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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1端驱动），只要栅极电压达到4V 或 10V 就可以了。PMOS 的特性， Vgs 小于一定的值就会导通
2、，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，叫做开关损
3、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 /设计 MOS
4、 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2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。2009-03-20 11:18MOS/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
5、于大规模集成电路。MOS集成电路 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 M
6、OS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3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，基本上不需要吸收电
7、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氧化硅 (SiO2) 绝缘
8、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。4N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 之间有两个背靠背
9、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。 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，如图
10、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5N+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 vGS VT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 时才能形成导电沟
11、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（ vDSvGSVT）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
12、薄，当 vDS增加到使 VGD=vGSvDS=VT(或 vDS=vGSVT)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61）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。2）转移特性曲线转移特性曲线如图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 (vDSvGS-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 .3）iD 与 vGS的近似关系与结型场效应管相类似。在饱和区内,iD 与 vGS的近似关系式为式中 IDO 是 vGS=2VT时的漏极电流 iD 。（ 2）参数MOS管的主要参数与结型场效应
