一文详解N沟道MOS管和P沟道MOS管

MOS集成电路的特点如下：

• 制造工艺简单，成品率高。
• 功耗低，组成的逻辑电路简单。
• 集成度高，抗干扰能力强。
• 特别适合于大规模集成电路。

MOS集成电路包括以下几种类型：

• 由NMOS管组成的NMOS电路。
• 由PMOS管组成的PMOS电路。
• 由NMOS和PMOS两种管子组成的互补MOS电路，即CMOS电路。

PMOS门电路和NMOS电路的原理完全相同，只是电源极性相反。

在数字电路中，MOS集成电路所使用的MOS管均为增强型管子。常用的符号如下： [N沟MOS晶体管]

MOS晶体管是指金属-氧化物-半导体（Metal-Oxide-SemIConductor）结构的晶体管。它分为P型MOS管和N型MOS管。由MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，而由PMOS管和NMOS管共同构成的互补型MOS集成电路称为CMOS集成电路。

N沟道MOS管由p型衬底和两个高浓度n扩散区构成。当该管导通时，在两个高浓度n扩散区之间形成n型导电沟道。要使n沟道增强型MOS管导通，必须在栅极上施加正向偏压，并且只有当栅源电压大于阈值电压时，才会产生导电沟道。而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集成电路是指N沟道MOS电路。它的输入阻抗很高，基本上不需要吸收电流，因此在与CMOS集成电路连接时，不必考虑电流的负载问题。大多数NMOS集成电路采用单组正电源供电，并且通常以5V为多。只要CMOS集成电路选用与NMOS集成电路相同的电源，它们就可以直接连接。然而，从NMOS到CMOS的直接连接时，由于NMOS输出的高电平低于CMOS集成电路的输入高电平，因此需要使用一个上拉电阻R，R的取值一般选用2～100KΩ。

N沟道增强型MOS管的结构如下：

1. 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，分别作为漏极d和源极s。

2. 然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏极和源极之间的绝缘层上再装上一个铝电极，作为栅极g。

3. 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）。

4. 它的栅极与其他电极间是绝缘的。

下图(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

N沟道MOS晶体管的结构如下：

• 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）。
• 它的栅极与其他电极间是绝缘的。

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。

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。

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，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。

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抱歉，由于模型受到字数限制，无法完整回答您的问题。请提供更具体的问题，我将尽力为您提供帮助。

N沟道增强型MOS管的结构如下：

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）。

它的栅极与其他电极间是绝缘的。

以下是对增强型MOS管工作原理的描述：

1. 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，所以此时漏极电流iD≈0。

2. 当vGS > 0时，栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中会产生一个电场。电场方向垂直于半导体表面，由栅极指向衬底的电场。这个电场能够排斥空穴并吸引电子。

• 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）吸引到衬底表面。

3. 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。当vGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子增多。当vGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面形成一个N型薄层，并与两个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，因此又称为反型层。随着vGS的增大，作用于半导体表面的电场越强，吸引到P衬底表面的电子越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。

4. 开启电压和管子工作区域：开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压（开启电压记作VT）。当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，才有导电沟道形成。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。沟道形成后，在漏-源极间加上正向电压vDS，就会产生漏极电流iD。

5. 漏极电流随漏-源电压的变化：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。随着vDS的增大，导电沟道的电阻会增加，漏极电流也会增加，但增长速率较慢。当vDS增大到一定程度时，导电沟道的电阻急剧增加，漏极电流几乎不再增加，此时管子处于饱和状态。

总之，N沟道增强型MOS管通过调节栅极电压来控制导电沟道的形成和截止，从而实现对漏极电流的控制。它在数字电路和模拟电路中广泛应用，例如作为开关、放大器和逻辑门等元件。

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。

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，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。

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。

如图(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，增强型MOS管进入饱和区。在饱和区，沟道电阻不再是固定的，而是随着vDS的增加而增加。当vDS继续增大时，沟道电阻的增加导致漏极电流增加的速度变慢，直到达到饱和电流值。

总结一下，增强型MOS管的工作原理如下：

1. 当vGS < VT时，管子处于截止状态，没有导电沟道形成，漏极电流接近于零。
2. 当vGS ≥ VT时，形成导电沟道，漏极电流随着vDS的增加而增加。
3. 在饱和区，漏极电流增加的速度变慢，直到达到饱和电流值。

需要注意的是，以上是对增强型N沟道MOS管的描述，对于增强型P沟道MOS管，沟道和掺杂类型相反，但工作原理类似。

请注意，上述描述是基于传统的MOS管工作原理，可能不适用于最新的技术进展和特殊设计。

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P沟道MOS晶体管是一种金属氧化物半导体场效应晶体管，具有以下特点和工作原理：

1. 结构：P沟道MOS晶体管在N型硅衬底上具有两个P+区，分别称为源极和漏极。当栅极施加足够的正电压（源极接地）时，N型硅表面形成P型反型层，连接源极和漏极的沟道形成。

2. 区别：P沟道MOS管与N沟道增强型MOS管的区别在于导电沟道的形成条件。P沟道MOS管在没有栅压时就存在P型反型层沟道，而N沟道增强型MOS管需要栅极电压大于阈值电压（VT）才会形成导电沟道。

3. 原因：制造P沟道MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+，使得即使在没有栅压时，由于这些正离子产生的电场作用，漏极和源极之间的P型衬底表面也能感应生成P沟道（称为初始沟道）。加上正向电压vDS后，沟道中会有电流iD流过。

4. 电流方程：P沟道MOS晶体管的电流方程与N沟道增强型MOS晶体管类似，可以通过调节栅极电压vGS来控制沟道中的电子密度，从而改变沟道的电阻。

总体而言，P沟道MOS晶体管在几何尺寸和工作电压相同的情况下，具有较低的跨导和较高的阈值电压，需要较高的工作电压。由于其工作速度较慢，多数应用场景已被N沟道MOS晶体管所取代。然而，由于其工艺简单且价格便宜，一些中小规模的数字控制电路仍然采用P沟道MOS技术。

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