MOS管根據(jù)導(dǎo)電性質(zhì)不同可分為NMOS和PMOS兩種。NMOS和PMOS的結(jié)構(gòu)相似,都是由n型和p型半導(dǎo)體夾雜著一層氧化膜構(gòu)成的。不同之處在于,NMOS的氧化膜上覆蓋著一層金屬,通常是鎢或銅,而PMOS則覆蓋著一層氮化硅或氧化鋁等絕緣材料。
NMOS和PMOS的特性區(qū)別
NMOS的導(dǎo)通電阻小,通常用于低電壓、大電流的場(chǎng)合,例如電源開關(guān)和放大器等;而PMOS的阻斷電壓高,通常用于高電壓、小電流的場(chǎng)合,例如場(chǎng)效應(yīng)晶體管和電源控制器等。
如何快速區(qū)分nmos和pmos
1.通過外觀區(qū)分
NMOS和PMOS的外觀有時(shí)可以通過肉眼觀察來區(qū)分。通常情況下,NMOS的管芯顏色較深,呈灰色或黑色,而PMOS的管芯顏色較淺,呈淡黃色或淡藍(lán)色。
2.通過標(biāo)識(shí)區(qū)分
NMOS和PMOS的標(biāo)識(shí)也可以用來區(qū)分它們。通常情況下,NMOS的標(biāo)識(shí)為“N”,而PMOS的標(biāo)識(shí)為“P”。
3.通過電路特性區(qū)分
在實(shí)際應(yīng)用中,可以通過電路特性來區(qū)分NMOS和PMOS。通常情況下,NMOS的導(dǎo)通電阻小,可以在低電壓、大電流的場(chǎng)合使用;而PMOS的阻斷電壓高,可以在高電壓、小電流的場(chǎng)合使用。
nmos和pmos區(qū)別
PMOS和NMOS的源漏方位相反,NMOS的漏端drain在上面,PMOS的源端source在上面,之所以這么做是借助方位來表明電位的高低。NMOS的漏端drain和PMOS的源端source的電壓都比柵端gate電壓高,所以這么標(biāo)注獲得一個(gè)“visualaid”。電流方向是一致的,如果采用箭頭表示電流方向,都是從上到下的。
如果是四端口畫法,箭頭的方向就不是電流方向,而是襯底和溝道之間的PN結(jié)方向,和二極管一樣,都是從P端指到N端。
NMOS是N型溝道,P型襯底,襯底接最低電位,PMOS是P型溝道,N型襯底接最高電位。這樣是為了源漏端和襯底形成P-N結(jié)反偏,不然電流從源漏端直接正向?qū)ǖ降亍舸┱f的也是這個(gè)P-N結(jié)反向擊穿。因?yàn)闇系篮鸵r底的材料不同,所以柵壓變化才會(huì)有耗盡層-反型層形成的說法。
NMOS的溝道材料是N型,而襯底材料是P型,所以柵極需要加正電壓,才能排斥P型襯底里的空穴,吸引電子聚集在溝道的下方,和柵極的金屬板構(gòu)成柵電容。電容的介質(zhì)材料是SiO2。PMOS的溝道材料是P型,而襯底材料是N型,要想在N型材料里吸引空穴的話,自然柵極應(yīng)該加負(fù)電壓。和NMOS柵極正電壓越大,溝道的導(dǎo)電能力越強(qiáng)一樣,PMOS是柵極電壓負(fù)向越大,溝道導(dǎo)電能力越強(qiáng)。
nmos pmos工作條件不同
溝道形成條件
現(xiàn)在來看一下工作條件,NMOS,VGS>VthV_{GS}>V_{th}和VDS>VGS?VthV_{DS}>V_{GS}-V_{th},前者是用來保證導(dǎo)電溝道的形成,疊加后者的條件就是飽和狀態(tài)。導(dǎo)通條件到PMOS這,是以柵端電壓對(duì)比襯底電壓VDDV_{DD}較小為好,這樣空穴就會(huì)被吸附到表面形成溝道,所以可以看出閾值電壓VthV_{th}為負(fù)值。這和NMOS的VthV_{th}的正值恰相反,注意這里不涉及增強(qiáng)型還是耗盡型管子的區(qū)分。考慮襯底和源端相連,導(dǎo)通條件是VGS<VthV_{GS}<V_{th},如果用絕對(duì)值表示|VGS|>|Vth||V_{GS}|>|V_{th}|。電流的流動(dòng)從方位上和NMOS沒有區(qū)別,都是從上方流到下方。
飽和條件
飽和區(qū)的條件類比較為麻煩,因?yàn)轱柡蛥^(qū)形成的微觀機(jī)理稍微復(fù)雜一點(diǎn)。首先我們要弄清,為什么對(duì)于NMOS,當(dāng)VDS>VGS?VthV_{DS}>V_{GS}-V_{th}就有IDI_D飽和呢?當(dāng)滿足了VGS>VthV_{GS}>V_{th},溝道里從漏端到源端的電壓都是一樣的,可以等效為簡(jiǎn)單的平行板電容器。但是MOS管是個(gè)立體結(jié)構(gòu),除了平行板的垂直電場(chǎng),要形成電流還需要水平方向的電場(chǎng),也就是從漏極到源級(jí)的電場(chǎng)。水平方向的電場(chǎng)NMOS是漏端最高,源端最低,沿著溝道方向電勢(shì)逐漸降低。
溝道處的電勢(shì)由固定的襯底電勢(shì)疊加水平方向的電勢(shì),就造成了柵平行板電容雖然柵極電壓不變,但襯底邊的電壓不均勻。對(duì)于NMOS來說,需要保證VGS>VthV_{GS}>V_{th},這里S換成sub(襯底)會(huì)更好理解,VG?Sub>VthV_{G-Sub}>V_{th},但現(xiàn)在襯底電壓因?yàn)槭┘恿薞DSV_{DS}不再保持均勻相等。靠近漏端這一端的電壓VGDV_{GD}要比VGSV_{GS}小,因?yàn)槁┒穗妷焊摺kS著漏端電壓的提升,VGDV_{GD}會(huì)率先小于VthV_{th},這樣漏端這個(gè)地方就形成了夾斷(pinch-off),但這個(gè)夾斷和VG?Sub<VthV_{G-Sub}<V_{th}時(shí)的截止不一樣,稱為預(yù)夾斷,是通過VDSV_{DS}破壞了VG?Sub>VthV_{G-Sub}>V_{th}的條件形成的夾斷,且只有漏端一點(diǎn)夾斷了,不是整個(gè)溝道都夾斷了。但是,溝道的預(yù)夾斷正是我們需要的,因?yàn)閵A斷后漏端和柵端就連接起來的了。
這里其實(shí)是有點(diǎn)問題的,因?yàn)榘凑涨懊娴钠骷P停瑠A斷后VGDV_{GD}是等于VthV_{th}的,繼續(xù)增大VDV_D可以繼續(xù)減小VGDV_{GD},造成小于VthV_{th}的情況。但這里的假設(shè)是,VGDV_{GD}減小到VthV_{th}的時(shí)候,柵端和漏端連接起來,這樣無論VDV_D如何變化,夾斷點(diǎn)都等于VthV_{th},整個(gè)溝道的水平電壓也就保持不變了。這里不考慮channel-lengthmodulation的情況。夾斷以后,器件模型就類似是diode-connected的電路拓?fù)淞耍瑬哦撕吐┒诉B接,器件始終工作在飽和區(qū)。不過不同的是,器件里降低VDV_D可以回到線性區(qū),而在電路里,降低VDV_D回不到線性區(qū),只能直接進(jìn)入截止區(qū)。
根據(jù)前面的分析,可以知道NMOS進(jìn)入飽和區(qū)的要求是VGD<VthV_{GD}<V_{th},換成常用的是VDS>VGS?VthV_{DS}>V_{GS}-V_{th}。PMOS因?yàn)闁哦穗妷贺?fù)與襯底端,所以施加VSDV_{SD}后,漏端的電壓最低,且低的柵端電壓高于漏端電壓不超過閾值電壓了,破壞了柵電壓構(gòu)筑的導(dǎo)通條件,所以有VGD>VthV_{GD}>V_{th},換算一下,VDS<VGS?VthV_{DS}<V_{GS}-V_{th}。
總結(jié)
對(duì)于NMOS,柵端gate比襯底端substrate高一個(gè)VthV_{th},才能形成溝道,要破壞這個(gè)溝道,柵端gate比漏端drain高,但不能高于VthV_{th},才能形成預(yù)夾斷,工作在飽和區(qū)。
VGS>Vth,VGD<VthV_{GS}>V_{th},V_{GD}<V_{th},后一個(gè)條件即VDS>VGS?VthV_{DS}>V_{GS}-V_{th}
對(duì)于PMOS,柵端gate比襯底端substrate低過負(fù)閾值電壓VthV_{th},才可以吸附空穴,形成反型層,柵端gate比漏端drain低,但不能低過VthV_{th},形成溝道破壞條件,才能工作在飽和區(qū)。
VGS<Vth,VGD>VthV_{GS}<V_{th},V_{GD}>V_{th},后一個(gè)條件即VDS<VGS?VthV_{DS}<V_{GS}-V_{th},考慮VthV_{th}是負(fù)值,也可以改為|VGS|>|Vth|,|VDS|>|VGS|?|Vth||V_{GS}|>|V_{th}|,|V_{DS}|>|V_{GS}|-|V_{th}|,這樣和NMOS的條件就有了一定的統(tǒng)一性。
NMOS和PMOS的應(yīng)用領(lǐng)域
NMOS的應(yīng)用領(lǐng)域
NMOS廣泛應(yīng)用于數(shù)字電路、開關(guān)電源、計(jì)算機(jī)內(nèi)存等領(lǐng)域。在數(shù)字電路中,NMOS常用于設(shè)計(jì)與門、或門、非門等邏輯門電路;在開關(guān)電源中,NMOS常用于設(shè)計(jì)開關(guān)管和調(diào)整管等;在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中,NMOS常用于設(shè)計(jì)DRAM和SRAM等存儲(chǔ)器。
PMO的應(yīng)用領(lǐng)域
PMOS主要用于高頻電路、射頻電路、傳感器等領(lǐng)域。在高頻電路中,PMOS常用于設(shè)計(jì)高頻開關(guān)和調(diào)制器等;在射頻電路中,PMOS常用于設(shè)計(jì)射頻開關(guān)和衰減器等;在傳感器領(lǐng)域,PMOS常用于設(shè)計(jì)壓力傳感器、溫度傳感器等。
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