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MOS管知识-一文彻底区分MOS NMOS PMOS CMOS(从原理的视角)-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2020-08-06 

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MOS管知识-一文彻底区分MOS NMOS PMOS CMOS(从原理的视角)

从原理的视角,一文彻底区分MOS NMOS PMOS CMOS,详细请查看下文。mos管学名是场效应管,是金属-氧化物-半导体型场效应管,属于绝缘栅型,MOS又分N型、P型MOS管。


(一)由基础说起

半导体的基础材料是硅晶体,硅这种材料,在化学元素周期表里是四族元素,硅从微观上看每个原子最外层有4个电子,我们知道,外层4个电子的物质处于稳定状态。硅晶体里,两个电子结合形成更为稳定的共价键。

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当然这种共价键并不是牢不可破的,在绝对0度以上,总会有少数的电子摆脱共价键的束缚在晶格里游荡,会表现出很小的导电性,半导体的名字就这么来了。

如果硅晶体里掺入了三族元素,比如硼,会是什么状况的呢?

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三族元素最外层3个电子,跟硅结合的时候,共价键上就会缺一个电子,我们叫它空穴。由于电子的热力学运动,某个共价键上的电子可能摆脱束缚移动到空穴位置上来,宏观上看好像是空穴产生了移动,由于空穴表现正电荷,空穴的英文称为positive holes,这种半导体就称之为P型半导体。

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同样,在硅晶体里掺杂五族元素后,共价键上就会多出一个电子,这个电子可以在半导体内自由移动,形成导电的电子,即negative electrons。掺杂五族元素的半导体称为N型半导体。

我们从宏观上看,N型半导体里面有很多可以导电的电子。

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P型半导体里面有很多不可移动的空穴。此处特别强调不可移动,我们说空穴的移动,实际上是其它位置的电子填充了空穴的位置,看上去像是空穴在移动。

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N型半导体和P型半导体宏观上看都是不带电的!正负电荷量相等。


(二)MOS

假如我们把P型半导体放在一个电场中会有什么现象呢 ?根据最基本的物理知识,同电荷排斥,异电荷相吸,电场中的P型半导体如下图所见。左右两侧为电极板,电子会被吸引到正电极测,空穴被吸引到负电极测。这里正负只是普通的物理定义,其实在电路中,严格的说法应该是高电平测、低电平测。正负只有在指定0V参考点的情况下才有意义。

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我们把这种效应称为电场效应(Field Effect),依据这种现场所发明的半导体器件称为场效应管,即Field Effect Transistor ,简称FET!这就是FET真实的内涵。


为了方便产生一个电场,科学家们发明了一种像三明治的结构。这种结构的最上层是金属,一般是铝化合物,中间层是氧化物,一般是氧化硅,下面是P型半导体,此处也称为P型衬底。这种器件被称为Metal Oxide Semiconductor,简称MOS。


在金属层和衬底之间加上电场,于是在氧化物的下面就聚集了电子,形成一个反转层。本来是P型衬底,出现了电子层,中文书里面也叫做“沟道”,也被称为N沟道。

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把这个材料继续加工,在P型衬底的两肩腐蚀出N型的电极,于是NMOS就这么产生了!金属层被称为G极、即栅极;N型掺杂浓度高的一端称为S极、即源极,掺杂浓度稍微低点的一端称为D极,即漏极。“源”是源头的意思,它的浓度高、可以提供更多的载流子,在N型半导体里,沟道内部是电子,如果能够形成一个电流通路,那么源极也应该提供的是电子。


在外部偏压形成的电场力作用下,电子由S流向D。因为电流定义的方向跟电子流动的方向相反,所以此时电流从D流向S。因此,D点的点位要比S点高。

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至此,我们就清楚了什么是MOS,MOSFET,NMOS。记住一点:NMOS指的是形成了N型的反转层,那么它一定是在P型衬底上实现的。


同样,对于衬底为N型的器件,我们要施加电场产生一个空穴区,即P沟道,所以称为PMOS,空穴区需要低电平产生,所以G极的电势要比源极低。P沟道流动的是”空穴“,所以电流方向是S极流向D极,那么S极的电势就要高。


至此,我们应该能分清什么是MOS、MOSFET、NMOS、PMOS了。从中我们也看出了,MOS管是一种G极电压产生电场效应,控制DS两端电流的可控器件。


(三)NMOS电路抽象

在电路里面,如何区分NMOS、PMOS以及电路如何连接呢?


现在我们想一下,衬底该怎么接,以NMOS为例,衬底P型,如果衬底接高电位,那么就形成了两个PN结并联的电路。所以P型衬底需要接低电位,根据上面说的电流方向,N型MOS低电位为S极,所以衬底需要连S极。这就是为什么MOS管的电路图总是看到衬底跟S极相连的原因!

下面详细说说电路符号每一个细节所代表的意思。

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1. 没有施加电场时,G极下没有产生N沟道,所以电路图中用虚线代表这一层意思。(以后的文章中会介绍不同种类的MOSFET,G极为0V,没有反转层生成的器件称为增强型MOS管,还有一种是耗尽型MOS,对于耗尽型MOS,中间竖线是相连的。


2. 箭头的意思代表衬底的PN结效应,P型衬底(NMOS)在G极产生电场下,靠近G极为电子区、远离端为空穴区,所以电场下生产的PN效应指向G极!


3. 图中的二极管是衬底与D之间体二极管,上文中也提到了,如果衬底接高电平,此时二极管直接导通,失去了MOS管控制的作用。大家此时应该立刻想到,如果NMOS的S极接了高电压,D接了低电压,MOS管直接导通!


(四)PMOS电路抽象

对于PMOS,再啰嗦一遍,PMOS的”P“即P沟道,一定是在N型衬底上产生的,衬底PN效应箭头背离G极。N型衬底的两肩上腐蚀出P型电极,流过沟道的是空穴,方向从源到漏,源为高掺杂,空穴运动的方向同时也是电流的方向,也就是说PMOS的电流从S到D,S为高电平。

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PMOS的衬底为N型,如果衬底为低电平,同样是等效于两个PN结并联,所以衬底要接高电平,即衬底也是连S极,得出一个结论:无论NMOS、PMOS衬底都是连S极!


体二极管效应仍然在D极和衬底间产生,D为体二极管的P区。同样,对于PMOS,D极比S极点位高的话,直接通过二极管效应产生通路。


NMOS和PMOS分别简化如下:

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(五)什么是CMOS

CMOS即 complementary MOSFET,互补型MOSFET,在大规模集成电路里面,NMOS和PMOS被集成在一起,通过同一个信号来控制,从而实现数字信号的逻辑NOT功能。这种结构是组成集成电路的基础单元。

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