MOS電路詳解-MOS電路圖、應(yīng)用與P溝道MOS管開(kāi)關(guān)電路-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-12-04
MOS電路為單極型集成電路，又稱(chēng)為MOS集成電路，它采用金屬－氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor,縮寫(xiě)為MOSFET)制造，其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、集成度高、功耗低，但速度較慢。
MOS集成電路又分為PMOS(P-channel Metal Oxide Semiconductor，P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體)、NMOS(N-channel Metal Oxide Semiconductor，N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體)和CMOS(Complement Metal Oxide Semiconductor，復(fù)合互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)等類(lèi)型。
MOS電路中應(yīng)用最廣泛的為CMOS電路，CMOS數(shù)字電路中，應(yīng)用最廣泛的為4000、4500系列，它不但適用于通用邏輯電路的設(shè)計(jì)，而且綜合性能也很好，它與TTL電路一起成為數(shù)字集成電路中兩大主流產(chǎn)品。CMOS數(shù)字集成電路電路主要分為4000（4500系列）系列、54HC/74HC系列、54HCT/74HCT系列等，實(shí)際上這三大系列之間的引腳功能、排列順序是相同的，只是某些參數(shù)不同而已。
例如，74HC4017與CD4017為功能相同、引腳排列相同的電路，前者的工作速度高，工作電源電壓低。4000系列中目前最常用的是B系列，它采用了硅柵工藝和雙緩沖輸出結(jié)構(gòu)。
Bi-CMOS是雙極型CMOS（Bipolar-CMOS）電路的簡(jiǎn)稱(chēng)，這種門(mén)電路的特點(diǎn)是邏輯部分采用CMOS結(jié)構(gòu)，輸出級(jí)采用雙極型三極管，因此兼有CMOS電路的低功耗和雙極型電路輸出阻抗低的優(yōu)點(diǎn)。
當(dāng)使用5V電源，這時(shí)候如果使用傳統(tǒng)的圖騰柱結(jié)構(gòu)，由于三極管的be有0.7V左右的壓降，導(dǎo)致實(shí)際最終加在gate上的電壓只有4.3V。這時(shí)候，我們選用標(biāo)稱(chēng)gate電壓4.5V的MOS管就存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。同樣的問(wèn)題也發(fā)生在使用3V或者其他低壓電源的場(chǎng)合。
輸入電壓并不是一個(gè)固定值，它會(huì)隨著時(shí)間或者其他因素而變動(dòng)。這個(gè)變動(dòng)導(dǎo)致PWM電路提供給MOS管的驅(qū)動(dòng)電壓是不穩(wěn)定的。為了讓MOS管在高gate電壓下安全，很多MOS管內(nèi)置了穩(wěn)壓管強(qiáng)行限制gate電壓的幅值。在這種情況下，當(dāng)提供的驅(qū)動(dòng)電壓超過(guò)穩(wěn)壓管的電壓，就會(huì)引起較大的靜態(tài)功耗。同時(shí)，如果簡(jiǎn)單的用電阻分壓的原理降低gate電壓，就會(huì)出現(xiàn)輸入電壓比較高的時(shí)候，MOS管工作良好，而輸入電壓降低的時(shí)候gate電壓不足，引起導(dǎo)通不夠徹底，從而增加功耗。
在一些控制電路中，邏輯部分使用典型的5V或者3.3V數(shù)字電壓，而功率部分使用12V甚至更高的電壓。兩個(gè)電壓采用共地方式連接。這就提出一個(gè)要求，需要使用一個(gè)電路，讓低壓側(cè)能夠有效的控制高壓側(cè)的MOS管，同時(shí)高壓側(cè)的MOS管也同樣會(huì)面對(duì)1和2中提到的問(wèn)題。在這三種情況下，圖騰柱結(jié)構(gòu)無(wú)法滿(mǎn)足輸出要求，而很多現(xiàn)成的MOS驅(qū)動(dòng)IC，似乎也沒(méi)有包含gate電壓限制的結(jié)構(gòu)。
下圖是兩種P溝道MOS管開(kāi)關(guān)電路應(yīng)用：其中第一種NMOS管為高電平導(dǎo)通，低電平截?cái)?，Drain端接后面電路的接地端；第二種為P溝道MOS管開(kāi)關(guān)電路，為高電平斷開(kāi)，低電平導(dǎo)通，Drain端接后面電路的VCC端。
金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)(MOS)晶體管可分為N溝道與P溝道兩大類(lèi)， P溝道硅MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管在N型硅襯底上有兩個(gè)P+區(qū)，分別叫做源極和漏極，兩極之間不通導(dǎo)，柵極上加有足夠的正電壓(源極接地)時(shí)，柵極下的N型硅表面呈現(xiàn)P型反型層，成為銜接源極和漏極的溝道。改動(dòng)?xùn)艍嚎梢愿膭?dòng)溝道中的電子密度，從而改動(dòng)溝道的電阻。這種MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管稱(chēng)為P溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
假設(shè)N型硅襯底表面不加?xùn)艍壕鸵汛嬖赑型反型層溝道，加上恰當(dāng)?shù)钠珘海墒箿系赖碾娮柙龃蠡驕p小。這樣的MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管稱(chēng)為P溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。統(tǒng)稱(chēng)為PMOS晶體管。
P溝道MOS晶體管的空穴遷移率低，因而在MOS晶體管的幾何尺寸和工作電壓絕對(duì)值相等的情況下，PMOS晶體管的跨導(dǎo)小于N溝道MOS晶體管。此外，P溝道MOS晶體管閾值電壓的絕對(duì)值普通偏高，懇求有較高的工作電壓。它的供電電源的電壓大小和極性，與雙極型晶體管——晶體管邏輯電路不兼容。PMOS因邏輯擺幅大，充電放電過(guò)程長(zhǎng)，加之器件跨導(dǎo)小，所以工作速度更低，在P溝道MOS管開(kāi)關(guān)電路(見(jiàn)N溝道金屬—氧化物—半導(dǎo)體集成電路)呈現(xiàn)之后，多數(shù)已為NMOS電路所取代。
只是，因PMOS電路工藝簡(jiǎn)單，價(jià)錢(qián)低價(jià)，有些中范圍和小范圍數(shù)字控制電路仍采用PMOS電路技術(shù)。PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適宜用于源極接VCC時(shí)的情況（高端驅(qū)動(dòng)）。但是，固然PMOS可以很便當(dāng)?shù)赜米鞲叨蓑?qū)動(dòng)，但由于導(dǎo)通電阻大，價(jià)錢(qián)貴，交流種類(lèi)少等緣由，在高端驅(qū)動(dòng)中，通常還是運(yùn)用NMOS。
正常工作時(shí)，P溝道增強(qiáng)型MOS管的襯底必需與源極相連，而漏心極的電壓Vds應(yīng)為負(fù)值，以保證兩個(gè)P區(qū)與襯底之間的PN結(jié)均為反偏，同時(shí)為了在襯底頂表面左近構(gòu)成導(dǎo)電溝道，柵極對(duì)源極的電壓Vgs也應(yīng)為負(fù)。
1．Ｖds≠Ｏ的情況導(dǎo)電溝道構(gòu)成以后，ＤＳ間加負(fù)向電壓時(shí)，那么在源極與漏極之間將有漏極電流Ｉd流通，而且Ｉd隨Vds而增加．Ｉd沿溝道產(chǎn)生的壓降使溝道上各點(diǎn)與柵極間的電壓不再相等，該電壓削弱了柵極中負(fù)電荷電場(chǎng)的作用，使溝道從漏極到源極逐漸變窄．當(dāng)Ｖds增大到使Ｖgd＝Ｖgs（TH），溝道在漏極左近呈現(xiàn)預(yù)夾斷．
2．導(dǎo)電溝道的構(gòu)成（Ｖds＝0）當(dāng)Vds=0時(shí)，在柵源之間加負(fù)電壓Vgs，由于絕緣層的存在，故沒(méi)有電流，但是金屬柵極被補(bǔ)充電而聚集負(fù)電荷，Ｎ型半導(dǎo)體中的多子電子被負(fù)電荷排斥向體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，表面留下帶正電的離子，構(gòu)成耗盡層，隨著Ｇ、Ｓ間負(fù)電壓的增加，耗盡層加寬，當(dāng)Vgs增大到一定值時(shí)，襯底中的空穴（少子）被柵極中的負(fù)電荷吸收到表面，在耗盡層和絕緣層之間構(gòu)成一個(gè)Ｐ型薄層，稱(chēng)反型層，這個(gè)反型層就構(gòu)成漏源之間的導(dǎo)電溝道，這時(shí)的Ｖgs稱(chēng)為開(kāi)啟電壓Vgs（th），Vgs到Vgs（th）后再增加，襯底表面感應(yīng)的空穴越多，反型層加寬，而耗盡層的寬度卻不再變化，這樣我們可以用Vgs的大小控制導(dǎo)電溝道的寬度。
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