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金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-SemIConductor)结构的晶体管简称MOS晶体管,有P型MOS管和N型MOS管之分。MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路,而PMOS管和NMOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为CMOS集成电路。

MOS集成电路特点:
制造工艺比较简单、成品率较高、功耗低、组成的逻辑电路比较简单,集成度高、抗干扰能力强,特别适合于大规模集成电路。

MOS集成电路包括:
NMOS管组成的NMOS电路、PMOS管组成的PMOS电路及由NMOS和PMOS两种管子组成的互补MOS电路,即CMOS电路。PMOS门电路与NMOS电路的原理完全相同,只是电源极性相反而已。数字电路中MOS集成电路所使用的MOS管均为增强型管子,负载常用MOS管作为有源负载,这样不仅节省了硅片面积,而且简化了工艺利于大规模集成。常用的符号如图1所示。

N沟道MOS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

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(SiO2)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(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。

工作原理:

(1)vGS对iD及沟道的控制作用

① vGS=0 的情况 从图2(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vGS=0时,即使加上漏——源电压vDS,而且不论vDS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 vGS>0 的情况 若vGS>0,则栅极和衬底之间的SiO2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vGS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2(b)所示。vGS增加时,吸引到P衬底表面层的电子就增多,当vGS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2(c)所示。vGS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VT表示。 上面讨论的N沟道MOS管在vGS<VT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vGS≥VT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vDS,就有漏极电流产生。

(3)vDS对iD的影响

如图(a)所示,当vGS>VT且为一确定值时,漏——源电压vDS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较小时,它对沟道的影响不大,这时只要vGS一定,沟道电阻几乎也是一定的,所以iD随vDS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vDS增加到使VGD=vGS-vDS=VT(或vDS=vGS-VT)时,沟道在漏极一端出现预夹断,如图2(b)所示。再继续增大vDS,夹断点将向源极方向移动,如图2(c)所示。由于vDS的增加部分几乎全部降落在夹断区,故iD几乎不随vDS增大而增加,管子进入饱和区,iD几乎仅由vGS决定。

(4)特性曲线、电流方程及参数

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vDS而变化,即不同的vDS所对应的转移特性曲线几乎是重合的,所以可用vDS大于某一数值(vDS>vGS-VT)后的一条转移特性曲线代替饱和区的所有转移特性曲线。

③iD与vGS的近似关系 与结型场效应管相类似。在饱和区内,iD与vGS的近似关系式为

式中IDO是vGS=2VT时的漏极电流iD。

④参数 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。

N沟道耗尽型MOS管

(1)结构: N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管基本相似。

(2)区别: 耗尽型MOS管在vGS=0时,漏——源极间已有导电沟道产生,而增强型MOS管要在vGS≥VT时才出现导电沟道。

(3)原因: 制造N沟道耗尽型MOS管时,在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+(制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子),如图1(a)所示,因此即使vGS=0时,在这些正离子产生的电场作用下,漏——源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道),只要加上正向电压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)电流方程:

(5)比较:

P沟道MOS管

金属氧化物半导体场效应(MOS)晶体管可分为N沟道与P沟道两大类,P沟道硅MOS场效应晶体管在N型硅衬底上有两个P+区,分别叫做源极和漏极,两极之间不通导,柵极上加有足够的正电压(源极接地)时,柵极下的N型硅表面呈现P型反型层,成为连接源极和漏极的沟道。改变栅压可以改变沟道中的电子密度,从而改变沟道的电阻。这种MOS场效应晶体管称为P沟道增强型场效应晶体管。如果N型硅衬底表面不加栅压就已存在P型反型层沟道,加上适当的偏压,可使沟道的电阻增大或减小。这样的MOS场效应晶体管称为P沟道耗尽型场效应晶体管。统称为PMOS晶体管。

P沟道MOS晶体管的空穴迁移率低,因而在MOS晶体管的几何尺寸和工作电压绝对值相等的情况下,PMOS晶体管的跨导小于N沟道MOS晶体管。此外,P沟道MOS晶体管阈值电压的绝对值一般偏高,要求有较高的工作电压。它的供电电源的电压大小和极性,与双极型晶体管——晶体管逻辑电路不兼容。PMOS因逻辑摆幅大,充电放电过程长,加之器件跨导小,所以工作速度更低,在NMOS电路(见N沟道金属—氧化物—半导体集成电路)出现之后,多数已为NMOS电路所取代。只是,因PMOS电路工艺简单,价格便宜,有些中规模和小规模数字控制电路仍采用PMOS电路技术。

PMOS集成电路是一种适合在低速、低频领域内应用的器件。PMOS集成电路采用-24V电压供电。如图5所示的CMOS-PMOS接口电路采用两种电源供电。采用直接接口方式,一般CMOS的电源电压选择在10~12V就能满足PMOS对输入电平的要求。

特性比较