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什么是nmos nmos工作原理 nmos和pmos有什么區別 KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2018-04-16 

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什么是nmos

nmos

NMOS英文全稱為N-Metal-Oxide-Semiconductor。意思為N型金屬-氧化物-半導體,而擁有這種結構的晶體管我們稱之為NMOS晶體管。MOS晶體管有P型MOS管和N型MOS管之分。由MOS管構成的集成電路稱為MOS集成電路,由NMOS組成的電路就是NMOS集成電路,由PMOS管組成的電路就是PMOS集成電路,由NMOS和PMOS兩種管子組成的互補MOS電路,即CMOS電路。


什么是pmos

PMOS是指n型襯底、p溝道,靠空穴的流動運送電流的MOS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一般偏高,要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NMOS電路(見N溝道金屬—氧化物—半導體集成電路)出現之后,多數已為NMOS電路所取代。只是,因PMOS電路工藝簡單,價格便宜,有些中規模和小規模數字控制電路仍采用PMOS電路技術。


nmos和pmos區別

在實際項目中,我們基本都用增強型

nmos

mos管,分為N溝道和P溝道兩種。我們常用的是NMOS,因為其導通電阻小,且容易制造。在MOS管原理圖上可以看到,漏極和源極之間有一個寄生二極管。這個叫體二極管,在驅動感性負載(如馬達),這個二極管很重要。順便說一句,體二極管只在單個的MOS管中存在,在集成電路芯片內部通常是沒有的。


1、nmos導通特性

NMOS的特性,Vgs大于一定的值就會導通,適合用于源極接地時的情況(低端驅動),只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。 PMOS的特性,Vgs小于一定的值就會導通,適合用于源極接VCC時的情況(高端驅動)。但是,雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動,但由于導通電阻大,價格貴,替換種類少等原因,在高端驅動中,通常還是使用NMOS。

nmos


2、MOS開關管損失

不管是NMOS還是PMOS,導通后都有導通電阻存在,這樣電流就會在這個電阻上消耗能量,這部分消耗的能量叫做導通損耗。選擇導通電阻小的MOS管會減小導通損耗?,F在的小功率MOS管導通電阻一般在幾十毫歐左右,幾毫歐的也有。 MOS在導通和截止的時候,一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個下降的過程,流過的電流有一個上升的過程,在這段時間內,MOS管的損失是電壓和電流的乘積,叫做開關損失。通常開關損失比導通損失大得多,而且開關頻率越高,損失也越大。 導通瞬間電壓和電流的乘積很大,造成的損失也就很大??s短開關時間,可以減小每次導通時的損失;降低開關頻率,可以減小單位時間內的開關次數。這兩種辦法都可以減小開關損失。


3、MOS管驅動

跟雙極性晶體管相比,一般認為使MOS管導通不需要電流,只要GS電壓高于一定的值,就可以了。這個很容易做到,但是,我們還需要速度。 在MOS管的結構中可以看到,在GS,GD之間存在寄生電容,而MOS管的驅動,實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流,因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路,所以瞬間電流會比較大。選擇/設計MOS管驅動時第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。


第二注意的是,普遍用于高端驅動的NMOS,導通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅動的MOS管導通時源極電壓與漏極電壓(VCC)相同,所以這時柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個系統里,要得到比VCC大的電壓,就要專門的升壓電路了。很多馬達驅動器都集成了電荷泵,要注意的是應該選擇合適的外接電容,以得到足夠的短路電流去驅動MOS管。


MOS集成電路包括

NMOS管組成的NMOS電路、PMOS管組成的PMOS電路及由NMOS和PMOS兩種管子組成的互補MOS電路,即CMOS電路。


PMOS門電路與NMOS電路的原理完全相同,只是電源極性相反而已。


數字電路中MOS集成電路所使用的MOS管均為增強型管子,負載常用MOS管作為有源負載,這樣不僅節省了硅片面積,而且簡化了工藝利于大規模集成。常用的符號如圖1所示。

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N溝MOS晶體管

金屬-氧化物-半導體(Metal-Oxide-SemIConductor)結構的晶體管簡稱MOS晶體管,有P型MOS管和N型MOS管之分。MOS管構成的集成電路稱為MOS集成電路,而PMOS管和NMOS管共同構成的互補型MOS集成電路即為CMOS集成電路。


由p型襯底和兩個高濃度n擴散區構成的MOS管叫作n溝道MOS管,該管導通時在兩個高濃度n擴散區間形成n型導電溝道。n溝道增強型MOS管必須在柵極上施加正向偏壓,且只有柵源電壓大于閾值電壓時才有導電溝道產生的n溝道MOS管。n溝道耗盡型MOS管是指在不加柵壓(柵源電壓為零)時,就有導電溝道產生的n溝道MOS管。


NMOS集成電路是N溝道MOS電路,NMOS集成電路的輸入阻抗很高,基本上不需要吸收電流,因此,CMOS與NMOS集成電路連接時不必考慮電流的負載問題。NMOS集成電路大多采用單組正電源供電,并且以5V為多。CMOS集成電路只要選用與NMOS集成電路相同的電源,就可與NMOS集成電路直接連接。不過,從NMOS到CMOS直接連接時,由于NMOS輸出的高電平低于CMOS集成電路的輸入高電平,因而需要使用一個(電位)上拉電阻R,R的取值一般選用2~100KΩ。


NMOS管的結構

在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上,制作兩個高摻雜濃度的N+區,并用金屬鋁引出兩個電極,分別作漏極d和源極s。


然后在半導體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層,在漏——源極間的絕緣層上再裝上一個鋁電極,作為柵極g。


在襯底上也引出一個電極B,這就構成了一個N溝道增強型MOS管。MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數管子在出廠前已連接好)。


它的柵極與其它電極間是絕緣的。


圖(a)、(b)分別是它的結構示意圖和代表符號。代表符號中的箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。P溝道增強型MOS管的箭頭方向與上述相反,如圖(c)所示。

nmos


N溝道增強型MOS管的工作原理

(1)vGS對iD及溝道的控制作用

① vGS=0 的情況

從圖1(a)可以看出,增強型MOS管的漏極d和源極s之間有兩個背靠背的PN結。當柵——源電壓vGS=0時,即使加上漏——源電壓vDS,而且不論vDS的極性如何,總有一個PN結處于反偏狀態,漏——源極間沒有導電溝道,所以這時漏極電流iD≈0。


② vGS>0 的情況

若vGS>0,則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產生一個電場。電場方向垂直于半導體表面的由柵極指向襯底的電場。這個電場能排斥空穴而吸引電子。

排斥空穴:使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥,剩下不能移動的受主離子(負離子),形成耗盡層。吸引電子:將 P型襯底中的電子(少子)被吸引到襯底表面。


(2)導電溝道的形成

當vGS數值較小,吸引電子的能力不強時,漏——源極之間仍無導電溝道出現,如圖1(b)所示。vGS增加時,吸引到P襯底表面層的電子就增多,當vGS達到某一數值時,這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個N型薄層,且與兩個N+區相連通,在漏——源極間形成N型導電溝道,其導電類型與P襯底相反,故又稱為反型層,如圖1(c)所示。vGS越大,作用于半導體表面的電場就越強,吸引到P襯底表面的電子就越多,導電溝道越厚,溝道電阻越小。


開始形成溝道時的柵——源極電壓稱為開啟電壓,用VT表示。


上面討論的N溝道MOS管在vGS<VT時,不能形成導電溝道,管子處于截止狀態。只有當vGS≥VT時,才有溝道形成。這種必須在vGS≥VT時才能形成導電溝道的MOS管稱為增強型MOS管。溝道形成以后,在漏——源極間加上正向電壓vDS,就有漏極電流產生。


vDS對iD的影響

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如圖(a)所示,當vGS>VT且為一確定值時,漏——源電壓vDS對導電溝道及電流iD的影響與結型場效應管相似。


漏極電流iD沿溝道產生的電壓降使溝道內各點與柵極間的電壓不再相等,靠近源極一端的電壓最大,這里溝道最厚,而漏極一端電壓最小,其值為VGD=vGS-vDS,因而這里溝道最薄。但當vDS較?。╲DS


隨著vDS的增大,靠近漏極的溝道越來越薄,當vDS增加到使VGD=vGS-vDS=VT(或vDS=vGS-VT)時,溝道在漏極一端出現預夾斷,如圖2(b)所示。再繼續增大vDS,夾斷點將向源極方向移動,如圖2(c)所示。由于vDS的增加部分幾乎全部降落在夾斷區,故iD幾乎不隨vDS增大而增加,管子進入飽和區,iD幾乎僅由vGS決定。


N溝道增強型NMOS管的特性曲線、電流方程及參數

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(1)特性曲線和電流方程

1)輸出特性曲線

N溝道增強型NMOS管的輸出特性曲線如圖1(a)所示。與結型場效應管一樣,其輸出特性曲線也可分為可變電阻區、飽和區、截止區和擊穿區幾部分。


2)轉移特性曲線

轉移特性曲線如圖1(b)所示,由于場效應管作放大器件使用時是工作在飽和區(恒流區),此時iD幾乎不隨vDS而變化,即不同的vDS所對應的轉移特性曲線幾乎是重合的,所以可用vDS大于某一數值(vDS>vGS-VT)后的一條轉移特性曲線代替飽和區的所有轉移特性曲線。


3)iD與vGS的近似關系

與結型場效應管相類似。在飽和區內,iD與vGS的近似關系式為

nmos

式中IDO是vGS=2VT時的漏極電流iD。


(2)參數

MOS管的主要參數與結型場效應管基本相同,只是增強型NMOS管中不用夾斷電壓VP ,而用開啟電壓VT表征管子的特性。


N溝道耗盡型MOS管的基本結構

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(1)結構:

N溝道耗盡型NMOS管與N溝道增強型MOS管基本相似。


(2)區別:

耗盡型MOS管在vGS=0時,漏——源極間已有導電溝道產生,而增強型NMOS管要在vGS≥VT時才出現導電溝道。


(3)原因:

制造N溝道耗盡型MOS管時,在SiO2絕緣層中摻入了大量的堿金屬正離子Na+或K+(制造P溝道耗盡型MOS管時摻入負離子),如圖1(a)所示,因此即使vGS=0時,在這些正離子產生的電場作用下,漏——源極間的P型襯底表面也能感應生成N溝道(稱為初始溝道),只要加上正向電壓vDS,就有電流iD。


如果加上正的vGS,柵極與N溝道間的電場將在溝道中吸引來更多的電子,溝道加寬,溝道電阻變小,iD增大。反之vGS為負時,溝道中感應的電子減少,溝道變窄,溝道電阻變大,iD減小。當vGS負向增加到某一數值時,導電溝道消失,iD趨于零,管子截止,故稱為耗盡型。溝道消失時的柵-源電壓稱為夾斷電壓,仍用VP表示。與N溝道結型場效應管相同,N溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓VP也為負值,但是,前者只能在vGS<0的情況下工作。而后者在vGS=0,vGS>0,VP


(4)電流方程:

在飽和區內,耗盡型NMOS管的電流方程與結型場效應管的電流方程相同,即:

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各種場效應管特性比較

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