MOS電路簡介

MOS電路為單極型集成電路，又稱為MOS集成電路，它采用金屬－氧化物半導體場效應管(Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor,縮寫為MOSFET)制造，其主要特點是結構簡單、制造方便、集成度高、功耗低，但速度較慢。

MOS集成電路又分為PMOS(P-channel Metal Oxide Semiconductor，P溝道金屬氧化物半導體)、NMOS(N-channel Metal Oxide Semiconductor，N溝道金屬氧化物半導體)和CMOS(Complement Metal Oxide Semiconductor，復合互補金屬氧化物半導體)等類型。

MOS電路的應用

MOS電路中應用最廣泛的為CMOS電路，CMOS數字電路中，應用最廣泛的為4000、4500系列，它不但適用于通用邏輯電路的設計，而且綜合性能也很好，它與TTL電路一起成為數字集成電路中兩大主流產品。CMOS數字集成電路電路主要分為4000（4500系列）系列、54HC/74HC系列、54HCT/74HCT系列等，實際上這三大系列之間的引腳功能、排列順序是相同的，只是某些參數不同而已。

例如，74HC4017與CD4017為功能相同、引腳排列相同的電路，前者的工作速度高，工作電源電壓低。4000系列中目前最常用的是B系列，它采用了硅柵工藝和雙緩沖輸出結構。

Bi-CMOS是雙極型CMOS（Bipolar-CMOS）電路的簡稱，這種門電路的特點是邏輯部分采用CMOS結構，輸出級采用雙極型三極管，因此兼有CMOS電路的低功耗和雙極型電路輸出阻抗低的優點。

低壓應用

當使用5V電源，這時候如果使用傳統的圖騰柱結構，由于三極管的be有0.7V左右的壓降，導致實際最終加在gate上的電壓只有4.3V。這時候，我們選用標稱gate電壓4.5V的MOS管就存在一定的風險。同樣的問題也發生在使用3V或者其他低壓電源的場合。

寬電壓應用

輸入電壓并不是一個固定值，它會隨著時間或者其他因素而變動。這個變動導致PWM電路提供給MOS管的驅動電壓是不穩定的。為了讓MOS管在高gate電壓下安全，很多MOS管內置了穩壓管強行限制gate電壓的幅值。在這種情況下，當提供的驅動電壓超過穩壓管的電壓，就會引起較大的靜態功耗。同時，如果簡單的用電阻分壓的原理降低gate電壓，就會出現輸入電壓比較高的時候，MOS管工作良好，而輸入電壓降低的時候gate電壓不足，引起導通不夠徹底，從而增加功耗。

雙電壓應用

在一些控制電路中，邏輯部分使用典型的5V或者3.3V數字電壓，而功率部分使用12V甚至更高的電壓。兩個電壓采用共地方式連接。這就提出一個要求，需要使用一個電路，讓低壓側能夠有效的控制高壓側的MOS管，同時高壓側的MOS管也同樣會面對1和2中提到的問題。在這三種情況下，圖騰柱結構無法滿足輸出要求，而很多現成的MOS驅動IC，似乎也沒有包含gate電壓限制的結構。

MOS電路圖

P溝道MOS管開關電路

下圖是兩種P溝道MOS管開關電路應用：其中第一種NMOS管為高電平導通，低電平截斷，Drain端接后面電路的接地端；第二種為P溝道MOS管開關電路，為高電平斷開，低電平導通，Drain端接后面電路的VCC端。

P溝道MOS管開關電路工作原理

金屬氧化物半導體場效應(MOS)晶體管可分為N溝道與P溝道兩大類， P溝道硅MOS場效應晶體管在N型硅襯底上有兩個P+區，分別叫做源極和漏極，兩極之間不通導，柵極上加有足夠的正電壓(源極接地)時，柵極下的N型硅表面呈現P型反型層，成為銜接源極和漏極的溝道。改動柵壓可以改動溝道中的電子密度，從而改動溝道的電阻。這種MOS場效應晶體管稱為P溝道增強型場效應晶體管。

假設N型硅襯底表面不加柵壓就已存在P型反型層溝道，加上恰當的偏壓，可使溝道的電阻增大或減小。這樣的MOS場效應晶體管稱為P溝道耗盡型場效應晶體管。統稱為PMOS晶體管。

P溝道MOS晶體管的空穴遷移率低，因而在MOS晶體管的幾何尺寸和工作電壓絕對值相等的情況下，PMOS晶體管的跨導小于N溝道MOS晶體管。此外，P溝道MOS晶體管閾值電壓的絕對值普通偏高，懇求有較高的工作電壓。它的供電電源的電壓大小和極性，與雙極型晶體管——晶體管邏輯電路不兼容。PMOS因邏輯擺幅大，充電放電過程長，加之器件跨導小，所以工作速度更低，在P溝道MOS管開關電路(見N溝道金屬—氧化物—半導體集成電路)呈現之后，多數已為NMOS電路所取代。

只是，因PMOS電路工藝簡單，價錢低價，有些中范圍和小范圍數字控制電路仍采用PMOS電路技術。PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會導通，適宜用于源極接VCC時的情況（高端驅動）。但是，固然PMOS可以很便當地用作高端驅動，但由于導通電阻大，價錢貴，交流種類少等緣由，在高端驅動中，通常還是運用NMOS。

正常工作時，P溝道增強型MOS管的襯底必需與源極相連，而漏心極的電壓Vds應為負值，以保證兩個P區與襯底之間的PN結均為反偏，同時為了在襯底頂表面左近構成導電溝道，柵極對源極的電壓Vgs也應為負。

1．Ｖds≠Ｏ的情況導電溝道構成以后，ＤＳ間加負向電壓時，那么在源極與漏極之間將有漏極電流Ｉd流通，而且Ｉd隨Vds而增加．Ｉd沿溝道產生的壓降使溝道上各點與柵極間的電壓不再相等，該電壓削弱了柵極中負電荷電場的作用，使溝道從漏極到源極逐漸變窄．當Ｖds增大到使Ｖgd＝Ｖgs（TH），溝道在漏極左近呈現預夾斷．

2．導電溝道的構成（Ｖds＝0）當Vds=0時，在柵源之間加負電壓Vgs，由于絕緣層的存在，故沒有電流，但是金屬柵極被補充電而聚集負電荷，Ｎ型半導體中的多子電子被負電荷排斥向體內運動，表面留下帶正電的離子，構成耗盡層，隨著Ｇ、Ｓ間負電壓的增加，耗盡層加寬，當Vgs增大到一定值時，襯底中的空穴（少子）被柵極中的負電荷吸收到表面，在耗盡層和絕緣層之間構成一個Ｐ型薄層，稱反型層，這個反型層就構成漏源之間的導電溝道，這時的Ｖgs稱為開啟電壓Vgs（th），Vgs到Vgs（th）后再增加，襯底表面感應的空穴越多，反型層加寬，而耗盡層的寬度卻不再變化，這樣我們可以用Vgs的大小控制導電溝道的寬度。

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