N沟道增强型MOS管的工作原理
N沟道增强型MOS管的工作原理
N沟道增强型MOS管的工作原理
N沟道增强型MOS管（NMOS）是一种常见的场效应管(fET)，在N沟道增强型MOS管中，沟道导电能力可以通过适当的电压调节，从而导致开关体的导电能力发生明显变化。
其工作原理可以从材料结构、电场分布和电流传输三个方面进行解释。
1.材料结构：
NMOS的基本结构由P型衬底、N型沟道区域、P型源/漏极和绝缘层组成。
在衬底上形成一个绝缘层，然后再在上面形成一层N型沟道区域，称之为负载掺杂。
2.电场分布：
当N沟道增强型MOS管处于关闭状态时，沟道区域中没有电子通过，因此沟道区域的电势保持高电势，并阻断了N型衬底的连接。
当施加一个正的门极电压（如VGS），沟道区域中的P型区域受到吸引，形成了一个N型沟道连接了N型衬底和P型源/漏极，从而允许电流通过。
3.电流传输：
当门极电压（VGS）增加，沟道中的电子数量增加，导致增强模式下的导电能力增加，电流也随之增加。
沟道中电子的移动速度受电子迁移率的影响，通常电子迁移率很高，因此电子能够很快地通过沟道区域。
当N 沟道增强型MOS管处于开启状态时，电流可以从源极流向漏极。
总结起来，N沟道增强型MOS管的工作原理可以通过施加门极电压改变沟道区域的电势，从而控制电流的通过。
当门极电压为零时，NMOS处于关闭状态，电流无法通过。
当施加一个正的门极电压时，沟道区域中的
P型区域受到吸引，形成了一个N型沟道连接了N型衬底和P型源/漏极，从而允许电流通过。
NMOS具有许多优点，包括低功耗、快速开关速度和较高的集成度。
它在许多电子设备中广泛应用，如数字逻辑电路、微处理器和存储器芯片等。
N沟道MOS管的结构及工作原理
N沟道MOS管的结构及工作原理N沟道金属-氧化物-半导体场效应管(MOS管)的结构及工作原理结型场效应管的输入电阻虽然可达106～109W，但在要求输入电阻更高的场合，还是不能满足要求。
而且，由于它的输入电阻是PN结的反偏电阻，在高温条件下工作时，PN结反向电流增大，反偏电阻的阻值明显下降。
与结型场效应管不同，金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）的栅极与半导体之间隔有二氧化硅（SiO2）绝缘介质，使栅极处于绝缘状态（故又称绝缘栅场效应管），因而它的输入电阻可高达1015W。
它的另一个优点是制造工艺简单，适于制造大规模及超大规模集成电路。
MOS管也有N沟道和P沟道之分，而且每一类又分为增强型和耗尽型两种，二者的区别是增强型MOS管在栅-源电压vGS=0时，漏-源极之间没有导电沟道存在，即使加上电压vDS（在一定的数值范围内），也没有漏极电流产生（iD=0）。
而耗尽型MOS管在vGS=0时，漏-源极间就有导电沟道存在。
一、N沟道增强型场效应管结构a) N沟道增强型MOS管结构示意图(b) N沟道增强型MOS管代表符号 (c) P沟道增强型MOS管代表符号在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，用光刻、扩散工艺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。
然后在半导体表面复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。
另外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。
显然它的栅极与其它电极间是绝缘的。
图 1(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 1(c)所示。
二、N沟道增强型场效应管工作原理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。
N沟道和P沟道MOS管工作原理
N沟道和P沟道MOS管工作原理N沟道MOSFET（NMOS）的工作原理是利用负电压加在接近沟道区域的电极上，形成一个负电荷区域，使电子在沟道内移动。
当NMOS的栅极电压高于沟道电压时，电子将被吸引到NMOS的沟道区域。
这将导致沟道中的电子数量增加，形成一个导电通道。
电子通过沟道流动时，NMOS处于导电状态，可将电流从源极到漏极引导。
当栅极电压低于沟道电压时，电子无法通过沟道流动，NMOS处于截止状态。
P沟道MOSFET（PMOS）的工作原理则相反。
利用正电压加在接近沟道区域的电极上，形成一个正电荷区域，吸引电子从沟道区域离开。
当PMOS的栅极电压低于沟道电压时，电子将被吸引到PMOS的沟道区域。
这将导致沟道中的电子数量减少，形成一个导电通道。
电子通过沟道流动时，PMOS处于导电状态，可将电流从漏极到源极引导。
当栅极电压高于沟道电压时，电子无法通过沟道流动，PMOS处于截止状态。
NMOS和PMOS的主要区别在于沟道区域的掺杂类型。
NMOS的沟道区域是正掺杂的P型半导体，而PMOS的沟道区域是负掺杂的N型半导体。
这种不同的掺杂类型导致了不同的工作原理和电子流动方式。
MOSFET是现代集成电路中最常用的晶体管结构之一、它具有高度的集成度、低功耗和控制灵活性，广泛应用于数字电路和模拟电路中。
在数字电路中，NMOS和PMOS通常用于构建逻辑门电路，如与门、或门和非门。
在模拟电路中，MOSFET经常用作可变电阻、放大器和开关等各种功能的基本构建单元。
总之，N沟道和P沟道MOSFET的工作原理是通过施加电场来控制沟道区域的电子流动，从而实现电流的导通和截止。
这种电场效应的工作方式使得MOSFET能够在集成电路中发挥重要的作用。
N沟道增强型MOS管的工作原理
/slzlly/blog/item/dc861508f1bfe935e8248853.htmlMOS管工作原理（转）2008-07-12 07:06双极型晶体管把输入端电流的微小变化放大后，在输出端输出一个大的电流变化。
双极型晶体管的增益就（beta）。
另一种晶体管，叫做场效应管（FET），把输入电压的变化转化为输出电流的变化。
分别为电流控制器增益等于它的跨导(transconductance)gm，定义为输出电流的变化和输入电压变化之比。
场效应管的名字也来源于它的输入端栅（称为gate），通过投影一个电场在一个绝缘层（氧化物SIO2)上来实上没有电流流过这个绝缘体（只是一个电容的作用），所以FET管的GATE电流非常小（电容的电流损耗）。
最硅来作为GATE极下的绝缘体。
这种晶体管称为金属氧化物半导体(MOS)晶体管，或,金属氧化物半导体场效应管（semicondutor field effect transistor）。
因为MOS管更小更省电，所以他们已经在很多应用场合取代了双极首先考察一个更简单的器件－MOS电容－能更好的理解MOS管。
这个器件有两个电极，一个是金属，另一个是他们之间由一薄层二氧化硅分隔开（图1.22A）。
金属极就是GATE，而半导体端就是backgate或者body or bul 的绝缘氧化层称为gate dielectric。
图示中的器件有一个轻掺杂P型硅做成的backgate。
这个MOS 电容的电特gate接不同的电压来说明。
图1.22A中的MOS电容的GATE电位是0V。
金属GATE和半导体BACKGATE在WORK FUN 上）上的差异在电介质（氧化层的上下）上产生了一个小电场。
图示的器件中，这个电场使金属极带轻微的正电的空穴多，电子少，故需要从别处"抢来"电子，所以氧化物处电子少了，故GATE极带正电），P型硅负电位（相硅中底层的电子吸引到表面来，它同时把空穴排斥出表面。
N-MOS学习
N沟道增强型MOSFET ——Notes全称：N-Metal-Oxide-SemiconductorN沟道增强型MOSFET ：由于这种结构在Vgs=0时，Id=0，称这种MOSFET为增强型区别于P沟道MOS，符号箭头方向是相反的，箭头内指是N沟道的MOS。
N-MOS的截面图：D：漏极（drain）S：源极（source）G：栅极（gate）在单个N-MOS封装中，常会有寄生二极管的存在，其位置如图。
集成电路中，则没有寄生二极管N-MOS的工作原理特殊参数V ds：漏极和栅极间的电压，MAX值最为有用（耐压）V gs：栅源电压作为控制电压V gs(th)：开启电压，刚刚产生导电沟道所需的栅源电压VgsI d：漏极电流，I dm指MOS能带负载最大电流gm：低频跨导，在VDS为某一固定数值的条件下，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压微变量之比称为跨导极间电容：栅源电容CGS 、栅漏电容CGD和漏源电容CDS；CGS和CGD约为1～3pF，CDS约在0.1～1pF之间RGS：直流输入电阻，MOS管的RGS可以很容易地超过1kΩN-MOS的特性：Vgs大于V gs(th）就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动）工作原理描述（1）V gs=0，没有导电沟道此时栅源短接，源区，衬底和漏区形成两个背靠背的PN结，无论Vds的极性怎样，其中总有一个PN结是反偏的，所以d,s之间没有形成导电沟道，MOS管处于截止状态。
（2）V gs≥ V gs(th)，出现N沟道栅源之间加正向电压→ 由栅极指向P型衬底的电场→ 将靠近栅极下方的空穴向下排斥→ 形成耗尽层再增加V gs→ 纵向电场将P区少子（电子）聚集到P区表面→ 形成源漏极间的N型导电沟道→ 如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id（3）输出特性曲线MOS的输出特性曲线是指在栅源电压Vgs> VGS(th）且恒定的情况下，漏极电流id与漏源电压Vds之间的关系，可以分为以下4段：线性区当Vds很小时，沟道就像一个阻值与Vds无关的固定电阻，此时id与Vds成线性关系过渡区随着Vds增大，漏极附近的沟道变薄，沟道电阻增大，曲线逐渐下弯。
N沟道增强型MOSFET
关于场效应管符号的说明：
D G S D
D
D
B
G S
B
G S
B
G S
N沟道增强 型MOS管， 衬底箭头向 里。漏、衬 底和源、分 开，表示零 栅压时沟道 不通。
表示衬底 在内部没 有与源极 连接。
N沟道耗 尽型MOS 管。漏、 衬底和源 不断开表 示零栅压 时沟道已 经连通。
N沟道结 型MOS管。 没有绝缘 层。
成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流ID。
进一步增加VGS，当VGS＞VGS(th) 时（ VGS(th) 称为开启电压)，由于此 时的栅极电压已经比较强，在靠近 栅极下方的P型半导体表层中聚集较 多的电子，可以形成沟道，将漏极 和源极沟通。如果此时加有漏源电 压，就可以形成漏极电流ID。在栅 极下方形成的导电沟道中的电子， 因与P型半导体的载流子空穴极性 相反，故称为反型层。 (动画2-4） 随着VGS的继续增加，ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0， 只有当VGS＞VGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为 增强型MOS管。 VGS对漏极电流的控制关系可用 ID=f(VGS)VDS=const 这一曲线描述，称为转移特性曲线，见图02.14。
应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表示，
有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特
性曲线如图02.17(b)所示。
(a) 结构示意图 (b) 转移特性曲线 图02.17 N沟道耗尽型MOSFET的结构 和转移特性曲线
工作原理
P沟道增强型MOSFET的结构和
P沟道MOSFET的工作原理与N沟道
ID=f(VDS)VGS=const
图02.16 漏极输出特性曲线
N 沟道增强型MOS 场效应管
第一片集成电路只有4个晶体管，而1997年一片集成电路
中有40亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按10倍/6年
的速度增长，到2015或2020年达到饱和。
学习电子技术方面的课程需时刻关注电子技术的发展！
6
1 电子系统概
（by John Bardeen , William Schockley and Walter Brattain in Bell Lab） 他们在1947年11月底发明了晶 体管，并在12月16日正式宣布“晶 体管”诞生。1956年获诺贝尔物理 学奖。巴因所做的超导研究于1972 年第二次获得诺贝尔物理学奖。
伏安特性受温度影响t在电流不变情况下管压降u反向饱和电流isubrt正向特性左移反向特性下移正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线增大1倍1033二极管的参数1最大整流电流if2反向击穿电压ubr和最高反向工作电压urm3反向电流ir4最高工作频率fm5极间电容cj在实际应用中应根据管子所用的场合按其所承受的最高反向电压最大正向平均电流工作频率环境温度等条件选择满足要求的二极管
本征锗的电子和空穴浓度:
n = p =2.38×1013/cm3
14
小结：
1. 半导体中两种载流子
带负电的自由电子 带正电的空穴
2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现， 称为 电子 - 空穴对。 3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示，显然 ni = pi 。 4. 由 于 物 质 的 运 动 ， 自 由 电 子 和 空 穴 不 断 的 产 生 又 不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动 会达到平衡，载流子的浓度就一定了。 5. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高， 基本按指数规律增加。
N沟道和P沟道MOS管工作原理
N沟道和P沟道MOS管工作原理MOS管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）是一种常用的半导体器件，由金属-氧化物-半导体结构组成。
其中，N沟道MOS管和P沟道MOS管是两种常用的MOS管类型。
它们的工作原理略有不同，下面将详细介绍。
一、N沟道MOS管（N-Channel MOSFET）工作原理：N沟道MOS管的基本结构由N型衬底、P型衬底上的N型沟道、P型栅极和绝缘层（通常为氧化硅SiO2）组成。
当沟道中间层没有加电压时，P型沟道区域导电能力强于N型衬底区域，因此MOS管处于截止状态。
当P型栅极施加正向电压时，沟道区域下方的内电场将使P型区域带有正电荷，形成沟道通过，MOS管进入导通状态。
这种情况下，栅极-源极之间的电压被称为V_DS，栅极-沟道之间的电压被称为V_GS。
N沟道MOS管的工作原理是基于场效应。
当栅极-沟道电压(V_GS)增大时，场效应电压将增大，导致沟道区域的电荷密度增加，电流也会随之增加。
当V_GS增大到一定值时，沟道的电阻下降到很小，电流将接近饱和状态。
因此，N沟道MOS管可以被视为可以控制电流的开关。
二、P沟道MOS管（P-Channel MOSFET）工作原理：P沟道MOS管的基本结构与N沟道MOS管类似，但其沟道区域是P型半导体，而栅极是N型半导体。
与N沟道MOS管相比，P沟道MOS管的工作原理相反。
当P沟道MOS管的栅极电压为零时，由于N型沟道和P型衬底之间的PN结的反向偏置，形成一个截止区。
当P型栅极施加负向电压时，沟道区域的电荷会被压缩，在栅极电压达到一定值时，PN结会被反向击穿，沟道将打开，P沟道MOS管进入导通状态。
与N沟道MOS管类似，P沟道MOS管也是基于场效应工作的。
当栅极-沟道电压(V_GS)减小时，沟道中的电荷密度减小，导致电流减小。
当V_GS减小到一定值时，沟道关闭，电流为零。
因此，P沟道MOS管可以被视为可以控制电流的开关。
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N沟道增强型MOS管的工作原理
发布时间：2010.04.28 | 查看次数：484
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
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。
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。
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＜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。
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。
沟道形成以后，在漏——源极间加上正向电压vDS，就有漏极电流产生。
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。
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。
再继续增大vDS，夹断点将向源极方向移动。
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)，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。
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