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cmos门电路逻辑功能的判断(一文看懂CMOS集成门电路)

cmos门电路逻辑功能的判断(一文看懂CMOS集成门电路)增强型NMOS管是以P型掺杂硅片为衬底,然后制作两个N型掺杂的区域,再制作一层电介质绝缘层,在两个N型掺杂的区域用金属导线连出,分别称为源极(source)和漏极(drain),在两极中间的绝缘层上制作金属导电层,然后用导向连出称为栅极(gate),衬底一般也用导线连出和源极连接在一起。增强型NMOS管的结构MOS管的图形符号如下,一般用增强型MOS管用于门电路分析。MOS管图形符号增强型MOS管有P沟道和N沟道两种,其结构原理基本类似,主要区别在于沉底和载流子不同,下面以N沟道增强型MOS管为例简单介绍下,其结构如下所示:

CMOS门电路由PMOS场效应管和NMOS场效应管以对称互补的形式组成,本文先介绍MOS管,然后再介绍由CMOS组成的门电路。

MOS英文全称Metal Oxide Semiconductor,中文全称是金属-氧化物-半导体场效应晶体管,属于一种电压控制型器件,正如其名,由金属(M),氧化物(O)和半导体(S)构成,和三极管一样,既可以用来放大电路,也可以当作开关使用,MOS管基本原理和制造流程。

MOS管可分为耗尽型增强型,每种类型又分为P沟道和N沟道。

增强型MOS管,栅极与衬底之间不加电压时,栅极下面没有沟道存在,耗尽型,栅极与衬底之间不加电压时,栅极下面已沟道存在。

MOS管的图形符号如下,一般用增强型MOS管用于门电路分析。

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MOS管图形符号

增强型MOS管有P沟道和N沟道两种,其结构原理基本类似,主要区别在于沉底和载流子不同,下面以N沟道增强型MOS管为例简单介绍下,其结构如下所示:

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增强型NMOS管的结构

增强型NMOS管是以P型掺杂硅片为衬底,然后制作两个N型掺杂的区域,再制作一层电介质绝缘层,在两个N型掺杂的区域用金属导线连出,分别称为源极(source)和漏极(drain),在两极中间的绝缘层上制作金属导电层,然后用导向连出称为栅极(gate),衬底一般也用导线连出和源极连接在一起。

增强型MOS管需要在栅极加合适的电压才能工作,下面说明其工作原理:

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增强型NMOS管工作原理

电源E1通过R1加到场效应管D S极,电源E2通过开关S加到G S极。

当开关S断开时,栅极无电压,由于衬底是P型,多数载流子是空穴;源,漏极是N型掺杂,多数载流子是电子,熟悉PN节的读者可以很快看出来,源极和漏极之间有两个背靠背的PN节,即使源,漏极加上电压,总有一个PN节处于反偏状态,源漏极之间没有导电沟道,所以电流为0;

当开关S闭合,场效应管栅极获得正电压,上面会带有正电荷,它产生的电场穿过电介质,将P衬底中的电子吸引过来并聚集,从而在两个都是N型掺杂的源漏极之间出现导电沟道,由于此时漏源之间加上的是正向电压,于是就会有电流从漏极流入,再经过导电沟道从S极流出,一般把形成沟道时的栅源极电压称为开启电压,用Vt表示,也即是图中E2电压。

如果改变E2电压大小,栅极下面的电场大小随之变化,吸引过来的电子数量也会发生变化,两个N区之间沟道宽度就会随之变化,通过的漏源极的电流大小就会发生变化。E2电压越高,沟道就会越宽,电流就会越大。

增强型MOS管的特点如下:

  1. G S极之间未加电压时,D S极之间没有沟道,电流为0;
  2. G S极之间加上开启电压后,D S极之间有沟道形成,D S极之间有电流

为分析方便,可以认为当NMOS管,G极为高电平时导通,为低电平时截止;对于PMOS则相反,G极为低电平时导通,高电平时截止

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