金属氧化物半导体晶体管或MOS晶体管是逻辑芯片、处理器和现代数字存储器的基本组成部分。它是一种多数载流子器件，其中源极和漏极之间的导电沟道内的电流由施加到栅极的电压调制。这种MOS晶体管在各种模拟和混合信号IC中起着关键作用。这种晶体管具有很强的适应性，因此可以作为放大器、开关或电阻器。MOS晶体管分为PMOS和NMOS两种类型。因此，本文对NMOS晶体管–制造、电路和工作。


什么是NMOS晶体管？

NMOS（n沟道金属氧化物半导体）晶体管是在栅极区域中使用n型掺杂剂的一种类型的晶体管。栅极端子上的正（+ve）电压使器件导通。这种晶体管主要用于CMOS（互补金属氧化物半导体）设计，也用于逻辑和存储芯片。与PMOS晶体管相比，这种晶体管速度非常快，因此可以在单个芯片上放置更多的晶体管。NMOS晶体管符号如下所示。

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象征

NMOS晶体管是如何工作的？

NMOS晶体管的工作是；当NMOS晶体管接收到不可忽略的电压时，它形成闭合电路，这意味着从源极端子到漏极的连接起到布线的作用。因此电流从栅极端子流向源极。类似地，当该晶体管接收到大约0V的电压时，它形成开路，这意味着从源极端子到漏极的连接将被断开，因此电流从栅极端子流到漏极。

NMOS晶体管的横截面

一般来说，NMOS晶体管简单地由两个n型半导体区域与p型体构建，这两个n类型半导体区域与称为源极和漏极的栅极相邻。这个晶体管有一个控制栅极，控制源极和漏极端子之间的电子流。

Cross Section of NMOS Transistor
NMOS晶体管的横截面

在该晶体管中，由于晶体管的主体接地，所以朝向主体的源极和漏极的PN结被反向偏置。如果栅极端子处的电压增加，则电场将开始增加，并将自由电子吸引到Si-SiO2界面的基极。

一旦电压足够高，电子就会填充所有的空穴&栅极下方的一个薄区域，即沟道，将被反转为n型半导体。这将通过允许电流流动，形成从源极端子到漏极的导电通道，因此晶体管将导通。如果栅极端子接地，则反向偏置结中没有电流流动，因此晶体管关闭。

NMOS晶体管电路

使用PMOS和NMOS晶体管的NOT栅极设计如下所示。为了设计NOT门，我们需要通过将pMOS晶体管连接到源极和将nMOS晶体管连接到地来组合pMOS和nMOS晶体管。所以电路将是我们的第一个CMOS晶体管的例子。

非门是一种产生反相输入作为输出的逻辑门。这个门也被称为反相器。如果输入为“0”，则反相输出将为“1”。

NOT Gate Design with PMOS & NMOS
使用PMOS和NMOS的NOT栅极设计

当输入为零时，它进入顶部的pMOS晶体管，向下进入底部的nMOS晶体管。一旦输入值“0”到达pMOS晶体管，它就会反转为“1”。因此，朝向源的连接被停止。因此，如果朝向漏极（GND）的连接也关闭，这将生成逻辑“1”值。我们知道nMOS晶体管不会使输入值反相，因此它会保持零值，并会使漏极开路。因此，为门生成一个逻辑1值。

类似地，如果输入值是“1”，则该值被发送到上述电路中的两个晶体管。一旦“1”值接收到pMOS晶体管，那么它将反转为“o”。因此，指向源的连接是开放的。一旦nMOS晶体管接收到“1”值，那么它就不会被反相。因此，输入值保持为一。一旦nMOS晶体管接收到一个值，则朝向GND的连接闭合。因此，它将生成一个逻辑“0”作为输出。

制造工艺

在NMOS晶体管的制造工艺中涉及许多步骤。相同的工艺可以用于PMOS和CMOS晶体管。在这种制造中最常用的材料是多晶硅或金属。下面将讨论NMOS晶体管的分步制造工艺步骤。

第1步：

通过简单地掺杂硼材料，薄硅晶片层变为P型材料。

第2步：

在完整的p型衬底上生长厚的Sio2层

第3步：

现在，表面通过光刻胶涂覆在厚的Sio2层上。

第4步：

之后，用掩模将该层暴露于紫外光下，该掩模描述了将与晶体管沟道一起发生扩散的那些区域。

步骤5：

这些区域与下面的Sio2相互蚀刻掉，使得晶片的表面暴露在通过掩模限定的窗口内。

第6步：

分离残留的光致抗蚀剂，并在芯片的整个表面上生长0.1微米的薄Sio2层。接下来，将多晶硅定位在其上以形成栅极结构。将光致抗蚀剂放置在完整的多晶硅层上，并在整个掩模2中暴露紫外光。

步骤7：

通过将晶片加热到最高温度，可以实现扩散&使气体通过所需的n型杂质，如磷。

第8步：

一微米厚的二氧化硅在其上生长，并在其上放置光刻胶材料。通过掩模3暴露紫外线（UV），在栅极、源极和漏极的优选区域进行蚀刻，以形成接触切口。

步骤9：

现在，像铝这样的金属被放置在其一微米宽的表面上。再次在金属上生长光致抗蚀剂材料，并通过掩模4暴露于紫外线下，掩模4是强制性互连设计的蚀刻形式。最终的NMOS结构如下所示。

NMOS Transistor Fabrication Process
NMOS晶体管制造工艺

PMOS与NMOS晶体管

下面将讨论PMOS晶体管和NMOS晶体管之间的区别。

PMOS晶体管 NMOS晶体管
PMOS晶体管代表P沟道金属氧化物半导体晶体管。 NMOS晶体管代表N沟道金属氧化物半导体晶体管。
PMOS晶体管的源极和漏极简单地由n型半导体制成 NMOS晶体管中的源极和漏极简单地由p型半导体制成。
这个晶体管的衬底是用n型半导体制成的 这个晶体管的衬底是用p型半导体制成的
PMOS中的大多数载流子是空穴。 NMOS中的大多数电荷载流子是电子。
与NMOS相比，PMOS器件并不小。 与PMOS器件相比，NMOS器件相当小。
与NMOS器件相比，PMOS器件不能更快地切换。 与PMOS器件相比，NMOS器件可以更快地切换。
一旦向栅极提供低电压，PMOS晶体管将导通。 一旦向栅极提供高电压，NMOS晶体管将导通。
这些更不受噪音影响。 与PMOS相比，这些也不能免受噪声的影响。
该晶体管的阈值电压（Vth）是一个负的量。 该晶体管的阈值电压（Vth）是一个正的量。

特点

这个NMOS晶体管的I-V特性如下所示。栅极和源极端子之间的电压“V”<sub>天然气'&也在源极和漏极之间'V数据集’. 所以，我之间的曲线数据集和V数据集通过简单地将电源端子接地，设置初始VGS值和扫频V来实现数据集从“0”到由V给定的最高直流电压值日当步进V天然气从“0”到V的值日。所以对于极低的V天然气，我数据集非常小&将呈线性趋势。当V天然气值变高，然后我数据集增强并将具有以下对V的依赖性天然气&五数据集;

Characteristics
特点

如果V天然气小于或等于V真实航向，则晶体管处于断开状态，表现得像开路一样。

如果V天然气大于V真实航向，则有两种操作模式。

如果V数据集小于V天然气–V真实航向，则晶体管以线性模式工作，并作为电阻（R在).

入侵检测系统=u有效C公牛水/升[（V天然气–V真实航向)五数据集–½伏数据集^2]

哪里

“µeff”是电荷载流子的有效迁移率。

“COX”是每个单位面积的栅极氧化物的电容。

W和L相应地是通道的宽度和长度。R在该值简单地由栅极电压控制，如下所示；

R在=1个/个nC公牛水/升[（V天然气–V真实航向)五数据集–½伏数据集^2]

如果VDS大于或等于V天然气–V真实航向，则晶体管在饱和模式下工作

我数据集=单位nC公牛水/升[（V天然气–V真实航向)^2（1+λV数据集]

在这个地区，当我数据集越高，则电流对V的依赖性最小数据集然而，其最高值仅通过VGS进行控制。由于夹断，沟道长度调制“λ”通过晶体管中VDS的增加来解释IDS内的增加。一旦两个V数据集和V天然气决定靠近漏极区域的电场模式，从而改变自然供应电荷载流子的方向。这种效果缩短了有效通道的长度并增加了I数据集理想情况下，“λ”等于“0”，因此I数据集完全独立于V数据集饱和区域内的值。

因此，这一切都是关于NMOS晶体管的概述——制造和工作电路。NMOS晶体管在实现逻辑门以及其他不同的数字电路中起着关键作用。这是一种微电子电路，主要用于逻辑电路、存储芯片和CMOS设计。NMOS晶体管最流行的应用是开关和电压放大器。这里有一个问题要问你，什么是PMOS晶体管？