MOS/CMOS集成电路

MOS集成电路特点：

制造工艺比较简单、成品率较高、功耗低、组成的逻辑电路比较简单，集成度高、抗干扰能力强，特别适合于大规模集成电路。

MOS集成电路包括:

NMOS管组成的NMOS电路、PMOS管组成的PMOS电路及由NMOS和PMOS两种管子组成的互补MOS电路，即CMOS电路。

PMOS门电路与NMOS电路的原理完全相同，只是电源极性相反而已。

数字电路中MOS集成电路所使用的MOS管均为增强型管子，负载常用MOS管作为有源负载，这样不仅节省了硅片面积，而且简化了工艺利于大规模集成。常用的符号如图1所示。

N沟MOS晶体管

金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-SemIConductor)结构的晶体管简称MOS晶体管，有P型MOS管和N型MOS管之分。MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，而PMOS管和NMOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为CMOS集成电路。

由p型衬底和两个高浓度n扩散区构成的MOS管叫作n沟道MOS管，该管导通时在两个高浓度n扩散区间形成n型导电沟道。n沟道增强型MOS管必须在栅极上施加正向偏压，且只有栅源电压大于阈值电压时才有导电沟道产生的n沟道MOS管。n沟道耗尽型MOS管是指在不加栅压(栅源电压为零)时，就有导电沟道产生的n沟道MOS管。

NMOS集成电路是N沟道MOS电路，NMOS集成电路的输入阻抗很高，基本上不需要吸收电流，因此，CMOS与NMOS集成电路连接时不必考虑电流的负载问题。NMOS集成电路大多采用单组正电源供电，并且以5V为多。CMOS集成电路只要选用与NMOS集成电路相同的电源，就可与NMOS集成电路直接连接。不过，从NMOS到CMOS直接连接时，由于NMOS输出的高电平低于CMOS集成电路的输入高电平，因而需要使用一个(电位)上拉电阻R，R的取值一般选用2～100KΩ。

N沟道增强型MOS管的结构

在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s。

然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏——源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g。

在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。

它的栅极与其它电极间是绝缘的。

图(a)、(b)分别是它的结构示意图和代表符号。代表符号中的箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。P沟道增强型MOS管的箭头方向与上述相反，如图(c)所示。

N沟道增强型MOS管的工作原理

(1)vGS对iD及沟道的控制作用

① vGS=0 的情况

从图1(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。

② vGS>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。

(2)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1(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1(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。

上面讨论的N沟道MOS管在vGS

vDS对iD的影响

如图(a)所示，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。但当vDS较小(vDS

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2(b)所示。再继续增大vDS，夹断点将向源极方向移动，如图2(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。

N沟道增强型MOS管的特性曲线、电流方程及参数

(1) 特性曲线和电流方程

1)输出特性曲线

N沟道增强型MOS管的输出特性曲线如图1(a)所示。与结型场效应管一样,其输出特性曲线也可分为可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区几部分。

2)转移特性曲线

转移特性曲线如图1(b)所示,由于场效应管作放大器件使用时是工作在饱和区(恒流区),此时iD几乎不随vDS而变化,即不同的vDS所对应的转移特性曲线几乎是重合的,所以可用vDS大于某一数值(vDS>vGS-VT)后的一条转移特性曲线代替饱和区的所有转移特性曲线.

3)iD与vGS的近似关系

与结型场效应管相类似。在饱和区内,iD与vGS的近似关系式为

式中IDO是vGS=2VT时的漏极电流iD。

(2)参数

MOS管的主要参数与结型场效应管基本相同，只是增强型MOS管中不用夹断电压VP ，而用开启电压VT表征管子的特性。

N沟道耗尽型MOS管的基本结构

(1)结构：

N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管基本相似。

(2)区别：

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MOS管要在vGS≥VT时才出现导电沟道。

(3)原因：

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)，如图1(a)所示，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。

如果加上正的vGS，栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子，沟道加宽，沟道电阻变小，iD增大。反之vGS为负时，沟道中感应的电子减少，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。当vGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，iD趋于零，管子截止，故称为耗尽型。沟道消失时的栅-源电压称为夹断电压，仍用VP表示。与N沟道结型场效应管相同，N沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP也为负值，但是，前者只能在vGS<0的情况下工作。而后者在vGS=0，vGS>0，VP

(4)电流方程：

在饱和区内，耗尽型MOS管的电流方程与结型场效应管的电流方程相同，即：

各种场效应管特性比较

P沟MOS晶体管

金属氧化物半导体场效应(MOS)晶体管可分为N沟道与P沟道两大类， P沟道硅MOS场效应晶体管在N型硅衬底上有两个P+区，分别叫做源极和漏极，两极之间不通导，柵极上加有足够的正电压(源极接地)时，柵极下的N型硅表面呈现P型反型层，成为连接源极和漏极的沟道。改变栅压可以改变沟道中的电子密度，从而改变沟道的电阻。这种MOS场效应晶体管称为P沟道增强型场效应晶体管。如果N型硅衬底表面不加栅压就已存在P型反型层沟道，加上适当的偏压，可使沟道的电阻增大或减小。这样的MOS场效应晶体管称为P沟道耗尽型场效应晶体管。统称为PMOS晶体管。

P沟道MOS晶体管的空穴迁移率低,因而在MOS晶体管的几何尺寸和工作电压绝对值相等的情况下，PMOS晶体管的跨导小于N沟道MOS晶体管。此外，P沟道MOS晶体管阈值电压的绝对值一般偏高，要求有较高的工作电压。它的供电电源的电压大小和极性,与双极型晶体管——晶体管逻辑电路不兼容。PMOS因逻辑摆幅大，充电放电过程长，加之器件跨导小，所以工作速度更低，在NMOS电路(见N沟道金属—氧化物—半导体集成电路)出现之后，多数已为NMOS电路所取代。只是,因PMOS电路工艺简单,价格便宜，有些中规模和小规模数字控制电路仍采用PMOS电路技术。

PMOS集成电路是一种适合在低速、低频领域内应用的器件。PMOS集成电路采用-24V电压供电。如图5所示的CMOS-PMOS接口电路采用两种电源供电。采用直接接口方式，一般CMOS的电源电压选择在10～12V就能满足PMOS对输入电平的要求。

MOS场效应晶体管具有很高的输入阻抗，在电路中便于直接耦合，容易制成规模大的集成电路。

各种场效应管特性比较