N溝MOS晶體管

金屬-氧化物-半導(dǎo)體(Metal-Oxide-SemIConductor)構(gòu)造的晶體管簡稱MOS晶體管，有P型MOS管和N型MOS管之分。MOS管構(gòu)成的集成電路稱為MOS集成電路，而PMOS管和NMOS管共同構(gòu)成的互補(bǔ)型MOS集成電路即為CMOS集成電路。

由p型襯底和兩個高濃度n擴(kuò)散區(qū)構(gòu)成的MOS管叫作n溝道MOS管，該管導(dǎo)通時在兩個高濃度n擴(kuò)散區(qū)間構(gòu)成n型導(dǎo)電溝道。n溝道加強(qiáng)型MOS管必需在柵極上施加正向偏壓，且只要柵源電壓大于閾值電壓時才有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生的n溝道MOS管。n溝道耗盡型MOS管是指在不加?xùn)艍海旁措妷簽榱悖r，就有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生的n溝道MOS管。

NMOS集成電路是N溝道MOS電路，NMOS集成電路的輸入阻抗很高，根本上不需求吸收電流，因而，CMOS與NMOS集成電路銜接時不用思索電流的負(fù)載問題。NMOS集成電路大多采用單組正電源供電，并且以5V為多。CMOS集成電路只需選用與NMOS集成電路相同的電源，就可與NMOS集成電路直接銜接。不過，從NMOS到CMOS直接銜接時，由于NMOS輸出的高電平低于CMOS集成電路的輸入高電平，因此需求運(yùn)用一個（電位）上拉電阻R，R的取值普通選用2～100KΩ。

N溝道加強(qiáng)型MOS管的構(gòu)造

在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上，制造兩個高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個電極，分別作漏極d和源極s。

然后在半導(dǎo)體外表掩蓋一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層，在漏——源極間的絕緣層上再裝上一個鋁電極,作為柵極g。

在襯底上也引出一個電極B，這就構(gòu)成了一個N溝道加強(qiáng)型MOS管。MOS管的源極和襯底通常是接在一同的(大多數(shù)管子在出廠前已連接好)。

它的柵極與其它電極間是絕緣的。

圖(a)、(b)分別是它的構(gòu)造表示圖和代表符號。代表符號中的箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。P溝道加強(qiáng)型MOS管的箭頭方向與上述相反，如圖(c)所示。

N溝道加強(qiáng)型MOS管的工作原理

（1）vGS對iD及溝道的控制造用

① vGS=0 的狀況

從圖1(a)能夠看出，加強(qiáng)型MOS管的漏極d和源極s之間有兩個背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵——源電壓vGS=0時，即便加上漏——源電壓vDS，而且不管vDS的極性如何，總有一個PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏——源極間沒有導(dǎo)電溝道，所以這時漏極電流iD≈0。

② vGS>0 的狀況

若vGS＞0，則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個電場。電場方向垂直于半導(dǎo)體外表的由柵極指向襯底的電場。這個電場能排擠空穴而吸收電子。

排擠空穴：使柵極左近的P型襯底中的空穴被排擠，剩下不能挪動的受主離子(負(fù)離子)，構(gòu)成耗盡層。吸收電子：將 P型襯底中的電子（少子）被吸收到襯底外表。

（2）導(dǎo)電溝道的構(gòu)成：

當(dāng)vGS數(shù)值較小，吸收電子的才能不強(qiáng)時，漏——源極之間仍無導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)，如圖1(b)所示。vGS增加時，吸收到P襯底外表層的電子就增加，當(dāng)vGS到達(dá)某一數(shù)值時，這些電子在柵極左近的P襯底外表便構(gòu)成一個N型薄層，且與兩個N+區(qū)相連通，在漏——源極間構(gòu)成N型導(dǎo)電溝道，其導(dǎo)電類型與P襯底相反，故又稱為反型層，如圖1(c)所示。vGS越大，作用于半導(dǎo)體外表的電場就越強(qiáng)，吸收到P襯底外表的電子就越多，導(dǎo)電溝道越厚，溝道電阻越小。

開端構(gòu)成溝道時的柵——源極電壓稱為開啟電壓，用VT表示。

上面討論的N溝道MOS管在vGS＜VT時，不能構(gòu)成導(dǎo)電溝道，管子處于截止?fàn)顟B(tài)。只要當(dāng)vGS≥VT時，才有溝道構(gòu)成。這種必需在vGS≥VT時才干構(gòu)成導(dǎo)電溝道的MOS管稱為加強(qiáng)型MOS管。溝道構(gòu)成以后，在漏——源極間加上正向電壓vDS，就有漏極電流產(chǎn)生。

vDS對iD的影響

如圖(a)所示，當(dāng)vGS>VT且為一肯定值時，漏——源電壓vDS對導(dǎo)電溝道及電流iD的影響與結(jié)型場效應(yīng)管類似。

漏極電流iD沿溝道產(chǎn)生的電壓降使溝道內(nèi)各點(diǎn)與柵極間的電壓不再相等，靠近源極一端的電壓最大，這里溝道最厚，而漏極一端電壓最小，其值為VGD=vGS－vDS，因此這里溝道最薄。但當(dāng)vDS較小（vDS隨著vDS的增大，靠近漏極的溝道越來越薄，當(dāng)vDS增加到使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)時，溝道在漏極一端呈現(xiàn)預(yù)夾斷，如圖2(b)所示。再繼續(xù)增大vDS，夾斷點(diǎn)將向源極方向挪動，如圖2(c)所示。由于vDS的增加局部簡直全部降落在夾斷區(qū)，故iD簡直不隨vDS增大而增加，管子進(jìn)入飽和區(qū)，iD簡直僅由vGS決議。

N溝道加強(qiáng)型MOS管的特性曲線、電流方程及參數(shù)

（1）特性曲線和電流方程

1）輸出特性曲線

N溝道加強(qiáng)型MOS管的輸出特性曲線如圖1(a)所示。與結(jié)型場效應(yīng)管一樣,其輸出特性曲線也可分為可變電阻區(qū)、飽和區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū)幾局部。

2）轉(zhuǎn)移特性曲線

轉(zhuǎn)移特性曲線如圖1(b)所示,由于場效應(yīng)管作放大器件運(yùn)用時是工作在飽和區(qū)(恒流區(qū)),此時iD簡直不隨vDS而變化,即不同的vDS所對應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線簡直是重合的,所以可用vDS大于某一數(shù)值(vDS＞vGS-VT)后的一條轉(zhuǎn)移特性曲線替代飽和區(qū)的一切轉(zhuǎn)移特性曲線。

3）iD與vGS的近似關(guān)系

與結(jié)型場效應(yīng)管相相似。在飽和區(qū)內(nèi),iD與vGS的近似關(guān)系式為

式中IDO是vGS=2VT時的漏極電流iD。

（2）參數(shù)

MOS管的主要參數(shù)與結(jié)型場效應(yīng)管根本相同，只是加強(qiáng)型MOS管中不用夾斷電壓VP ，而用開啟電壓VT表征管子的特性。

N溝道耗盡型MOS管的基本結(jié)構(gòu)

（1）構(gòu)造：

N溝道耗盡型MOS管與N溝道加強(qiáng)型MOS管根本類似。

（2）區(qū)別：

耗盡型MOS管在vGS=0時，漏——源極間已有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生，而加強(qiáng)型MOS管要在vGS≥VT時才呈現(xiàn)導(dǎo)電溝道。

（3）緣由：

制造N溝道耗盡型MOS管時，在SiO2絕緣層中摻入了大量的堿金屬正離子Na+或K+(制造P溝道耗盡型MOS管時摻入負(fù)離子)，如圖1(a)所示，因而即便vGS=0時，在這些正離子產(chǎn)生的電場作用下，漏——源極間的P型襯底外表也能感應(yīng)生成N溝道(稱為初始溝道)，只需加上正向電壓vDS，就有電流iD。

假如加上正的vGS，柵極與N溝道間的電場將在溝道中吸收來更多的電子，溝道加寬，溝道電阻變小，iD增大。反之vGS為負(fù)時，溝道中感應(yīng)的電子減少，溝道變窄，溝道電阻變大，iD減小。當(dāng)vGS負(fù)向增加到某一數(shù)值時，導(dǎo)電溝道消逝，iD趨于零，管子截止，故稱為耗盡型。

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