nmos管工作原理

金(jin)属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-SemIConductor)结构(gou)(gou)的晶体管(guan)简称MOS晶体管(guan)，有P型MOS管(guan)和N型MOS管(guan)之分。MOS管(guan)构(gou)(gou)成的集(ji)成电(dian)路称为MOS集(ji)成电(dian)路，而PMOS管(guan)和NMOS管(guan)共(gong)同构(gou)(gou)成的互补(bu)型MOS集(ji)成电(dian)路即为CMOS集(ji)成电(dian)路。

由p型(xing)衬底和两(liang)个高(gao)(gao)浓(nong)度(du)n扩(kuo)散(san)区构成的MOS管(guan)叫作n沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)MOS管(guan)，该管(guan)导通时在(zai)(zai)两(liang)个高(gao)(gao)浓(nong)度(du)n扩(kuo)散(san)区间形成n型(xing)导电(dian)(dian)(dian)沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)。n沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)增强型(xing)MOS管(guan)必须(xu)在(zai)(zai)栅(zha)(zha)极上施加正(zheng)向偏压，且只有栅(zha)(zha)源电(dian)(dian)(dian)压大于(yu)阈(yu)值电(dian)(dian)(dian)压时才(cai)有导电(dian)(dian)(dian)沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)产生(sheng)的n沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)MOS管(guan)。n沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)耗尽型(xing)MOS管(guan)是指在(zai)(zai)不加栅(zha)(zha)压（栅(zha)(zha)源电(dian)(dian)(dian)压为零(ling)）时，就有导电(dian)(dian)(dian)沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)产生(sheng)的n沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)MOS管(guan)。

NMOS集(ji)(ji)(ji)(ji)成(cheng)(cheng)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)是N沟(gou)道MOS电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)，NMOS集(ji)(ji)(ji)(ji)成(cheng)(cheng)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)的(de)输入阻抗很高，基本上不(bu)(bu)需要吸收(shou)电(dian)(dian)(dian)流，因(yin)此，CMOS与(yu)NMOS集(ji)(ji)(ji)(ji)成(cheng)(cheng)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)连接(jie)(jie)时不(bu)(bu)必考虑电(dian)(dian)(dian)流的(de)负载问题。NMOS集(ji)(ji)(ji)(ji)成(cheng)(cheng)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)大多采用(yong)(yong)单组(zu)正电(dian)(dian)(dian)源供电(dian)(dian)(dian)，并且(qie)以5V为多。CMOS集(ji)(ji)(ji)(ji)成(cheng)(cheng)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)只要选用(yong)(yong)与(yu)NMOS集(ji)(ji)(ji)(ji)成(cheng)(cheng)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)相同的(de)电(dian)(dian)(dian)源，就可(ke)与(yu)NMOS集(ji)(ji)(ji)(ji)成(cheng)(cheng)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)直(zhi)(zhi)接(jie)(jie)连接(jie)(jie)。不(bu)(bu)过，从NMOS到CMOS直(zhi)(zhi)接(jie)(jie)连接(jie)(jie)时，由于(yu)NMOS输出的(de)高电(dian)(dian)(dian)平低于(yu)CMOS集(ji)(ji)(ji)(ji)成(cheng)(cheng)电(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)的(de)输入高电(dian)(dian)(dian)平，因(yin)而(er)需要使(shi)用(yong)(yong)一(yi)个（电(dian)(dian)(dian)位(wei)）上拉电(dian)(dian)(dian)阻R，R的(de)取(qu)值一(yi)般选用(yong)(yong)2～100KΩ。

N沟道增强型MOS管的结构

在一(yi)块掺杂浓(nong)度(du)较(jiao)低的P型硅衬底上，制作两个(ge)高掺杂浓(nong)度(du)的N+区，并用(yong)金属铝引出两个(ge)电极，分别作漏极d和(he)源极s。

然后在(zai)半导体表面覆盖一(yi)层(ceng)很薄的二(er)氧(yang)化硅(SiO2)绝(jue)缘层(ceng)，在(zai)漏(lou)——源极间(jian)的绝(jue)缘层(ceng)上(shang)再装上(shang)一(yi)个铝(lv)电极,作为栅极g。

在(zai)(zai)衬底(di)上(shang)也引出一(yi)(yi)个电极B，这(zhei)就构成了一(yi)(yi)个N沟(gou)道增强型MOS管。MOS管的源(yuan)极和衬底(di)通常是接(jie)在(zai)(zai)一(yi)(yi)起的(大(da)多数管子在(zai)(zai)出厂前已连接(jie)好)。

它(ta)的(de)栅(zha)极(ji)与其它(ta)电极(ji)间是绝(jue)缘的(de)。

图(tu)(a)、(b)分别(bie)是它的(de)(de)结构示意图(tu)和代(dai)表(biao)(biao)符号。代(dai)表(biao)(biao)符号中(zhong)的(de)(de)箭(jian)头(tou)方(fang)向表(biao)(biao)示由P(衬底)指向N(沟道)。P沟道增强型MOS管的(de)(de)箭(jian)头(tou)方(fang)向与上述相反，如图(tu)(c)所示。

N沟道增强型MOS管的工作原理

（1）vGS对iD及沟道的(de)控制作用

① vGS=0 的(de)情况

从(cong)图1(a)可以看(kan)出，增(zeng)强型MOS管的(de)漏极(ji)(ji)d和(he)源极(ji)(ji)s之间(jian)有(you)两(liang)个(ge)背(bei)靠背(bei)的(de)PN结(jie)。当(dang)栅——源电(dian)压vGS=0时(shi)，即使加上(shang)漏——源电(dian)压vDS，而且不(bu)论vDS的(de)极(ji)(ji)性如(ru)何，总(zong)有(you)一个(ge)PN结(jie)处(chu)于反偏状态，漏——源极(ji)(ji)间(jian)没有(you)导电(dian)沟道，所以这(zhei)时(shi)漏极(ji)(ji)电(dian)流iD≈0。

② vGS>0 的情况

若vGS＞0，则栅(zha)极和衬底之间的SiO2绝(jue)缘层中便(bian)产(chan)生一个(ge)电(dian)场(chang)。电(dian)场(chang)方向垂直(zhi)于(yu)半导体表面的由栅(zha)极指向衬底的电(dian)场(chang)。这个(ge)电(dian)场(chang)能(neng)排斥空穴而吸(xi)引电(dian)子。

排斥(chi)空穴(xue)：使栅(zha)极附近(jin)的P型(xing)衬底中的空穴(xue)被排斥(chi)，剩下(xia)不能移动的受主离(li)子(负离(li)子)，形(xing)成(cheng)耗尽层(ceng)。吸引(yin)电子：将(jiang) P型(xing)衬底中的电子（少子）被吸引(yin)到(dao)衬底表(biao)面。

（2）导(dao)电沟道的(de)形成：

当vGS数值较小，吸引电(dian)子(zi)的(de)能力不强时，漏——源(yuan)极(ji)之间(jian)仍(reng)无导(dao)(dao)(dao)电(dian)沟道(dao)(dao)出(chu)现，如图(tu)1(b)所(suo)示。vGS增加时，吸引到(dao)P衬底表面(mian)(mian)层(ceng)的(de)电(dian)子(zi)就(jiu)增多，当vGS达到(dao)某一数值时，这些(xie)电(dian)子(zi)在栅极(ji)附近的(de)P衬底表面(mian)(mian)便形(xing)成一个N型(xing)薄层(ceng)，且与两个N+区(qu)相连通，在漏——源(yuan)极(ji)间(jian)形(xing)成N型(xing)导(dao)(dao)(dao)电(dian)沟道(dao)(dao)，其导(dao)(dao)(dao)电(dian)类型(xing)与P衬底相反，故又称为反型(xing)层(ceng)，如图(tu)1(c)所(suo)示。vGS越(yue)(yue)大，作(zuo)用于半导(dao)(dao)(dao)体(ti)表面(mian)(mian)的(de)电(dian)场就(jiu)越(yue)(yue)强，吸引到(dao)P衬底表面(mian)(mian)的(de)电(dian)子(zi)就(jiu)越(yue)(yue)多，导(dao)(dao)(dao)电(dian)沟道(dao)(dao)越(yue)(yue)厚，沟道(dao)(dao)电(dian)阻越(yue)(yue)小。

开始形(xing)成沟道时的栅——源(yuan)极(ji)电(dian)压称为开启电(dian)压，用VT表示。

上面讨论(lun)的(de)(de)N沟(gou)道(dao)MOS管在vGS＜VT时，不能形成(cheng)导电沟(gou)道(dao)，管子处于(yu)截止(zhi)状态。只有当vGS≥VT时，才有沟(gou)道(dao)形成(cheng)。这种必须在vGS≥VT时才能形成(cheng)导电沟(gou)道(dao)的(de)(de)MOS管称为增强型MOS管。沟(gou)道(dao)形成(cheng)以后，在漏——源极(ji)间(jian)加上正向(xiang)电压vDS，就有漏极(ji)电流产(chan)生。

vDS对iD的影响

如图(tu)(a)所示(shi)，当vGS>VT且为一确定(ding)值时，漏——源(yuan)电(dian)压vDS对导电(dian)沟道及(ji)电(dian)流iD的影响(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(sui)着(zhe)vDS的(de)增(zeng)大(da)，靠近(jin)漏极(ji)的(de)沟道越来越薄(bo)，当vDS增(zeng)加到使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)时，沟道在漏极(ji)一端出现(xian)预夹(jia)(jia)断，如(ru)图(tu)2(b)所示(shi)。再继续增(zeng)大(da)vDS，夹(jia)(jia)断点将(jiang)向(xiang)源(yuan)极(ji)方向(xiang)移动，如(ru)图(tu)2(c)所示(shi)。由于(yu)vDS的(de)增(zeng)加部分几(ji)乎(hu)全部降落在夹(jia)(jia)断区，故iD几(ji)乎(hu)不随(sui)vDS增(zeng)大(da)而增(zeng)加，管子进入饱(bao)和区，iD几(ji)乎(hu)仅(jin)由vGS决定(ding)。

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(cheng)

1）输出特性曲线

N沟(gou)道增(zeng)强型MOS管的输(shu)出特性曲线(xian)如图1(a)所示。与(yu)结型场效应管一样,其输(shu)出特性曲线(xian)也(ye)可(ke)分为可(ke)变电阻区、饱和(he)区、截止区和(he)击穿区几部(bu)分。

2）转移特性曲线

转(zhuan)移(yi)特性(xing)曲(qu)(qu)线(xian)如图1(b)所(suo)示,由于场效应管(guan)作放大器件使用时是(shi)工作在饱(bao)和(he)区(恒(heng)流(liu)区),此时iD几(ji)乎(hu)不随(sui)vDS而变化(hua),即不同的(de)vDS所(suo)对应的(de)转(zhuan)移(yi)特性(xing)曲(qu)(qu)线(xian)几(ji)乎(hu)是(shi)重合的(de),所(suo)以可用vDS大于某一数值(vDS＞vGS-VT)后的(de)一条转(zhuan)移(yi)特性(xing)曲(qu)(qu)线(xian)代替(ti)饱(bao)和(he)区的(de)所(suo)有转(zhuan)移(yi)特性(xing)曲(qu)(qu)线(xian)。

3）iD与vGS的近似(si)关系

与结型场效应管相类似。在(zai)饱和区内,iD与vGS的近似关系式为

式中IDO是(shi)vGS=2VT时的漏(lou)极电流iD。

（2）参数

MOS管(guan)的(de)主要参数与结型场效应管(guan)基本相同(tong)，只是(shi)增(zeng)强型MOS管(guan)中不用夹断电(dian)压VP ，而用开启(qi)电(dian)压VT表征管(guan)子的(de)特性。

N沟道耗尽型MOS管的基本结构

（1）结构：

N沟道耗(hao)尽(jin)型(xing)(xing)MOS管(guan)与N沟道增强型(xing)(xing)MOS管(guan)基(ji)本(ben)相似。

（2）区(qu)别：

耗尽型(xing)MOS管在vGS=0时(shi)(shi)，漏——源(yuan)极(ji)间(jian)已(yi)有导电沟道产(chan)生，而增强(qiang)型(xing)MOS管要在vGS≥VT时(shi)(shi)才出现导电沟道。

（3）原因(yin)：

制造N沟道(dao)耗尽型(xing)MOS管(guan)时(shi)，在SiO2绝缘层(ceng)中(zhong)掺入了大量的(de)碱金属正(zheng)(zheng)离子Na+或K+(制造P沟道(dao)耗尽型(xing)MOS管(guan)时(shi)掺入负离子)，如(ru)图1(a)所示，因此即使vGS=0时(shi)，在这些正(zheng)(zheng)离子产生的(de)电场作用下，漏(lou)——源(yuan)极间的(de)P型(xing)衬底表(biao)面也能感应生成N沟道(dao)(称为(wei)初始沟道(dao))，只要加上正(zheng)(zheng)向(xiang)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(nei)，耗尽型MOS管的电流方(fang)程(cheng)与结型场效应(ying)管的电流方(fang)程(cheng)相同(tong)，即：

NMOS逻辑门电路

NMOS逻辑(ji)门电路是全部由(you)N沟道MOSFET构(gou)成。由(you)于(yu)这种器件(jian)(jian)具有较小的(de)(de)几何尺(chi)寸，适合于(yu)制造大(da)规模集成电(dian)(dian)路(lu)。此外，由(you)于(yu)NMOS集成电(dian)(dian)路(lu)的(de)(de)结构(gou)简(jian)单(dan)，易于(yu)使(shi)用CAD技术进行(xing)设计。与CMOS电(dian)(dian)路(lu)类似,NMOS电(dian)(dian)路(lu)中不使(shi)用难(nan)于(yu)制造的(de)(de)电(dian)(dian)阻 。NMOS反相器是整个NMO逻辑门电(dian)(dian)路(lu)的(de)(de)基本(ben)构(gou)件(jian)(jian)，它的(de)(de)工作管(guan)常用增(zeng)(zeng)强型器件(jian)(jian)，而(er)负(fu)载(zai)管(guan)可以是增(zeng)(zeng)强型也可以是耗尽型。现(xian)以增(zeng)(zeng)强型器件(jian)(jian)作为(wei)负(fu)载(zai)管(guan)的(de)(de)NMOS反相器为(wei)例来说明(ming)它的(de)(de)工作原理。

上图(tu)(tu)是表示(shi)NMOS反(fan)相(xiang)器(qi)(qi)的(de)原理电(dian)(dian)路，其中T1为(wei)工(gong)作管(guan)(guan)(guan)(guan)，T2为(wei)负载管(guan)(guan)(guan)(guan)，二者均属增强型(xing)器(qi)(qi)件。若T1和T2在(zai)同一工(gong)艺过程中制成，它们必将(jiang)具有相(xiang)同的(de)开(kai)启电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)VT。从图(tu)(tu)中可(ke)见(jian)，负载管(guan)(guan)(guan)(guan)T2的(de)栅极与漏极同接(jie)电(dian)(dian)源VDD，因而T2总是工(gong)作在(zai)它的(de)恒流(liu)区,处于导(dao)(dao)通(tong)状态(tai)。当(dang)输入(ru)vI为(wei)高(gao)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(超过管(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)的(de)开(kai)启电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)VT)时(shi)，T1导(dao)(dao)通(tong)，输出(chu)vO;为(wei)低电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)。输出(chu)低电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)的(de)值，由T1，T2两管(guan)(guan)(guan)(guan)导(dao)(dao)通(tong)时(shi)所呈(cheng)现(xian)的(de)电(dian)(dian)阻值之比决定。通(tong)常(chang)T1的(de)跨导(dao)(dao)gm1远大(da)于T2管(guan)(guan)(guan)(guan)的(de)跨导(dao)(dao)gm2，以保证输出(chu)低电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)值在(zai)+1V左右。当(dang)输入(ru)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)vI为(wei)低电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)(低于管(guan)(guan)(guan)(guan)子(zi)的(de)开(kai)启电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)VT)时(shi)，T1截止，输出(chu)vO为(wei)高(gao)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)。由于T2管(guan)(guan)(guan)(guan)总是处于导(dao)(dao)通(tong)状态(tai)，因此输出(chu)高(gao)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)值约为(wei)(VDD—VT)。

通常gm1在(zai)100～200

之间,而gm2约为5～15

。T1导(dao)通(tong)时的(de)等效电阻(zu)(zu)Rds1约为3～10kΩ，而(er)T2的(de)Rds2约在100～200kΩ之间。负(fu)载管(guan)导(dao)通(tong)电阻(zu)(zu)是随(sui)工作电流(liu)而(er)变化的(de)非线(xian)性(xing)电阻(zu)(zu)。

在NMOS反(fan)相器(qi)的(de)基础上，可以制成NMOS门电(dian)路(lu)(lu)。下(xia)图即(ji)为NMOS或(huo)非门电(dian)路(lu)(lu)。只要输入A，B中任一个为高电(dian)平(ping)，与(yu)它对应(ying)的(de)MOSFET导通时，输出(chu)为低电(dian)平(ping);仅当(dang)A、B全为低电(dian)平(ping)时，所(suo)有(you)工作管都截(jie)止时，输出(chu)才为高电(dian)平(ping)。可见电(dian)路(lu)(lu)具(ju)有(you)或(huo)非功能，即(ji)

或非(fei)门的工作(zuo)管都(dou)是并联的，增(zeng)加(jia)管子的个数，输出低(di)电(dian)平(ping)基(ji)本稳定，在整体电(dian)路(lu)设计(ji)中较(jiao)为方便，因而NMOS门电(dian)路(lu)是以或非(fei)门为基(ji)础的。这(zhei)种门电(dian)路(lu)不像TTL或CMOS电(dian)路(lu)作(zuo)成(cheng)小(xiao)规模(mo)的单个芯片(pian) ，主要用于(yu)大规模(mo)集成(cheng)电(dian)路(lu)。

以上讨论和分(fen)析了(le)各种逻辑门(men)(men)电(dian)路的结构、工作原理(li)和性能，为便于(yu)比较(jiao)，现(xian)用它们的主要技术参数传(chuan)输延迟时(shi)间Tpd和功耗PD综(zong)合描述各种逻辑门(men)(men)电(dian)路的性能，如图(tu)所示。

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