N沟MOS晶体管概述

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沟道加强型MOS管的特性曲线

1）输出特性曲线

N沟道加强型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、截止区和击穿区几局部。

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运用时是工作在饱和区（恒流区），此时iD简直不随vDS而变化，即不同的vDS所对应的转移特性曲线简直是重合的，所以可用vDS大于某一数值（vDS＞vGS-VT）后的一条转移特性曲线替代饱和区的一切转移特性曲线。

3）iD与vGS的近似关系

与结型场效应管相相似。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。

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

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）。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。

若在栅-源极间加上正向电压，即vGS＞0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个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，因而使栅极附近的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，同时P衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面。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。我们把开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压，用VT表示。

由上述分析可知，N沟道增强型MOS管在vGS＜VT时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。只有当vGS≥VT时，才有沟道形成，此时在漏-源极间加上正向电压vDS，才有漏极电流产生。而且vGS增大时，沟道变厚，沟道电阻减小，iD增大。这种必须在vGS≥VT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。

2．vDS对iD的影响

如图2（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《vGS–VT）时，它对沟道的影响不大，这时只要vGS一定，沟道电阻几乎也是一定的，所以iD随vDS近似呈线性变化。

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。