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MOS電路詳解-MOS電路圖、應用與P溝道MOS管開關電路-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2018-12-04 

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MOS電路簡介

MOS電路為單極型集成電路,又稱為MOS集成電路,它采用金屬-氧化物半導體場效應管(Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor,縮寫為MOSFET)制造,其主要特點是結構簡單、制造方便、集成度高、功耗低,但速度較慢。


MOS集成電路又分為PMOS(P-channel Metal Oxide Semiconductor,P溝道金屬氧化物半導體)、NMOS(N-channel Metal Oxide Semiconductor,N溝道金屬氧化物半導體)和CMOS(Complement Metal Oxide Semiconductor,復合互補金屬氧化物半導體)等類型。


MOS電路的應用

MOS電路中應用最廣泛的為CMOS電路,CMOS數字電路中,應用最廣泛的為4000、4500系列,它不但適用于通用邏輯電路的設計,而且綜合性能也很好,它與TTL電路一起成為數字集成電路中兩大主流產品。CMOS數字集成電路電路主要分為4000(4500系列)系列、54HC/74HC系列、54HCT/74HCT系列等,實際上這三大系列之間的引腳功能、排列順序是相同的,只是某些參數不同而已。


例如,74HC4017與CD4017為功能相同、引腳排列相同的電路,前者的工作速度高,工作電源電壓低。4000系列中目前最常用的是B系列,它采用了硅柵工藝和雙緩沖輸出結構。


Bi-CMOS是雙極型CMOS(Bipolar-CMOS)電路的簡稱,這種門電路的特點是邏輯部分采用CMOS結構,輸出級采用雙極型三極管,因此兼有CMOS電路的低功耗和雙極型電路輸出阻抗低的優點。


低壓應用

當使用5V電源,這時候如果使用傳統的圖騰柱結構,由于三極管的be有0.7V左右的壓降,導致實際最終加在gate上的電壓只有4.3V。這時候,我們選用標稱gate電壓4.5V的MOS管就存在一定的風險。同樣的問題也發生在使用3V或者其他低壓電源的場合。


寬電壓應用

輸入電壓并不是一個固定值,它會隨著時間或者其他因素而變動。這個變動導致PWM電路提供給MOS管的驅動電壓是不穩定的。為了讓MOS管在高gate電壓下安全,很多MOS管內置了穩壓管強行限制gate電壓的幅值。在這種情況下,當提供的驅動電壓超過穩壓管的電壓,就會引起較大的靜態功耗。同時,如果簡單的用電阻分壓的原理降低gate電壓,就會出現輸入電壓比較高的時候,MOS管工作良好,而輸入電壓降低的時候gate電壓不足,引起導通不夠徹底,從而增加功耗。


雙電壓應用

在一些控制電路中,邏輯部分使用典型的5V或者3.3V數字電壓,而功率部分使用12V甚至更高的電壓。兩個電壓采用共地方式連接。這就提出一個要求,需要使用一個電路,讓低壓側能夠有效的控制高壓側的MOS管,同時高壓側的MOS管也同樣會面對1和2中提到的問題。在這三種情況下,圖騰柱結構無法滿足輸出要求,而很多現成的MOS驅動IC,似乎也沒有包含gate電壓限制的結構。


MOS電路圖

MOS電路


P溝道MOS管開關電路

下圖是兩種P溝道MOS管開關電路應用:其中第一種NMOS管為高電平導通,低電平截斷,Drain端接后面電路的接地端;第二種為P溝道MOS管開關電路,為高電平斷開,低電平導通,Drain端接后面電路的VCC端。

MOS電路


P溝道MOS管開關電路工作原理

金屬氧化物半導體場效應(MOS)晶體管可分為N溝道與P溝道兩大類, P溝道硅MOS場效應晶體管在N型硅襯底上有兩個P+區,分別叫做源極和漏極,兩極之間不通導,柵極上加有足夠的正電壓(源極接地)時,柵極下的N型硅表面呈現P型反型層,成為銜接源極和漏極的溝道。改動柵壓可以改動溝道中的電子密度,從而改動溝道的電阻。這種MOS場效應晶體管稱為P溝道增強型場效應晶體管。


假設N型硅襯底表面不加柵壓就已存在P型反型層溝道,加上恰當的偏壓,可使溝道的電阻增大或減小。這樣的MOS場效應晶體管稱為P溝道耗盡型場效應晶體管。統稱為PMOS晶體管。


P溝道MOS晶體管的空穴遷移率低,因而在MOS晶體管的幾何尺寸和工作電壓絕對值相等的情況下,PMOS晶體管的跨導小于N溝道MOS晶體管。此外,P溝道MOS晶體管閾值電壓的絕對值普通偏高,懇求有較高的工作電壓。它的供電電源的電壓大小和極性,與雙極型晶體管——晶體管邏輯電路不兼容。PMOS因邏輯擺幅大,充電放電過程長,加之器件跨導小,所以工作速度更低,在P溝道MOS管開關電路(見N溝道金屬—氧化物—半導體集成電路)呈現之后,多數已為NMOS電路所取代。


只是,因PMOS電路工藝簡單,價錢低價,有些中范圍和小范圍數字控制電路仍采用PMOS電路技術。PMOS的特性,Vgs小于一定的值就會導通,適宜用于源極接VCC時的情況(高端驅動)。但是,固然PMOS可以很便當地用作高端驅動,但由于導通電阻大,價錢貴,交流種類少等緣由,在高端驅動中,通常還是運用NMOS。


正常工作時,P溝道增強型MOS管的襯底必需與源極相連,而漏心極的電壓Vds應為負值,以保證兩個P區與襯底之間的PN結均為反偏,同時為了在襯底頂表面左近構成導電溝道,柵極對源極的電壓Vgs也應為負。


1.Vds≠O的情況導電溝道構成以后,DS間加負向電壓時,那么在源極與漏極之間將有漏極電流Id流通,而且Id隨Vds而增加.Id沿溝道產生的壓降使溝道上各點與柵極間的電壓不再相等,該電壓削弱了柵極中負電荷電場的作用,使溝道從漏極到源極逐漸變窄.當Vds增大到使Vgd=Vgs(TH),溝道在漏極左近呈現預夾斷.


2.導電溝道的構成(Vds=0)當Vds=0時,在柵源之間加負電壓Vgs,由于絕緣層的存在,故沒有電流,但是金屬柵極被補充電而聚集負電荷,N型半導體中的多子電子被負電荷排斥向體內運動,表面留下帶正電的離子,構成耗盡層,隨著G、S間負電壓的增加,耗盡層加寬,當Vgs增大到一定值時,襯底中的空穴(少子)被柵極中的負電荷吸收到表面,在耗盡層和絕緣層之間構成一個P型薄層,稱反型層,這個反型層就構成漏源之間的導電溝道,這時的Vgs稱為開啟電壓Vgs(th),Vgs到Vgs(th)后再增加,襯底表面感應的空穴越多,反型層加寬,而耗盡層的寬度卻不再變化,這樣我們可以用Vgs的大小控制導電溝道的寬度。




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