MOS管知識-一文徹底區(qū)分MOS NMOS PMOS CMOS(從原理的視角)-KIA MOS管
信息來源:本站 日期:2020-08-06
從原理的視角,一文徹底區(qū)分MOS NMOS PMOS CMOS,詳細(xì)請查看下文。mos管學(xué)名是場效應(yīng)管,是金屬-氧化物-半導(dǎo)體型場效應(yīng)管,屬于絕緣柵型,MOS又分N型、P型MOS管。
半導(dǎo)體的基礎(chǔ)材料是硅晶體,硅這種材料,在化學(xué)元素周期表里是四族元素,硅從微觀上看每個原子最外層有4個電子,我們知道,外層4個電子的物質(zhì)處于穩(wěn)定狀態(tài)。硅晶體里,兩個電子結(jié)合形成更為穩(wěn)定的共價鍵。
當(dāng)然這種共價鍵并不是牢不可破的,在絕對0度以上,總會有少數(shù)的電子擺脫共價鍵的束縛在晶格里游蕩,會表現(xiàn)出很小的導(dǎo)電性,半導(dǎo)體的名字就這么來了。
如果硅晶體里摻入了三族元素,比如硼,會是什么狀況的呢?
三族元素最外層3個電子,跟硅結(jié)合的時候,共價鍵上就會缺一個電子,我們叫它空穴。由于電子的熱力學(xué)運(yùn)動,某個共價鍵上的電子可能擺脫束縛移動到空穴位置上來,宏觀上看好像是空穴產(chǎn)生了移動,由于空穴表現(xiàn)正電荷,空穴的英文稱為positive holes,這種半導(dǎo)體就稱之為P型半導(dǎo)體。
同樣,在硅晶體里摻雜五族元素后,共價鍵上就會多出一個電子,這個電子可以在半導(dǎo)體內(nèi)自由移動,形成導(dǎo)電的電子,即negative electrons。摻雜五族元素的半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。
我們從宏觀上看,N型半導(dǎo)體里面有很多可以導(dǎo)電的電子。
P型半導(dǎo)體里面有很多不可移動的空穴。此處特別強(qiáng)調(diào)不可移動,我們說空穴的移動,實(shí)際上是其它位置的電子填充了空穴的位置,看上去像是空穴在移動。
N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體宏觀上看都是不帶電的!正負(fù)電荷量相等。
假如我們把P型半導(dǎo)體放在一個電場中會有什么現(xiàn)象呢 ?根據(jù)最基本的物理知識,同電荷排斥,異電荷相吸,電場中的P型半導(dǎo)體如下圖所見。左右兩側(cè)為電極板,電子會被吸引到正電極測,空穴被吸引到負(fù)電極測。這里正負(fù)只是普通的物理定義,其實(shí)在電路中,嚴(yán)格的說法應(yīng)該是高電平測、低電平測。正負(fù)只有在指定0V參考點(diǎn)的情況下才有意義。
我們把這種效應(yīng)稱為電場效應(yīng)(Field Effect),依據(jù)這種現(xiàn)場所發(fā)明的半導(dǎo)體器件稱為場效應(yīng)管,即Field Effect Transistor ,簡稱FET!這就是FET真實(shí)的內(nèi)涵。
為了方便產(chǎn)生一個電場,科學(xué)家們發(fā)明了一種像三明治的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的最上層是金屬,一般是鋁化合物,中間層是氧化物,一般是氧化硅,下面是P型半導(dǎo)體,此處也稱為P型襯底。這種器件被稱為Metal Oxide Semiconductor,簡稱MOS。
在金屬層和襯底之間加上電場,于是在氧化物的下面就聚集了電子,形成一個反轉(zhuǎn)層。本來是P型襯底,出現(xiàn)了電子層,中文書里面也叫做“溝道”,也被稱為N溝道。
把這個材料繼續(xù)加工,在P型襯底的兩肩腐蝕出N型的電極,于是NMOS就這么產(chǎn)生了!金屬層被稱為G極、即柵極;N型摻雜濃度高的一端稱為S極、即源極,摻雜濃度稍微低點(diǎn)的一端稱為D極,即漏極?!霸础笔窃搭^的意思,它的濃度高、可以提供更多的載流子,在N型半導(dǎo)體里,溝道內(nèi)部是電子,如果能夠形成一個電流通路,那么源極也應(yīng)該提供的是電子。
在外部偏壓形成的電場力作用下,電子由S流向D。因?yàn)殡娏鞫x的方向跟電子流動的方向相反,所以此時電流從D流向S。因此,D點(diǎn)的點(diǎn)位要比S點(diǎn)高。
至此,我們就清楚了什么是MOS,MOSFET,NMOS。記住一點(diǎn):NMOS指的是形成了N型的反轉(zhuǎn)層,那么它一定是在P型襯底上實(shí)現(xiàn)的。
同樣,對于襯底為N型的器件,我們要施加電場產(chǎn)生一個空穴區(qū),即P溝道,所以稱為PMOS,空穴區(qū)需要低電平產(chǎn)生,所以G極的電勢要比源極低。P溝道流動的是”空穴“,所以電流方向是S極流向D極,那么S極的電勢就要高。
至此,我們應(yīng)該能分清什么是MOS、MOSFET、NMOS、PMOS了。從中我們也看出了,MOS管是一種G極電壓產(chǎn)生電場效應(yīng),控制DS兩端電流的可控器件。
在電路里面,如何區(qū)分NMOS、PMOS以及電路如何連接呢?
現(xiàn)在我們想一下,襯底該怎么接,以NMOS為例,襯底P型,如果襯底接高電位,那么就形成了兩個PN結(jié)并聯(lián)的電路。所以P型襯底需要接低電位,根據(jù)上面說的電流方向,N型MOS低電位為S極,所以襯底需要連S極。這就是為什么MOS管的電路圖總是看到襯底跟S極相連的原因!
下面詳細(xì)說說電路符號每一個細(xì)節(jié)所代表的意思。
1. 沒有施加電場時,G極下沒有產(chǎn)生N溝道,所以電路圖中用虛線代表這一層意思。(以后的文章中會介紹不同種類的MOSFET,G極為0V,沒有反轉(zhuǎn)層生成的器件稱為增強(qiáng)型MOS管,還有一種是耗盡型MOS,對于耗盡型MOS,中間豎線是相連的。
2. 箭頭的意思代表襯底的PN結(jié)效應(yīng),P型襯底(NMOS)在G極產(chǎn)生電場下,靠近G極為電子區(qū)、遠(yuǎn)離端為空穴區(qū),所以電場下生產(chǎn)的PN效應(yīng)指向G極!
3. 圖中的二極管是襯底與D之間體二極管,上文中也提到了,如果襯底接高電平,此時二極管直接導(dǎo)通,失去了MOS管控制的作用。大家此時應(yīng)該立刻想到,如果NMOS的S極接了高電壓,D接了低電壓,MOS管直接導(dǎo)通!
對于PMOS,再啰嗦一遍,PMOS的”P“即P溝道,一定是在N型襯底上產(chǎn)生的,襯底PN效應(yīng)箭頭背離G極。N型襯底的兩肩上腐蝕出P型電極,流過溝道的是空穴,方向從源到漏,源為高摻雜,空穴運(yùn)動的方向同時也是電流的方向,也就是說PMOS的電流從S到D,S為高電平。
PMOS的襯底為N型,如果襯底為低電平,同樣是等效于兩個PN結(jié)并聯(lián),所以襯底要接高電平,即襯底也是連S極,得出一個結(jié)論:無論NMOS、PMOS襯底都是連S極!
體二極管效應(yīng)仍然在D極和襯底間產(chǎn)生,D為體二極管的P區(qū)。同樣,對于PMOS,D極比S極點(diǎn)位高的話,直接通過二極管效應(yīng)產(chǎn)生通路。
NMOS和PMOS分別簡化如下:
CMOS即 complementary MOSFET,互補(bǔ)型MOSFET,在大規(guī)模集成電路里面,NMOS和PMOS被集成在一起,通過同一個信號來控制,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號的邏輯NOT功能。這種結(jié)構(gòu)是組成集成電路的基礎(chǔ)單元。
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