超级详细-NMOS、PMOS的工作原理及相关内容整理（上）

基础概念

P型半导体是在单晶硅（或锗）中参入微量的三价元素，如：硼、铟、镓、铝等；N型半导体是在单晶硅（或锗）中参入微量的五价元素，如：磷、锑、砷等。

NMOS英文全称为N-Metal-Oxide-Semiconductor。意思为N型金属-氧化物-半导体，而拥有这种结构的晶体管我们称之为NMOS晶体管。PMOS是指n型衬底、p沟道，靠空穴的流动运送电流的MOS管。MOS晶体管有P型MOS管和N型MOS管之分。由MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，由NMOS组成的电路就是NMOS集成电路，由PMOS管组成的电路就是PMOS集成电路，由NMOS和PMOS两种管子组成的互补MOS电路，称为CMOS电路。

g:栅极，d:漏极，s:源极，B：衬底引线

NMOS工作原理

1.vGS对iD及沟道的控制作用

①vGS=0 的情况：从下图(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。

②vGS>0 的情况：若vGS>0，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。

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(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N+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(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。

vDS对iD的影响

当vGS>VT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=vGS－vDS，因而这里沟道最薄。

随着vDS的增大，靠近漏极的沟道越来越薄，当vDS增加到使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)时，沟道在漏极一端出现预夹断，如图(b)所示。再继续增大vDS，夹断点将向源极方向移动，如图(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。

输出特性曲线与转移特性曲线如上图所示。

耗尽型与增强型N沟道MOSFET比较

N沟道耗尽型NMOS管与N沟道增强型MOS管基本相似。耗尽型MOS管在vGS=0时，漏源极间已有导电沟道产生，而增强型NMOS管要在vGS≥VT时才出现导电沟道。

制造N沟道耗尽型MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+(制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子)，因此即使vGS=0时，在这些正离子产生的电场作用下，漏源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道)，只要加上正向电压vDS，就有电流iD。

未完待续。

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