MOS管的開關(guān)特性.doc

數(shù)字邏輯難點(diǎn)輔導(dǎo)4/4MOS管的開關(guān)特性 MOS管最顯著的特點(diǎn)也是具有放大能力。不過它是通過柵極電壓uGS控制其工作狀態(tài)的，是一種具有放大特性的由電壓uGS控制的開關(guān)元件。一、 靜態(tài)特性 （一） 結(jié)構(gòu)示意圖、符號(hào)、漏極特性和轉(zhuǎn)移特性 1 結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào) 從圖2.1.12(a)所示結(jié)構(gòu)示意圖中可以看出，MOS管是由金屬-氧化物-半導(dǎo)體（Metal-Ox-ide-Semiconductor）構(gòu)成的。在P型襯底上，利用光刻、擴(kuò)散等方法，制作出兩個(gè)N+型區(qū)，并引出電極，分別叫做源極S和漏極D，同時(shí)在源極和漏極之間的二氧化硅SiO2絕緣層上，制作一個(gè)金屬電極柵極G，這樣得到的便是N溝道MOS管。2 漏極特性 反映漏極電流iD和漏極-源極間電壓uDS之間關(guān)系的曲線族叫做漏極特性曲線，簡(jiǎn)稱為漏極特性，也就是表示函數(shù) iD=f(uDS)|uGS 的幾何圖形，如圖2.1.13（a）所示。當(dāng)uGS為零或很小時(shí)，由于漏極D和源極S之間是兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，即使在漏極加上正電壓（uDS0V），MOS管中也不會(huì)有電流，也即管子處在截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)uGS大于開啟電壓UTN時(shí)，MOS管就導(dǎo)通了。因?yàn)樵赨GS=UTN（圖2.1.13中UTN=2V）時(shí)，柵極和襯底之間產(chǎn)生的電場(chǎng)已增加到足夠強(qiáng)的程度，把P型襯底中的電子吸引到交界面處，形成的N型層反型層，把兩個(gè)N+區(qū)連接起來，也即溝通了漏極和源極。所以，稱此管為N溝道增強(qiáng)型MOS管?？勺冸娮鑵^(qū)：當(dāng)uGSUTN后，在uDS比較小時(shí)，iD與uDS成近似線性關(guān)系，因此可把漏極和源極之間看成是一個(gè)可由uGS進(jìn)行控制的電阻，uGS越大，曲線越陡，等效電阻越小，如圖2.1.13（a）所示。恒流區(qū)(飽和區(qū))：當(dāng)uGSUTN后，在uDS比較大時(shí)，iD僅決定于uGS（飽和），而與uDS幾乎無關(guān)，特性曲線近似水平線，D、S之間可以看成為一個(gè)受uGS控制的電流源。在數(shù)字電路中，MOS管不是工作在截止區(qū)，就是工作在可變電阻區(qū)，恒流區(qū)只是一種瞬間即逝的過度狀態(tài)。3 轉(zhuǎn)移特性 反映漏極電流iD和柵源電壓uGS關(guān)系的曲線叫做轉(zhuǎn)移特性曲線，簡(jiǎn)稱為轉(zhuǎn)移特性，也就是表示函數(shù) iD=f(uGS)|uDS 的幾何圖形，如圖2.1.13（b ）所示。當(dāng)uGSUTN之后，只要在恒流區(qū)，轉(zhuǎn)移特性曲線基本上是重合在一起的。曲線越陡，表示uGS對(duì)iD的控制作用越強(qiáng)，也即放大作用越強(qiáng)，且常用轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率跨導(dǎo)gm來表示，即 4 P溝道增強(qiáng)型MOS管 上面講的是溝道增強(qiáng)型管。對(duì)于溝道增強(qiáng)型管，無論是結(jié)構(gòu)、符號(hào)，還是特性曲線，與溝道增強(qiáng)型管都有著明顯的對(duì)偶關(guān)系。其襯底是型硅，漏極和源極是兩個(gè)+區(qū)，而且它的uGS、uDS極性都是負(fù)的，開啟電壓TP也是負(fù)值。溝道增強(qiáng)型管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)、漏極特性和轉(zhuǎn)移特性如圖.所示。（二） MOS管的開關(guān)作用 開關(guān)應(yīng)用舉例 如圖.所示，是一個(gè)最簡(jiǎn)單的管開關(guān)電路，輸入電壓是u1，輸出電壓是uO。當(dāng)u1較小時(shí)，管是截止的，uO=UOH=VDD；當(dāng)u1較大時(shí)，管是導(dǎo)通的， ，由于RONRD，所以輸出為低電平，即uO=UOL。 靜態(tài)開關(guān)特性 （） 截止條件和截止時(shí)的特點(diǎn) 截止條件：當(dāng)管柵源電壓uGS小于其開啟電壓TN時(shí)，將處于截止?fàn)顟B(tài)，因?yàn)槁O和源極之間還未形成導(dǎo)電溝道，其等效電路如圖.（b）所示。 截止時(shí)的特點(diǎn)：iD=0，管如同一個(gè)斷開了的開關(guān)。（） 導(dǎo)通條件和導(dǎo)通時(shí)的特點(diǎn) 導(dǎo)通條件：當(dāng)uFS大于TN時(shí)，管將工作在導(dǎo)通狀態(tài)。 在數(shù)字電路中，管導(dǎo)通時(shí)，一般都工作在可變電阻區(qū)，其導(dǎo)通電阻ON只有幾百歐姆，較小。 導(dǎo)通時(shí)的特點(diǎn)：管導(dǎo)通之后，如同一個(gè)具有一定導(dǎo)通電阻ON閉合了的開關(guān)，起等效電路如圖.（c）所示。二、 動(dòng)態(tài)特性 （一） 管極間電容 MOS管三個(gè)電極之間，均有電容存在，它們分別是柵源電容、柵漏電容和漏源電容。、一般為pF，約為.pF。在數(shù)字電路中， 管的動(dòng)態(tài)特性，即開關(guān)速度是搜這些電容充、放電過程制約的。 （二） 開關(guān)時(shí)間 uI和iD的波形 在圖.（a）所示管開關(guān)電路中，當(dāng)u1為矩形波時(shí)，相應(yīng)iD的波形如圖.所示。 開通時(shí)間ton 當(dāng)u1由IL跳變到IHDD時(shí)，管需要經(jīng)過導(dǎo)通延遲時(shí)td1和上升時(shí)間tr之后，才能由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通狀態(tài)。開通時(shí)間ton=td1+tr 關(guān)斷時(shí)間toff 當(dāng)u1由IHDD跳變到IL時(shí)，管經(jīng)過關(guān)斷延遲時(shí)間td2和下降時(shí)間tf之后，才能由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)。關(guān)斷時(shí)間toff=td2+tf需要特別說明，管電容上電壓不能突變，是造成iD(uO)滯后u1變化的主要原因。而且，由于管的導(dǎo)通電阻比半導(dǎo)體三極管的飽和導(dǎo)通電阻要大得多，D也比C大，所以它的開通和關(guān)