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简述NMOS和PMOS晶体管的区别差异

IC先生 IC先生 19905 2022-05-11 11:20:42

金属氧化物场效应晶体管,简称MOSFET,这些晶体管广泛应用于混合信号仪器、ASIC和开关模式电源。MOSFET有两种形式,即NMOS和PMOS晶体管,它们已成为几乎所有应用中晶体管的主要选择。

那么,NMOS和PMOS晶体管之间究竟有哪些区别差异?这是本文所要讨论的内容,即NMOS和PMOS的制造过程、数学模型和主要应用。

NMOS和PMOS模型

用电子术语来说,晶体管的工作原理很简单:它有三个主端子,流过其中一个端子的电流可以通过另外两个端子之间的电压来控制。在MOSFET的情况下,栅极和源极端口之间的电压控制流过漏极的电流

漏极电流(I D)和栅源电压(V GS)之间的关系是高度非线性的,分为三个工作区域(Cut-Off/截止区、Linear/线性、Saturation/饱和区)。每个区域都有自己的条件、属性和方程式,具体如下图所示:

NMOS和PMOS方程式

NMOS符号、特性曲线和工作模式如下图所示:

NMOS 符号、特性曲线和工作模式

实际上,上面工作模式图描述了漏极电流 (I D ) 如何对漏源电压 (V DS )的变化作出反应,并且是理解MOSFET应用的关键。在截止区,晶体管充当漏极和源极之间的开路,在线性区,V DS和I D之间的关系几乎是欧姆的,而在饱和模式下,理想情况下,电流与V DS无关. 通道长度调制效应阻止电流完全独立于V DS ,因此λ项描述了电流如何随V DS变化在饱和期间。

常数K n和K p取决于MOSFET材料(氧化物电容和电荷迁移率)和几何形状(沟道宽度W和长度 L)。在开发微电子电路时,设计人员可以使用W和L值来控制电流方程。在电路设计中,栅源电压V GS用于控制晶体管的工作模式。

PMOS与NMOS晶体管类型

NMOS和PMOS之间的区别在于结构:NMOS使用N型掺杂半导体作为源漏,P型作为衬底,而PMOS则相反。这对晶体管功能有几个影响,最明显的是漏极电流方向和电压极性:阈值电压V TH、V GS和V DS为负。其次,电荷载流子不一样:NMOS使用电子,PMOS使用空穴作为多数载流子。这极大地影响了K常数,导致了几个差异:

  • NMOS比PMOS快;
  • NMOS的导通电阻几乎是PMOS的一半;
  • PMOS不易受噪声影响;
  • 对于相同的输出电流,NMOS晶体管的占位面积比PMOS更小;

NMOS因其优点而被更频繁地使用,但是许多应用也需要PMOS的极化特性。此外,在模拟和数字微电子学中,NMOS和PMOS都被广泛使用。特别是,最流行的MOS结构之一适用于两者:CMOS(互补 MOS)。

这种结构(如下图所示)充当数字反相器:当电压V G为低时,NMOS关闭,PMOS开启,形成从输出到V CC的低阻抗路径,而当V G为高时,NMOS打开并且PMOS关闭,导致接地的低阻抗路径。这可确保输出引脚始终连接到稳定且明确定义的电压,这对于数字系统至关重要。当然,NMOS和PMOS都应设计为对称运行。

NMOS符号、PMOS符号和CMOS符号

Body-Effect(体效应)

虽然晶体管的工作可以用栅极、漏极和源极来描述,但MOSFET实际上是一个4引脚器件。第四个端口称为body,它连接到晶体管的衬底。如果体和源极之间的电压不为零,晶体管将受到体效应的影响。体效应改变阈值电压V T并可用于动态修改晶体管的特性。然而,当体节点未直接连接到源电压时,通常会认为这是一种不良影响。为简单起见,本文中的每个方程都考虑V BS = 0V,因此体效应为零。

NMOS体效应


PMOS与NMOS晶体管结构

MOS晶体管建立在硅晶片之上,该工艺使用半导体掺杂和氧化物生长,以逐层方式创建N型、P型和绝缘区域。通过光刻和化学蚀刻获得几何形状。NMOS和PMOS横截面的简化图如下所示:

NMOS和PMOS横截面

可以看到,漏极和源极区域用N型掺杂剂 (NMOS) 或 P型掺杂剂 (PMOS) 进行强掺杂,而衬底则掺杂有相反的类型(NMOS为P 型,PMOS为N 型)。这种交替导致耗尽区阻止漏极和源极之间的任何电流。栅极连接到一层薄薄的二氧化硅,使栅极连接与衬底绝缘。当向栅极施加电压时,电场将少数载流子吸引到SiO2层下方的区域。这是MOSFET的“FET”(场效应晶体管)部分。

当该区域积累了足够的电荷时,少数载流子变为多数载流子,形成与漏极和源极相同类型的沟道(如下图所示),从而导致沟道反转的栅源电压是阈值电压V TH。这就是为什么NMOS需要正电压(吸引电子)而PMOS需要负电压(吸引空穴)来形成沟道。

NMOS晶体管中的沟道形成和夹断

只要V DS保持小于V GS – V TH,通道就会在固定 V GS (线性操作模式)下呈现欧姆电阻。之后,漏极附近的电荷浓度为零,沟道变得“受压”。这称为通道夹断,标志着饱和区域和线性区域之间的划分。随着V DS的增加,夹点移动并且通道的有效长度减小,将会导致通道长度调制效应。

NMOS和PMOS的应用

很难囊括NMOS和PMOS的所有应用,因为它们可以用作有源负载、压控电阻器、跨阻放大器、电流镜甚至电容器和二极管。因此,本文将简单介绍两种主流应用,即电压放大器和开关。但是,此处使用的理论知识可以应用于其它情况。

1、放大器

NMOS和PMOS都可以被认为是“电压到电流”转换器,因此可以通过简单地向电流输出添加电阻负载来设计电压放大器。但是,为了充当适当的电流源,漏极电流必须独立于漏极电压(换句话说,输出阻抗应该非常高)。因此,要用作电压放大器,MOSFET应在饱和区域内工作。此外,由于当前方程的高度非线性特性,输入信号应保持较小,以防止非线性效应。

MOSFET放大器主要分为三种类型:共源极、共漏极和共栅极。它们之间的区别在于每个引脚的作用。

  • 源:栅极作为输入,源极接固定电压,漏极接阻性负载进行放大。共源主要用于高增益和高输入阻抗。然而,增益是负的,并且电路的频率受到米勒效应的限制。
  • 共栅极:使用源极作为输入,漏极作为输出,而栅极连接到固定电压。在这个放大器中,输入阻抗很小,因为信号连接到源。然而,它消除了米勒效应,因此提供了更好的带宽。此外,增益是正的。它通常用于高频应用和电流到电压的转换。
  • 共漏极:此放大器将漏极连接到固定电压,使用栅极作为输入,源极作为输出。这种拓扑结构主要用于缓冲器,因为它为电压提供了稳定的线性单位增益。
下图是使用NMOS的共源、共漏和共栅放大器电路:


使用 NMOS 的共源、共漏和共栅放大器。

这些放大器的电路设计和分析可以通过三个主要步骤完成:

  1. 根据设计的增益要求和频率特性选择拓扑。
  2. 设计一个直流极化电路,为晶体管提供一个偏置点。当然,必须选择极化以使晶体管保持在饱和点,同时为输出信号提供足够的线性度和裕量,偏置点还将决定晶体管的跨导。
  3. 使用MOSFET的小信号线性化模型,设计电路以提供所需的增益、频率特性、输入和输出阻抗、噪声等。

2、开关

一个好的开关可以由两个特性来定义:它在关闭时提供非常大的阻抗,在打开时提供非常小的阻抗。如果它未能打开电路,泄漏电流将通过,信号路径将变得不受控制。如果它未能关闭,电压降会削弱信号并且功率损耗会增加。

MOSFET在这两种特性上都非常好,因为它们在截止区域提供了非常大的阻抗路径,而在线性区域提供了非常小的串联电阻。此外,命令信号与信号路径隔离,显着简化了控制电路。低开电阻和高栅极阻抗在开关模式电源转换器中是非常需要的,因为它们显着提高了效率。此外,MOS开关的小尺寸极大地提高了一个芯片内逻辑端口的密度,这是现代技术数字发展的基础。

NMOS和PMOS晶体管都可以用作开关,应用取决于控制信号和电流方向。在可以修改MOSFET尺寸的微电子应用中,重要的是设计晶体管以在闭合状态下获得非常低的电阻点,这可以通过修改W和L以及技术来实现。

此外,寄生电容应最小化,以防止在开路状态下通过晶体管的串扰。峰值电压、电荷注入、最大电流和开关时间也是应该控制的参数示例。对于使用分立MOSFET的应用(大多数开关模式电源转换器的情况),应考虑所有上述要求以及散热和栅极驱动来选择晶体管开关。

MOSFET开关有多种拓扑结构,下图显示了三种不同的实现:一个简单的NMOS开关、一个允许双向电流的传输门和一个CMOS数字反相器,可以看作是一个互补开关。

NMOS 开关、双向开关传输门和CMOS反相器

总结

简单来说,NMOS和PMOS是MOSFET的两种形式,二者的结构和作用相反,但是在CMOS设计里,PMOS和NMOS都是同等重要的。

关于CMOS技术,可以访问CMOS和NMOS技术的区别差异

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