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CMOS器件基本概念（2页）1 什么是MOS器件2 MOS器件的特点3 CMOS器件的工作原理4 CMOS器件的功能及应用5 CMOS器件的制作工艺

Answer 1

力MOS场效应晶体管 电力MOS场效应管
通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），简称电力MOSFET（Power MOSFET）
结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）。 是一种单极型的电压控制全控型器件。
特点——用栅极电压来控制漏极电流
输入阻抗高
驱动电路简单，需要的驱动功率小。
开关速度快，工作频率高。
热稳定性优于GTR。
电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 。
电力MOSFET的种类
按导电沟道可分为P沟道和N沟道。
耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。
增强型——对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。
电力MOSFET主要是N沟道增强型。
电力MOSFET的结构
小功率MOS管是横向导电器件。
电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。
按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。
这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。
电力MOSFET的工作原理（N沟道增强型VDMOS）
截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。
P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。
导电：在栅源极间加正电压UGS
当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 。
电力MOSFET的基本特性
(1)静态特性
漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。
ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。
(2)MOSFET的漏极伏安特性（即输出特性）：
截止区（对应于GTR的截止区）
饱和区（对应于GTR的放大区）
非饱和区（对应GTR的饱和区）
工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。
漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时导通。
通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。
(3)动态特性
开通过程
开通延迟时间td(on)
上升时间tr
开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和
关断过程
关断延迟时间td(off)
下降时间tf
关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和
MOSFET的开关速度
MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。
可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。
不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。
开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。
场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。
开关频率越高，所需要的驱动功率越大。
电力MOSFET的主要参数
除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：
(1)漏极电压UDS——电力MOSFET电压定额
(2)漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM——电力MOSFET电流定额
(3)栅源电压UGS—— UGS�8�6>20V将导致绝缘层击穿 。
(4)极间电容——极间电容CGS、CGD和CDS
另一种介绍说明：
场效应管（Fjeld Effect Transistor简称FET ）是利用电场效应来控制半导体中电流的一种半导体器件，故因此而得名。场效应管是一种电压控制器件，只依靠一种载流子参与导电，故又称为单极型晶体管。与双极型晶体三极管相比，它具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗小、制造工艺简单和便于集成化等优点。
场效应管有两大类，结型场效应管JFET和绝缘栅型场效应管IGFET，后者性能更为优越，发展迅速，应用广泛。图Z0121 为场效应管的类型及图形、符号。
一、结构与分类
图 Z0122为N沟道结型场效应管结构示意图和它的图形、符号。它是在同一块N型硅片的两侧分别制作掺杂浓度较高的P型区（用P 表示），形成两个对称的PN结，将两个P区的引出线连在一起作为一个电极，称为栅极（g），在N型硅片两端各引出一个电极，分别称为源极（s）和漏极（d）。在形成PN结过程中，由于P 区是重掺杂区，所以N一区侧的空间电荷层宽度远大
二、工作原理
N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同，只是偏置电压的极性和载流子的类型不同而已。下面以N沟道结型场效应管为例来分析其工作原理。电路如图Z0123所示。由于栅源间加反向电压，所以两侧PN结均处于反向偏置，栅源电流几乎为零。漏源之间加正向电压使N型半导体中的多数载流子-电子由源极出发，经过沟道到达漏极形成漏极电流ID。
1．栅源电压UGS对导电沟道的影响（设UDS＝0）
在图Z0123所示电路中，UGS ＜0，两个PN结处于反向偏置，耗尽层有一定宽度，ID=0。若|UGS| 增大，耗尽层变宽，沟道被压缩，截面积减小，沟道电阻增大；若|UGS| 减小，耗尽层变窄，沟道变宽，电阻减小。这表明UGS控制着漏源之间的导电沟道。当UGS负值增加到某一数值VP时，两边耗尽层合拢，整个沟道被耗尽层完全夹断。（VP称为夹断电压）此时，漏源之间的电阻趋于无穷大。管子处于截止状态，ID＝0。
2．漏源电压UGS对漏极电流ID的影响（设UGS＝0）
当UGS＝0时，显然ID＝0；当UDS＞0且尚小对，P N结因加反向电压，使耗尽层具有一定宽度，但宽度上下不均匀，这是由于漏源之间的导电沟道具有一定电阻，因而漏源电压UDS沿沟道递降，造成漏端电位高于源端电位，使近漏端PN结上的反向偏压大于近源端，因而近漏端耗尽层宽度大于近源端。显然，在UDS较小时，沟道呈现一定电阻，ID随UDS成线性规律变化（如图Z0124曲线OA段）；若UGS再继续增大，耗尽层也随之增宽，导电沟道相应变窄，尤其是近漏端更加明显。
由于沟道电阻的增大，ID增长变慢了（如图曲线AB段），当UDS增大到等于|VP|时，沟道在近漏端首先发生耗尽层相碰的现象。这种状态称为预夹断。这时管子并不截止，因为漏源两极间的场强已足够大，完全可以把向漏极漂移的全部电子吸引过去形成漏极饱和电流IDSS （这种情况如曲线B点）：当UDS＞|VP|再增加时，耗尽层从近漏端开始沿沟道加长它的接触部分，形成夹断区 。
由于耗尽层的电阻比沟道电阻大得多，所以比|VP|大的那部分电压基本上降在夹断区上，使夹断区形成很强的电场，它完全可以把沟道中向漏极漂移的电子拉向漏极，形成漏极电流。因为未被夹断的沟道上的电压基本保持不变，于是向漏极方向漂移的电子也基本保持不变，管子呈恒流特性（如曲线BC段）。但是，如果再增加UDS达到BUDS时（BUDS称为击穿电压）进入夹断区的电子将被强电场加速而获得很大的动能，这些电子和夹断区内的原子碰撞发生链锁反应，产生大量的新生载流予，使ID急剧增加而出现击穿现象（如曲线CD段）。
由此可见，结型场效应管的漏极电流ID受UGS和UDS的双重控制。这种电压的控制作用，是场效应管具有放大作用的基础。
三、特性曲线
1．输出特性曲线
输出特性曲线是栅源电压UGS取不同定值时，漏极电流ID 随漏源电压UDS 变化的一簇关系曲线，如图Z0124所示。由图可知，各条曲线有共同的变化规律。UGS越负，曲线越向下移动）这是因为对于相同的UDS，UGS越负，耗尽层越宽，导电沟道越窄，ID越小。
由图还可看出，输出特性可分为三个区域即可变电阻区、恒流区和击穿区。
◆可变电阻区：预夹断以前的区域。其特点是，当0＜UDS＜|VP|时，ID几乎与UDS呈线性关系增长，UGS愈负，曲线上升斜率愈小。在此区域内，场效应管等效为一个受UGS控制的可变电阻。
◆恒流区：图中两条虚线之间的部分。其特点是，当UDS＞|VP|时，ID几乎不随UDS变化，保持某一恒定值。ID的大小只受UGS的控制，两者变量之间近乎成线性关系，所以该区域又称线性放大区。
◆击穿区：右侧虚线以右之区域。此区域内UDS＞BUDS，管子被击穿，ID随UDS的增加而急剧增加。
2．转移特性曲线
当UDS一定时，ID与UGS之间的关系曲线称为转移特性曲线。实验表明，当UDS＞|VP|后，即恒流区内，ID 受UDS影响甚小，所以转移特性通常只画一条。在工程计算中，与恒流区相对应的转移特性可以近似地用下式表示：Id=Idss(1-Ugs/Vp)(1-Ugs/Vp)
式GS0127中VP≤UGS≤0，IDSS是UGS＝0时的漏极饱和电流。

Answer 2

2.2 CMOS集成电路的性能及特点 （1）功耗低：CMOS集成电路采用场效应管，且都是互补结构，工作时两个串联的场效应管总是处于一个管导通，另一个管截止的状态，电路静态功耗理论上为零。实际上，由于存在漏电流，CMOS电路尚有微量静态功耗。单个门电路的功耗典型值仅为20mW，动态功耗（在1MHz工作频率时）也仅为几mW。（2）工作电压范围宽：CMOS集成电路供电简单，供电电源体积小，基本上不需稳压。国产CC4000系列的集成电路，可在3~18V电压下正常工作。（3）逻辑摆幅大:CMOS集成电路的逻辑高电平“1”、逻辑低电平“0”分别接近于电源高电位VDD及电影低电位VSS。当VDD=15V，VSS=0V时，输出逻辑摆幅近似15V。因此，CMOS集成电路的电压电压利用系数在各类集成电路中指标是较高的。 (4)抗干扰能力强:CMOS集成电路的电压噪声容限的典型值为电源电压的45%，保证值为电源电压的30%。随着电源电压的增加，噪声容限电压的绝对值将成比例增加。对于VDD=15V的供电电压（当VSS=0V时），电路将有7V左右的噪声容限。(5)输入阻抗高:CMOS集成电路的输入端一般都是由保护二极管和串联电阻构成的保护网络，故比一般场效应管的输入电阻稍小，但在正常工作电压范围内，这些保护二极管均处于反向偏置状态，直流输入阻抗取决于这些二极管的泄露电流，通常情况下，等效输入阻抗高达103~1011Ω，因此CMOS集成电路几乎不消耗驱动电路的功率。(6)温度稳定性能好:由于CMOS集成电路的功耗很低，内部发热量少，而且，CMOS电路线路结构和电气参数都具有对称性，在温度环境发生变化时，某些参数能起到自动补偿作用，因而CMOS集成电路的温度特性非常好。一般陶瓷金属封装的电路，工作温度为-55 ~ +125℃；塑料封装的电路工作温度范围为-45 ~ +85℃。(7)扇出能力强:扇出能力是用电路输出端所能带动的输入端数来表示的。由于CMOS集成电路的输入阻抗极高，因此电路的输出能力受输入电容的限制，但是，当CMOS集成电路用来驱动同类型，如不考虑速度，一般可以驱动50个以上的输入端。(8)抗辐射能力强:CMOS集成电路中的基本器件是MOS晶体管，属于多数载流子导电器件。各种射线、辐射对其导电性能的影响都有限，因而特别适用于制作航天及核实验设备。(9)可控性好:CMOS集成电路输出波形的上升和下降时间可以控制，其输出的上升和下降时间的典型值为电路传输延迟时间的125%~140%。接口方便因为CMOS集成电路的输入阻抗高和输出摆幅大，所以易于被其他电路所驱动，也容易驱动其他类型的电路或器件。2.3 CMOS集成电路的工作原理 下面我们通过CMOS集成电路中的一个最基本电路-反相器（其他复杂的CMOS集成电路大多是由反相器单元组合而成）入手，分析一下它的工作过程。利用一个P沟道MOS管和一个N沟道MOS管互补连接就构成了一个最基本的反相器单元电路如附图所示。图中VDD为正电源端，VSS为负电源端。电路设计采用正逻辑方法，即逻辑“1”为高电平，逻辑“0”为低电平。 附图中，当输入电压VI为底电平“0”（VSS）时，N沟道MOS管的栅-源电压VGSN=0V（源极和衬底一起接VSS），由于是增强型管，所以管子截止，而P沟道MOS管的栅-源电压VGSN=VSS—VDD。若| VSS—VDD |>| VTP|（MOS管开启电压），则P沟道MOS管导通，所以输出电压V0为高电平“1”（VDD），实现了输入和输出的反相功能。当输入电压VI为底电平“1”（VDD）时，VGSN=（VDD—VSS）。若（VDD—VSS）> VGSN ，则N沟道MOS管导通，此时VGSN=0V， P沟道MOS管截止，所以输出电压V0为低电平“0”（VSS），与VI互为反相关系由上述分析可知，当输入信号为“0”或“1”的稳定状态时，电路中的两个MOS管总有一个处于截止状态，使得VDD和VSS之间无低阻抗直流通路，因此静态功耗极小。这便是CMOS集成电路最主要的特点。