟道(dao)时(shi)的栅——源极电(dian)压称为开启(qi)电(dian)压，用VT表示。

上(shang)面讨论的(de)N沟(gou)道(dao)(dao)MOS管(guan)在(zai)vGS＜VT时，不(bu)能形成导电(dian)(dian)沟(gou)道(dao)(dao)，管(guan)子处于截止状态(tai)。只(zhi)有(you)当vGS≥VT时，才(cai)有(you)沟(gou)道(dao)(dao)形成。这种必须在(zai)vGS≥VT时才(cai)能形成导电(dian)(dian)沟(gou)道(dao)(dao)的(de)MOS管(guan)称为增强型MOS管(guan)。沟(gou)道(dao)(dao)形成以后(hou)，在(zai)漏(lou)——源极(ji)间加上(shang)正向(xiang)电(dian)(dian)压vDS，就有(you)漏(lou)极(ji)电(dian)(dian)流产生。

vDS对iD的影响(xiang)

如图(a)所(suo)示，当vGS>VT且(qie)为一确定值时，漏——源(yuan)电压vDS对导(dao)电沟道及电流iD的影响与(yu)结(jie)型场(chang)效应管(guan)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vDS的增大(da)，靠近(jin)漏(lou)极的沟道(dao)越来(lai)越薄(bo)，当vDS增加到使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)时，沟道(dao)在(zai)漏(lou)极一端出现预夹(jia)断(duan)，如图2(b)所(suo)示。再继续增大(da)vDS，夹(jia)断(duan)点将向源极方(fang)向移动，如图2(c)所(suo)示。由(you)于vDS的增加部分几(ji)(ji)乎全部降落在(zai)夹(jia)断(duan)区，故iD几(ji)(ji)乎不随vDS增大(da)而增加，管子进(jin)入饱和区，iD几(ji)(ji)乎仅由(you)vGS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(dian)流(liu)方程

1）输出(chu)特性曲(qu)线

N沟道(dao)增强型(xing)MOS管(guan)的输(shu)出特(te)性曲(qu)线如(ru)图(tu)1(a)所示。与结型(xing)场效应(ying)管(guan)一样,其输(shu)出特(te)性曲(qu)线也可分为可变电阻区(qu)、饱和(he)区(qu)、截止(zhi)区(qu)和(he)击穿区(qu)几(ji)部分。

2）转移(yi)特性曲线

转移(yi)(yi)特性(xing)曲(qu)线如图1(b)所(suo)(suo)示,由于场效应管作放大器件使(shi)用时是工作在饱和区(恒流区),此(ci)时iD几乎(hu)不随vDS而变化,即(ji)不同的(de)vDS所(suo)(suo)对应的(de)转移(yi)(yi)特性(xing)曲(qu)线几乎(hu)是重合的(de),所(suo)(suo)以可用vDS大于某一(yi)数值(zhi)(vDS＞vGS-VT)后的(de)一(yi)条转移(yi)(yi)特性(xing)曲(qu)线代替饱和区的(de)所(suo)(suo)有转移(yi)(yi)特性(xing)曲(qu)线。

3）iD与vGS的近似关系

与结型场效应管(guan)相(xiang)类(lei)似(si)。在饱和区(qu)内(nei),iD与vGS的近(jin)似(si)关系(xi)式(shi)为

式中(zhong)IDO是(shi)vGS=2VT时的漏极电流iD。

（2）参数(shu)

MOS管(guan)的主(zhu)要参(can)数与结型场效应管(guan)基本相同，只是增(zeng)强型MOS管(guan)中不用夹(jia)断电压(ya)VP ，而用开启电压(ya)VT表征管(guan)子的特性。

N沟道耗尽型MOS管的基本结构

（1）结(jie)构：

N沟道(dao)(dao)耗尽型MOS管与N沟道(dao)(dao)增强型MOS管基本相似。

（2）区别：

耗尽型MOS管(guan)在vGS=0时(shi)，漏——源极间已(yi)有导电沟(gou)道产生(sheng)，而增强(qiang)型MOS管(guan)要在vGS≥VT时(shi)才出现导电沟(gou)道。

（3）原因：

制(zhi)造N沟(gou)道(dao)(dao)(dao)耗(hao)尽型(xing)MOS管(guan)时(shi)，在(zai)SiO2绝(jue)缘层中掺入(ru)(ru)了大量的碱(jian)金属正(zheng)(zheng)离(li)子Na+或K+(制(zhi)造P沟(gou)道(dao)(dao)(dao)耗(hao)尽型(xing)MOS管(guan)时(shi)掺入(ru)(ru)负离(li)子)，如图1(a)所示，因此即使vGS=0时(shi)，在(zai)这些正(zheng)(zheng)离(li)子产(chan)生(sheng)的电场作用下，漏(lou)——源极间的P型(xing)衬底表(biao)面也能感应生(sheng)成N沟(gou)道(dao)(dao)(dao)(称为(wei)初始沟(gou)道(dao)(dao)(dao))，只要加上正(zheng)(zheng)向电压vDS，就有电流iD。

如果加上正的vGS，栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子，沟道加宽，沟道电阻变小，iD增大。反之vGS为负时，沟道中感应的电子减少，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。当vGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，iD趋于零，管子截止，故称为耗尽型。沟道消失时的栅－源电压称为夹断电压，仍用VP表示。与N沟道结型场效应管相同，N沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP也为负值，但是，前者只能在vGS<0的情况下工作。而后者在vGS=0，vGS>0，VP

（4）电(dian)流(liu)方程：

在饱和区内，耗尽型(xing)MOS管的电流方(fang)程与(yu)结型(xing)场(chang)效应管的电流方(fang)程相同，即(ji)：

NMOS逻辑门电路

NMOS逻辑门(men)电路是全部由N沟道(dao)MOSFET构成。由于这种器(qi)件(jian)(jian)(jian)具(ju)有较小(xiao)的(de)几(ji)何尺寸(cun)，适合(he)于制(zhi)(zhi)造大规模集成电(dian)路(lu)。此外(wai)，由于NMOS集成电(dian)路(lu)的(de)结构简单，易于使用(yong)(yong)CAD技术进行设计。与CMOS电(dian)路(lu)类(lei)似,NMOS电(dian)路(lu)中不使用(yong)(yong)难于制(zhi)(zhi)造的(de)电(dian)阻 。NMOS反相器(qi)是整个NMO逻辑门电(dian)路(lu)的(de)基本(ben)构件(jian)(jian)(jian)，它的(de)工(gong)作(zuo)管常用(yong)(yong)增强(qiang)(qiang)型器(qi)件(jian)(jian)(jian)，而负载管可以(yi)是增强(qiang)(qiang)型也(ye)可以(yi)是耗尽型。现以(yi)增强(qiang)(qiang)型器(qi)件(jian)(jian)(jian)作(zuo)为负载管的(de)NMOS反相器(qi)为例来(lai)说明(ming)它的(de)工(gong)作(zuo)原理(li)。

上(shang)图是(shi)(shi)表示NMOS反相(xiang)(xiang)器的(de)(de)原理电(dian)(dian)路，其中(zhong)T1为(wei)工(gong)作管(guan)，T2为(wei)负载管(guan)，二(er)者(zhe)均(jun)属增强型器件。若T1和T2在同一工(gong)艺过程中(zhong)制(zhi)成，它(ta)们必将(jiang)具有相(xiang)(xiang)同的(de)(de)开启电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)VT。从图中(zhong)可(ke)见，负载管(guan)T2的(de)(de)栅(zha)极与漏极同接电(dian)(dian)源VDD，因而T2总是(shi)(shi)工(gong)作在它(ta)的(de)(de)恒流区,处(chu)于导(dao)通(tong)(tong)状(zhuang)态。当输(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)入(ru)(ru)vI为(wei)高电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)(超过管(guan)子的(de)(de)开启电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)VT)时(shi)，T1导(dao)通(tong)(tong)，输(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)出vO;为(wei)低电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)。输(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)出低电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)的(de)(de)值(zhi)，由(you)T1，T2两(liang)管(guan)导(dao)通(tong)(tong)时(shi)所(suo)呈(cheng)现的(de)(de)电(dian)(dian)阻(zu)值(zhi)之比决定。通(tong)(tong)常T1的(de)(de)跨导(dao)gm1远(yuan)大于T2管(guan)的(de)(de)跨导(dao)gm2，以保证(zheng)输(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)出低电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)值(zhi)在+1V左右。当输(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)入(ru)(ru)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)vI为(wei)低电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)(低于管(guan)子的(de)(de)开启电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)VT)时(shi)，T1截止，输(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)出vO为(wei)高电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)。由(you)于T2管(guan)总是(shi)(shi)处(chu)于导(dao)通(tong)(tong)状(zhuang)态，因此输(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)出高电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)值(zhi)约(yue)为(wei)(VDD—VT)。

通常gm1在(zai)100～200

之间,而gm2约为5～15

。T1导通时的(de)等效电阻Rds1约(yue)为3～10kΩ，而T2的(de)Rds2约(yue)在100～200kΩ之间。负(fu)载管导通电阻是(shi)随(sui)工作电流而变化的(de)非线(xian)性电阻。

在NMOS反相器(qi)的基础(chu)上，可以制成(cheng)NMOS门电(dian)路(lu)。下图即为(wei)(wei)NMOS或非(fei)门电(dian)路(lu)。只(zhi)要输(shu)入A，B中任一个(ge)为(wei)(wei)高电(dian)平(ping)，与它对应的MOSFET导(dao)通时，输(shu)出(chu)为(wei)(wei)低电(dian)平(ping);仅当A、B全为(wei)(wei)低电(dian)平(ping)时，所有工作管都(dou)截(jie)止时，输(shu)出(chu)才为(wei)(wei)高电(dian)平(ping)。可见电(dian)路(lu)具有或非(fei)功能(neng)，即

或非(fei)门的(de)(de)工作管(guan)都是(shi)并联的(de)(de)，增加管(guan)子的(de)(de)个(ge)数，输(shu)出低电(dian)平基(ji)本稳定，在整(zheng)体电(dian)路(lu)设计(ji)中较为(wei)方(fang)便(bian)，因而NMOS门电(dian)路(lu)是(shi)以或非(fei)门为(wei)基(ji)础的(de)(de)。这种门电(dian)路(lu)不像(xiang)TTL或CMOS电(dian)路(lu)作成小(xiao)规(gui)(gui)模(mo)的(de)(de)单个(ge)芯片 ，主(zhu)要用于大规(gui)(gui)模(mo)集(ji)成电(dian)路(lu)。

以上讨论和(he)分(fen)析了各(ge)种(zhong)(zhong)逻辑门电(dian)路(lu)的(de)结(jie)构、工作原理和(he)性能(neng)，为便(bian)于比较，现用它们的(de)主要技术参数传输延迟时间Tpd和(he)功耗PD综合描(miao)述各(ge)种(zhong)(zhong)逻辑门电(dian)路(lu)的(de)性能(neng)，如(ru)图(tu)所示。

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