MOS晶体管特征及其静态特性

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集成电路可以根据所用管子类型的不同分为以下3种。

N MOS电路：N MOS电路是由N MOS管构成的集成电路。其工作速度优于P MOS，但制造工艺要复杂些。

P MOS电路：P MOS电路是由P MOS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。

C MOS电路：C MOS电路是由P MOS管和C MOS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N MOS管（N沟道）和P MOS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。P MOS管是较早出现的产品，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，N MOS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N MOS管和一个P MOS 管可以构成功耗很小的C MOS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. N MOS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

SiO

2

绝缘层，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U

DS

，

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，i

DS

=0A。

当在栅极加正电压U

GS ，在衬底表面将会感应电子。但在U

GS

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U

GS

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U

DS 便会产生电流i

D

，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V

NT

（一般在1～2V）。

当U i =V DD －V TL （高电平）时，工作点在C 点，这时两管有同一电流流过，输出低电平V OL 。为了保证V OL ≤0.3V ，要求TL 的导通电阻r DSL 远大于T O 的导通电阻R DSL 。导通电阻与沟道的长宽比L/W 成正比，所以要求T L 管的L L /W L 远大于T O 管的L O /W O ，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V DD －V TL ，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，在S 与D 极间的衬底表面上已形成了N 型沟道，因而栅压U GS 为0V 时，仍有导电沟道存在，在源极和漏极之间加电压U DS 即有电流i D 。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V IN 。 3. P MOS 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V TP =-（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P MOS 管的效率比N MOS 管要低。 （2）P 沟道耗尽型MOS 管。

这类MOS 管在制造过程中，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U

GS 下，i

DS

和U

DS

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。

∙非饱和区：U DS值较小，在满足U DS＜U GS－V TN时，i DS与U DS近似成线性关系。

当U

GS 增大，则形成的导电沟道越宽，相应的等效电阻越小，所以i

DS

越大；当U

GS

一定时，沟道电阻也为定值，所以U

DS 越大使电子流动加快，i

DS

便线性增加。非

饱和区又称为可调电阻区。

∙饱和区：U DS增加到U DS≥U GS－V TN之后，在漏极附近的沟道被夹断，即导电沟

道要缩短，形成空间电荷区，其中电子是在电压作用下吸入漏极D，形成i

DS

。由

于沟道两端的电压恒定，所以i

DS 基本上保持不变。i

DS

与U

DS

近似无关。对应不同

的U

GS ，使电流趋于饱和的U

DS

也不同，在输出特性曲线上，把满足U

DS

=U

GS

－V

TN

的

临界点连接起来便构成非饱和区和饱和区的分界线，我们称之为临界线，如图3-45中的虚线。

∙截止区：当U GS＜V TN时，没有导电沟道，i DS≈0A。

由以上的分析可知，MOS管在作开关用时，在开关信号的作用下交替工作在截止与导通状态。

2．转移特性曲线．

输出特性曲线是表示在一定的U

GS 下，i

DS

和U

DS

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。