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1、MOS/CMOS 集成电路简介及 N 沟道 MOS 管和 P 沟道 MOS 管在实际项目中,我们基本都用增强型 mos 管,分为 N 沟道和 P 沟道两种。我们常用的是 NMOS,因为其导通电阻小,且容易制造。在 MOS 管原理图上可以看到,漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管,在驱动感性负载(如马达),这个二极管很重要。顺便说一句,体二极管只在单个的 MOS 管中存在,在集成电路芯片内部通常是没有的。1.导通特性NMOS 的特性,Vgs 大于一定的值就会导通,适合用于源极接地时的情况(低端驱动),只要栅极电压达到 4V 或 10V 就可以了。PMOS 的特性,Vgs 小于一定的值就
2、会导通,适合用于源极接 VCC 时的情况(高端驱动)。但是,虽然 PMOS 可以很方便地用作高端驱动,但由于导通电阻大,价格贵,替换种类少等原因,在高端驱动中,通常还是使用 NMOS。2.MOS 开关管损失不管是 NMOS 还是 PMOS,导通后都有导通电阻存在,这样电流就会在这个电阻上消耗能量,这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的 MOS 管会减小导通损耗。现在的小功率 MOS 管导通电阻一般在几十毫欧左右,几毫欧的也有。MOS 在导通和截止的时候,一定不是在瞬间完成的。MOS 两端的电压有一个下降的过程,流过的电流有一个上升的过程,在这段时间内,MOS 管的损失是电压和电流的乘积
3、,叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多,而且开关频率越高,损失也越大。导通瞬间电压和电流的乘积很大,造成的损失也就很大。缩短开关时间,可以减小每次导通时的损失;降低开关频率,可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。3.MOS 管驱动跟双极性晶体管相比,一般认为使 MOS 管导通不需要电流,只要 GS 电压高于一定的值,就可以了。这个很容易做到,但是,我们还需要速度。在 MOS 管的结构中可以看到,在 GS,GD 之间存在寄生电容,而 MOS 管的驱动,实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流,因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路,所以瞬间电流会比较大。选择/
4、设计 MOS 管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。第二注意的是,普遍用于高端驱动的 NMOS,导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的 MOS 管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同,所以这时栅极电压要比 VCC 大 4V 或 10V。如果在同一个系统里,要得到比 VCC 大的电压,就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵,要注意的是应该选择合适的外接电容,以得到足够的短路电流去驱动 MOS 管。MOS/CMOS 集成电路MOS 集成电路特点:制造工艺比较简单、成品率较高、功耗低、组成的逻辑电路比较简单,集成度高、抗干扰能力强,特别适合于大规模集成电路。MOS 集
5、成电路包括:NMOS 管组成的 NMOS 电路、PMOS 管组成的 PMOS 电路及由 NMOS 和 PMOS 两种管子组成的互补 MOS 电路,即 CMOS 电路。PMOS 门电路与 NMOS 电路的原理完全相同,只是电源极性相反而已。数字电路中 MOS 集成电路所使用的 MOS 管均为增强型管子,负载常用 MOS 管作为有源负载,这样不仅节省了硅片面积,而且简化了工艺利于大规模集成。常用的符号如图 1 所示。N 沟 MOS 晶体管金属-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。MO
6、S 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 集成电路。 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。 NMOS 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
7、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 2100K。 N 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。 然后在半导体表面覆盖一层很薄的二
8、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。 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)。 它的栅极与其它电极间是绝缘的。 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。 N 沟道增强型 MOS 管的工作原理(1)vGS 对 iD 及沟道的控制作用 vGS=0 的情况 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
9、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 iD0。 vGS0 的情况 若 vGS0,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。 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。 (2)导电沟道的形成: 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
10、,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。 开始形成沟道时的栅源极电压称为开启电压,用 VT 表示。 上面讨论的 N 沟道 MOS 管在 vGSVT 时,不能形成导电沟道,管子处于截止状态。只有当 vGSVT 时,才有沟道形成。这种必须在 vGSVT 时才
11、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。 vDS 对 iD 的影响 如图(a)所示,当 vGSVT 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。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=vGSvDS,因而这里沟道最薄。但当 vDS 较小(vDS0,VPvGS0 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,使栅极电流为零。这是耗尽型 MOS 管的一个重要特
12、点。图(b)、(c)分别是 N 沟道和 P 沟道耗尽型 MOS 管的代表符号。 (4)电流方程: 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: 各种场效应管特性比较P 沟 MOS 晶体管金属氧化物半导体场效应(MOS)晶体管可分为 N 沟道与 P 沟道两大类, P 沟道硅MOS 场效应晶体管在 N 型硅衬底上有两个 P+区,分别叫做源极和漏极,两极之间不通导,柵极上加有足够的正电压(源极接地)时,柵极下的 N 型硅表面呈现P 型反型层,成为连接源极和漏极的沟道。改变栅压可以改变沟道中的电子密度,从而改变沟道的电阻。这种 MOS 场效应晶体管称为 P 沟道增强型场效
13、应晶体管。如果 N 型硅衬底表面不加栅压就已存在 P 型反型层沟道,加上适当的偏压,可使沟道的电阻增大或减小。这样的 MOS 场效应晶体管称为 P 沟道耗尽型场效应晶体管。统称为 PMOS 晶体管。 P 沟道 MOS 晶体管的空穴迁移率低,因而在 MOS 晶体管的几何尺寸和工作电压绝对值相等的情况下,PMOS 晶体管的跨导小于 N 沟道 MOS 晶体管。此外,P 沟道MOS 晶体管阈值电压的绝对值一般偏高,要求有较高的工作电压。它的供电电源的电压大小和极性,与双极型晶体管晶体管逻辑电路不兼容。PMOS 因逻辑摆幅大,充电放电过程长,加之器件跨导小,所以工作速度更低,在 NMOS 电路(见 N 沟道金属氧化物半导体集成电路)出现之后,多数已为 NMOS 电路所取代。只是,因 PMOS 电路工艺简单,价格便宜,有些中规模和小规模数字控制电路仍采用 PMOS 电路技术。 PMOS 集成电路是一种适合在低速、低频领域内应用的器件。PMOS 集成电路采用-24V 电压供电。如图 5 所示的 CMOS-PMOS 接口电路采用两种电源供电。采用直接接口方式,一般 CMOS 的电源电压选择在 1012V 就能满足 PMOS 对输入电平的要求。 MOS 场效应晶体管具有很高的输入阻抗,在电路中便于直接耦合,容易制成规模大的集成电路。 各种场效应管特性比较