mos晶体管特征及其静态特性

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1、一．授课题目：MOS晶体管特征及其静态特性二．目的要求：教学目的：了解三种基本MOS晶体管的结构特征，工作原理及其静态特性教学要求：要求学生掌握C-MOS晶体管的分类，会分析其静态特征原理图三．重点，难点教学重点：C-MOS晶体管的分类，工作原理，分析其静态特征原曲线教学难点：C-MOS晶体管工作原理，静态特征原曲线的分析。四．授课内容：MOS晶体管特征及其静态特性本节将讨论以金属氧化物-半导体场效应管，也就是我们常说的MOS管为基本元件的集成逻辑门，称为MOS逻辑门。MOS管制造工艺简单，功耗低，输入阻抗高，集成度高且没有电荷存储效应，在数字集成电路中用途非常广泛。MOS集成电路可以根据

2、所用管子类型的不同分为以下3种。   NMOS电路：NMOS电路是由NMOS管构成的集成电路。其工作速度优于PMOS，但制造工艺要复杂些。  PMOS电路：PMOS电路是由PMOS管构成的集成电路。它出现的早，制造工艺简单，但是工作速度较慢。   CMOS电路：CMOS电路是由PMOS管和CMOS管构成的互补集成MOS电路，它具有静态功耗低，抗干扰能力强，工作稳定性好，开关速度高等优点。这种电路的制造工艺复杂，但目前已经得到广泛应用。1. MOS晶体管MOS管可以根据结构的不同分为NMOS管（N沟道）和PMOS管（P沟道）。每一类又可以根据其特性分为增强型和耗尽型两种。PMOS管是较早出现

3、的产品，其电源电压高且用负电压，工作效率低，而且由它构成的逻辑门与TTL型逻辑门不能兼容。比较而言，NMOS管的工作效率较高，电源电压为正电压，由它构成的逻辑门能与TTL型逻辑门兼容，所以应用范围广泛。此外，由一个NMOS管和一个PMOS管可以构成功耗很小的CMOS管，它的性能优越，应用非常广泛。下面我们以N沟道增强型MOS管为例来介绍MOS管的结构和特点，并简要介绍各类MOS管之间的差异。2.NMOS管（1）N沟道增强型MOS管。N沟道增强型MOS管的结构如图3-44所示。它是以P型硅片作衬底，利用扩散的方法在其上形成两个掺杂浓度很高的N区，分别称为源极S和漏极D。在硅表面上有SiO2绝

4、缘层，在它之上再蒸发一层金属铝，引出线称为栅极G。在栅极未加正电压时，源漏之间有两个方向相反的PN结，在源漏之间加电压UDS，由于总会有一个PN结是反向偏置，所以管子不会有电流，处于截止状态，iDS=0A。当在栅极加正电压UGS，在衬底表面将会感应电子。但在UGS较小时，感应的电子浓度小，在S和D之间还不能形成导电沟道。当UGS增加到一定值就会感应出足够的电子，在衬底表面形成N型层，将源极和漏极连接起来，形成了导电沟道（N沟道）。此时，在源极和漏极之间加电压UDS便会产生电流iD，即管子为导通状态。开始形成导电沟道的栅极电压称为开启电压VNT（一般在1～2V）。当Ui=VDD－VTL（高电

5、平）时，工作点在C点，这时两管有同一电流流过，输出低电平VOL。为了保证VOL≤0.3V，要求TL的导通电阻rDSL远大于TO的导通电阻RDSL。导通电阻与沟道的长宽比L/W成正比，所以要求TL管的LL/WL远大于TO管的LO/WO，即两者应保持一定的比例关系，称为有比型电路，通常采用典型比例10︰1。由于有比型电路中，两个MOS管的沟道尺寸差异很大，占用芯片面积大，不利于提高集成度。这类反向器的特点是：单一电源，电路结构简单；TL管总是工作在饱和区，工作速度低，功耗低；输出高电平为VDD－VTL，电源电压未充分利用。（2）N沟道耗尽型MOS管。这种类型的MOS管与增强型类似，但在制造时，

6、在S与D极间的衬底表面上已形成了N型沟道，因而栅压UGS为0V时，仍有导电沟道存在，在源极和漏极之间加电压UDS即有电流iD。在栅极加负电压，N型沟道变浅，栅压负到一定数值，以致把这条N型导电沟道全部耗尽时，MOS管就不能导通，所以称之为耗尽型，此时的栅压称为夹断电压VIN。3.PMOS管（1）P沟道增强型MOS管。用N型硅片作衬底，在其上扩散两个P区，并在栅极上加负电压，可形成P沟道增强型MOS管。一般它的开启电压为VTP=-（1-2.5）V。在P型沟道中，载流子是空穴，由于空穴的迁移率约为电子迁移率的一半，所以PMOS管的效率比NMOS管要低。（2）P沟道耗尽型MOS管。这类MOS管在

7、制造过程中，即使栅压为0V时也有P沟道形成，当栅压加正电压并达到一定的值时，P沟道被耗尽，该MOS管不能导通。此类MOS管制作的工艺复杂，在实际的集成电路中很少使用。 MOS晶体管的静态特性以N沟道增强型MOS管为例来讨论MOS关的主要特性。1．输出特性曲线输出特性曲线是表示在一定的UGS下，iDS和UDS之间关系的曲线。N沟道增强型的MOS管的输出特性曲线如图3-45所示。下面我们来解释一下该曲线的含义及相关的概念。·