N沟MOS晶体管

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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-IC。
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2 `# q+ H5 {1 s: z, y; c/ G: y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。
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9 K5 r3 a1 g/ M$ y- Z+ nNMOS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。
4 c8 ?" q: f1 \0 k. \# |: XN沟道增强型MOS管的结构
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。
2 g; ?$ H- y7 L$ N5 K
! v: v" Y) Q; c6 q2 i4 Y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。

9 G! Y1 r. g( z$ t. _6 A$ o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)。
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它的栅极与其它电极间是绝缘的。

7 t  u0 B; t/ U* y, C3 C9 q. ~$ q9 v) a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。
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( W9 }5 j6 w9 y; a! f( m' c# HN沟道增强型MOS管的工作原理
8 g) ~' q2 X; ~; ^) L. W4 j" e（1）vGS对iD及沟道的控制作用

① vGS=0 的情况
0 K% e# \! {, W& |! w8 t
& `3 l' o7 M  r% _, w0 C( j$ y  m6 f从图1(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。
, L, J  z3 ]5 v7 V
② vGS>0 的情况
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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。
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2 e0 G0 o  Y6 p# M1 A1 z/ m3 U5 [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。
1 P/ l. V6 z' D1 S+ F8 Z
（2）导电沟道的形成：

+ ?9 a) l3 `. q- x$ q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1(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1(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。
; m; E  Y  X6 W5 M* f
& M$ {- z: b$ z# l. Y8 p开始形成沟道时的栅——源极电压称为开启电压，用VT表示。
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# [% x; o1 C6 l5 q, U上面 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。
5 P6 I8 W5 Z5 y! z7 f  ]/ H
; X5 G$ R; Q4 _9 y5 F% u- z" nvDS对iD的影响
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! B5 H7 S2 y& g4 r       

6 @7 O! i& ^& v  M6 l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。
# v* K+ B/ V$ R, g4 H+ _
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<vGS–VT）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。
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

$ ~4 a' }5 Y* S6 e$ [- J

       
, P% o$ H" p& H
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。
9 h* M, v2 T: D6 }/ I; S; b
+ T! |3 n! F* W6 E) {+ x: s2）转移特性曲线
' U: I  c, P+ a6 b
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.
+ v3 R' }4 t& A" a6 P
: p/ a9 h0 M  C& f7 `4 Z, R3）iD与vGS的近似关系

! @, {5 g$ V+ |$ Q% P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

) E+ c: H8 D) V8 P! r( b  x, x5 u
! X# c' A5 t' }/ T& J
       
" s8 C$ s6 y8 L5 v9 U' s, h
式中IDO是vGS=2VT时的漏极电流iD。
; g" N! J/ q. b. H; c
5 j5 y; O  \$ r（2）参数
" N/ F0 N, c2 W: u1 C- s. A& N4 |
1 X0 H& t/ ~7 X# X! R8 iMOS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。
5 [% J# w8 O4 @( k( A# aN沟道耗尽型MOS管的基本结构
' E1 Y4 g  t& v* p. [3 x. t9 a
, P( B7 ]8 O# p+ E+ K
! y/ V) A) A$ S; s       

（1）结构：
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N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管基本相似。

2 }5 U' q2 C1 A4 g0 p/ q. \; s; D（2）区别：
0 y) D- x- h8 Y# }, f5 ~
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。
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4 P& `. E2 Q5 H) `7 W（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。
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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<vGS<0的情况下均能实现对iD的控制，而且仍能保持栅——源极间有很大的绝缘电阻,

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使栅极电流为零。这是耗尽型MOS管的一个重要特点。图(b)、(c)分别是N沟道和P沟道耗尽型MOS管的代表符号。
( a6 a5 G$ S( b
（4）电流方程：
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5 }$ X( u# w8 [$ E. x8 [在饱和区内，耗尽型MOS管的电流方程与结型场效应管的电流方程相同，即：
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( P+ C0 K, o2 F8 [# z& D, u" _3 H* ?  @       
各种场效应管特性比较

橙色猫

牛牛牛牛  

阿永

可以说仔细点吗？