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年轻的母亲詳細詳解mos管的工作原理,最全面的mos管工作原理文章

年轻的母亲信息來源:本站 日期:2017-09-22 

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MOS管的工作原理及表示符號

年轻的母亲 根據導通溝道的載流子性質MOS管可分為NMOS管(即N溝道MOS管)與PMOS管(即P溝道MOS管)。NMOS管是指其導電溝道中的導電電荷為電子,而PMOS管則是指其導電溝道中的導電電荷為空穴。

年轻的母亲 根據溝道的導通條件(MOS管的柵/源電壓VGS為0時是否存在導通溝道)MOS管又可分為增強型MOS管與耗盡型MOS管兩類:增強型MOS管足指在MOS管的柵/源電壓VGS為0時沒有導電溝道,而必須依靠柵/源電壓的作用,才能形成感生溝道的MOS管;耗盡型

年轻的母亲 MOS管則是指即使在MOS管柵/源電壓VGS為0時也存在導電溝道的MOS管。這兩類MOS管的基本工作原理一致,都是利用柵/源電壓的大小來改變半導體表面感生電荷的多少,從而控制漏極電流的大小。所以MOS管可以分為四類:增強型NMOS管、耗盡型NMOS管、增強型PMOS管及耗盡型PMOS管。

年轻的母亲 下面以增強型NMOS管與耗盡型NMOS管為例說明MOS管的工作原理。

1.增強型NMOS管的工作原理

當 NMOS管的柵極與源極短接(即NMOS管的柵/源電壓VGS=O)時,源區(N+型)、襯底(P型)和漏區(N+型)形成兩個背靠背的PN結,不管NMOS管的漏/源電壓VDS的極性如何,其中總有一個PN結是反偏的,所以NMOS管源極與漏極之間的電阻主要為PN結的反偏電阻,基本無電流流過,即NMOS管的漏極電流ID為0。例如,如果NMOS管的源極s與襯底相連,并接到系統的最低電位,而漏極接電源正極時,漏極和襯底之間的PN結是反偏的,此時漏/源之間的電阻很大,沒有形成導電溝道。

若在NMOS管的柵/源之間加l正向電壓VGS(即NMOS管的柵極接高電位,源極接低電位),則柵極和P型襯底之間就形成了以柵氧(即二氧化硅)為介質的平板電容器。在正的柵/源電壓作用下,介質中產生了一個垂直于硅片表面的由柵極指向P型襯底的強電場(由于絕緣層很薄,即使只有幾伏的柵/源電壓VGS,也可產生高達lO5-lO6V/cm數量的強電場),這個強電場會排斥襯底表面的空穴而吸引電子,因此,使NMOS管柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥,留下不能移動的受主離子(負離子),形成了耗盡層,同時P型襯底中的少子(電子)被吸引P襯底表面,如圖1.3(a)所示。當正的柵/源電壓達到一定數值時,這些電子在柵極附近的P型硅表面便形成了一個N型薄層,通常把這個在P型硅表面形成的N型薄層稱為反型層,這個反型層實際上就構成廠源極和漏極間的N型導電溝道,如圖1.3(b)所示。由于它是柵/源正電壓感應產生的,所以也稱感生溝道。顯然,柵/源電壓VGS正得越多,則作用于半導體表面的電場就越強,吸引到P型硅表面的電子就越多,感應溝道(反型層)將越厚,溝道電阻將越小。
感應溝道形成后,原來被P型襯底隔開的兩個N+型區(源區和漏區)就通過感應溝道連接生一起。因此,在正的漏/源電壓作用下,電子將從源區流向漏區,產生了漏極電流ID。一般把生漏/源電壓作用下開始導電時的柵/源電壓叫做NMOS管閾值電壓(或開啟電壓)Vth。

當NMOS管的柵/源電壓VGS大丁等于Vth時,外加較小的漏/源電壓VDS時,漏極電流ID將隨VDS上升迅速增大,此時為線性區(也可稱為三極管區),但由于溝道存在電位梯度,即NMOS管的柵極與溝道間的電位差從漏極到源極逐步增大,兇此所形成的溝道厚度是不均勻的,靠近源端的溝道厚,而靠近漏端的溝道薄。

當VDS增大到一定數值,即VGD=Vth時,靠近漏端的溝道厚度接近為0,即感應溝道在漏端被夾斷,如圖1.3(c)所示;VDS繼續增加,將形成一夾斷區,且夾斷點向源極靠近,如圖1.3(d)所示。溝道被夾斷后,VDS上升時,其增加的電壓基本上加在溝道厚度為零的耗盡區上,而溝道兩端的電壓保持不變,所以ID趨于飽和而不再增加,此時NMOS管工作在飽和區,在模擬集成電路中飽和區是NMOS管的主要工作區。要注意,此時溝道雖產生了災斷,但由于漏極與溝道之間存在強電場,電子在該電場作用下被吸收到漏區而形成了從源區到漏區的電流。
mos管的工作原理

年轻的母亲 另外,當VGS增加時,由于感應溝道變厚,溝道電阻減小,飽和漏極電流會相應增大。

年轻的母亲 若VDS大于某一擊穿電壓BVDS(二極管的反向擊穿電壓),漏極與襯底之間的PN結發生反向擊穿,ID將急劇增加,進入雪崩區,漏極電流不經過溝道,而直接由漏極流入襯底。

注意與雙極型晶體管相比,一個MOS管只要形成了導電溝道,即使在無電流流過時也可以認為是開通的。

2.耗盡型NMOS管的工作原理

耗盡型NMOS管的幾何結構與增強型相同。但在制造時,在二氧化硅絕緣層中摻入大量的正離子,根據電荷感應原理,即使在VGS=O時,由于正離子的作用,在源區和漏區之間的P型襯底上感應出較多的負電荷(電子),形成N型溝道,因此即使柵/源電壓為零時,在正的VDS作用下,也存在較大的漏極電流ID。如果所加的柵/源電壓VGS為負,則會使溝道中感應的負,U荷減少,從而使漏極電流減小,所以稱為耗盡型NMOS管,當柵/源電脹r。s更負時,則會使之不能感應出負電荷,因而不能形成感應溝道,此時的柵/源電壓VGS稱為耗盡型NMOS管的關斷電壓。當VGS>O時,由于絕緣層的存在,在溝道中感應出更多的負電荷,在VDS作用下,將形成更人的漏電流ID。

對于增強型PMOS管與耗盡型PMOS管的工作原現與N溝道MOS管相類似,不同之處在于:它所形成的是P溝道,且增強型PMOS管的閾值電壓為負值,以便感應出正電荷,形成P溝道;耗盡型PMOS管的關斷電壓為正值。

年轻的母亲 由以上分析可知,與雙極型晶體管不同,MOS管中參與導電的只有一種電荷,即NMOS管參與導電的是電子,而PMOS管參與導電的是空八。MOS管的工作狀態根據漏極電流的變化可大約分為三種情況,即截止區(ID為o)、線性區(ID隨VDS幾乎線性變化)、飽和區(ID與VDS基本無關,保持不變)。

3.MOS管表示符號

年轻的母亲 NMOS管與PMOS管有很多種代表符號,但最具典型的符號如圖1.4所示。圖1·4(a)表示為四端器件,建議在模擬集成電路采用此類表示符號。

在大部分電路中,NMOS管與PMOS管的襯底端一般分別接到地與電源,所以可用三端器件[如圖1.4(b)所示],即在集成電路中如采用圖1.4(b)所示的符號,則表示NMOS管與PMOS管的襯底分別默認為接地與接電源。

另外,在NMOS路中,也常用如圖1.4(c)所示的開關符號來描述。圖1.4(d)所示的符號為耗盡型NMOS管和PMOS管。

mos管的符號

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