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nmos結(jié)構(gòu)示意圖與工作原理(耗盡型與增強(qiáng)型)-nmos基礎(chǔ)知識(shí)-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2019-12-19 

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nmos結(jié)構(gòu)示意圖與工作原理詳解(nmos耗盡型與增強(qiáng)型)-nmos基礎(chǔ)知識(shí)

nmos概述

nmos結(jié)構(gòu)示意圖是本文的重點(diǎn),NMOS英文全稱為N-Metal-Oxide-Semiconductor。 意思為N型金屬-氧化物-半導(dǎo)體,而擁有這種結(jié)構(gòu)的晶體管我們稱之為NMOS晶體管。 MOS晶體管有P型MOS管和N型MOS管之分。由MOS管構(gòu)成的集成電路稱為MOS集成電路,由NMOS組成的電路就是NMOS集成電路,由PMOS管組成的電路就是PMOS集成電路,由NMOS和PMOS兩種管子組成的互補(bǔ)MOS電路,即CMOS電路。


nmos結(jié)構(gòu)示意圖詳解
nmos結(jié)構(gòu)示意圖-N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)

nmos結(jié)構(gòu)示意圖N溝道增強(qiáng)型,在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上,制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+區(qū),并用金屬鋁引出兩個(gè)電極,分別作漏極d和源極s。然后在半導(dǎo)體表面覆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(gè)鋁電極,作為柵極g。襯底上也引出一個(gè)電極B,這就構(gòu)成了一個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOS管。MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(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)分別是它的結(jié)構(gòu)示意圖和代表符號(hào)。代表符號(hào)中的箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。P溝道增強(qiáng)型MOS管的箭頭方向與上述相反,如圖(c)所示。


nmos結(jié)構(gòu)示意圖


nmos結(jié)構(gòu)示意圖-N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的基本結(jié)構(gòu)


nmos結(jié)構(gòu)示意圖


(1)結(jié)構(gòu):

N溝道耗盡型MOS管與N溝道增強(qiáng)型MOS管基本相似。


(2)區(qū)別:

耗盡型MOS管在vGS=0時(shí),漏——源極間已有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生,而增強(qiáng)型MOS管要在vGS≥VT時(shí)才出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。


(3)原因:

制造N溝道耗盡型MOS管時(shí),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(shí)摻入負(fù)離子),如圖1(a)所示,因此即使vGS=0時(shí),在這些正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下,漏——源極間的P型襯底表面也能感應(yīng)生成N溝道(稱為初始溝道),只要加上正向電壓vDS,就有電流iD。


如果加上正的vGS,柵極與N溝道間的電場(chǎng)將在溝道中吸引來更多的電子,溝道加寬,溝道電阻變小,iD增大。反之vGS為負(fù)時(shí),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(shí),導(dǎo)電溝道消失,iD趨于零,管子截止,故稱為耗盡型。溝道消失時(shí)的柵-源電壓稱為夾斷電壓,仍用VP表示。與N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相同,N溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓VP也為負(fù)值,但是,前者只能在vGS<0的情況下工作。而后者在vGS=0,vGS>0。


nmos工作原理

(1)vGS對(duì)iD及溝道的控制作用


① vGS=0 的情況

從圖1(a)可以看出,增強(qiáng)型MOS管的漏極d和源極s之間有兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵——源電壓vGS=0時(shí),即使加上漏——源電壓vDS,而且不論vDS的極性如何,總有一個(gè)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(shí)漏極電流iD≈0。


nmos結(jié)構(gòu)示意圖


② vGS>0 的情況

若vGS>0,則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)。電場(chǎng)方向垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)能排斥空穴而吸引電子。


排斥空穴:使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥,剩下不能移動(dòng)的受主離子(負(fù)離子),形成耗盡層。吸引電子:將 P型襯底中的電子(少子)被吸引到襯底表面。


2、導(dǎo)電溝道的形成

當(dāng)vGS數(shù)值較小,吸引電子的能力不強(qiáng)時(shí),漏——源極之間仍無導(dǎo)電溝道出現(xiàn),如圖1(b)所示。vGS增加時(shí),吸引到P襯底表面層的電子就增多,當(dāng)vGS達(dá)到某一數(shù)值時(shí),這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個(gè)N型薄層,且與兩個(gè)N+區(qū)相連通,在漏——源極間形成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)體表面的電場(chǎng)就越強(qiáng),吸引到P襯底表面的電子就越多,導(dǎo)電溝道越厚,溝道電阻越小。


開始形成溝道時(shí)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


3、vDS對(duì)iD的影響

如圖(a)所示,當(dāng)vGS>VT且為一確定值時(shí),漏——源電壓vDS對(duì)導(dǎo)電溝道及電流iD的影響與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相似。


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,因而這里溝道最薄。但當(dāng)vDS較?。╲DS)。


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(shí),溝道在漏極一端出現(xiàn)預(yù)夾斷,如圖2(b)所示。再繼續(xù)增大vDS,夾斷點(diǎn)將向源極方向移動(dòng),如圖2(c)所示。由于vDS的增加部分幾乎全部降落在夾斷區(qū),故iD幾乎不隨vDS增大而增加,管子進(jìn)入飽和區(qū),iD幾乎僅由vGS決定。


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