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文檔簡介
3.4
MOS邏輯門3.4.1
MOS晶體管3.4.2
MOS反相器和門電路圖3-4-1
N溝道增強型MOS管N+N+SGDSiO2P-Si(a)結(jié)構(gòu)示意圖(b)符號SGD3.4.1
MOS晶體管
MOS(MetalOxideSemiconductor)集成電路的基本元件是MOS晶體管。MOS管有三個電極:源極S、漏極D和柵極G。它是用柵極電壓來控制漏源電流。
MOS管有P型溝道和N型溝道兩種,按其工作特性又分為增強型和耗盡型兩類。下面以N溝道增強型MOS管為例進行討論。圖3-4-2
N溝道增強型MOS管輸出特性曲線OiDSvDS(Ⅰ)非飽和區(qū)(Ⅱ)非飽和區(qū)(Ⅲ)截止區(qū)vDS=vGS-VGS(th)NvGS>01.輸出特性曲線和閾值電壓輸出特性曲線表示在一定柵源電壓vGS下,漏源電流iDS和漏源電壓vDS之間的關(guān)系。
非飽和區(qū):vDS很小,當(dāng)滿足vDS<(vGS-VGS(th)N)時,iDS基本上隨vDS線性上升。vGS越大,曲線越陡,相應(yīng)等效電阻越小。該區(qū)域又稱為可調(diào)電阻區(qū)域。
飽和區(qū):當(dāng)vDS≥(vGS-VGS(th)N)以后,漏極附近的溝道被夾斷。iDS不隨vDS線性上升,而是達到某一數(shù)值,幾乎近似不變。圖3-4-3
N溝道MOS
管轉(zhuǎn)移特性O(shè)iDSvGSVGS(th)NvDS=常數(shù)截止區(qū):vGS<VGS(th)N,還沒有形成導(dǎo)電溝道,因此iDS=0。2.轉(zhuǎn)移特性和跨導(dǎo)
MOS管的轉(zhuǎn)移特性是指在漏源電壓vDS一定時,柵源電壓vGS和漏源電流iDS之間的關(guān)系。當(dāng)vGS<VGS(th)N時,iDS=0,只有當(dāng)vGS>VGS(th)N后,在vDS作用下才形成iDS電流。
vGS和iDS之間的關(guān)系,通常用跨導(dǎo)gm這個參數(shù)表示。即:它表明了vGS對iDS的控制能力,數(shù)值越大,柵極控制作用越強。3.輸入電阻和輸入電容
MOS管的柵、源兩極通常作為輸入端,輸入電阻實質(zhì)上就是介質(zhì)SiO2層的絕緣電阻。若SiO2的厚度在0.15μm左右,絕緣電阻可達1012Ω以上。
MOS管的高輸入電阻,使得其靜態(tài)負(fù)載能力很強;柵極泄漏電流很小,可以將信息在輸入端的柵極電容上暫存,為動態(tài)MOS電容和大規(guī)模存儲電路的實現(xiàn)創(chuàng)造了條件。
MOS管的輸入電容是指柵、源之間存在很小的寄生電容,其數(shù)值約為百分之幾皮法到幾皮法。4.直流導(dǎo)通電阻
MOS管導(dǎo)通時,漏源電壓vDS和漏源電流iDS的比值稱為直流導(dǎo)通電阻3.4.2
MOS反相器和門電路在MOS集成電路中,反相器是基本的單元。按其結(jié)構(gòu)和負(fù)載不同,可大致分為四種類型。
(1)電阻負(fù)載MOS電路
(2)E/EMOS(Enhancement/EnhancementMOS)反相器
(3)E/DMOS(Enhancement/DepletionMOS)反相器
(4)CMOS(ComplementaryMOS)反相器其中電阻負(fù)載MOS電路的輸入器件是增強型MOS管,負(fù)載是線性電阻,這種反相器在集成電路中很少使用。本節(jié)主要討論以MOS管作為負(fù)載器件的反相器及邏輯門電路。圖3-4-4
E/EMOS反相器SGDSGDvIvOVDDTLT01.E/EMOS反相器及邏輯門電路
特點:(1)單一電源,結(jié)構(gòu)簡單;
(2)負(fù)載管始終工作于飽和區(qū),工作速度低,功耗大;
(3)最大輸出電壓為VDD-VGS(th)NL,有不必要的電源損耗;
(4)輸出高、低電平之比VOH/VOL=2gm0/gmL,又稱為“有比電路”。圖3-4-5
E/EMOS反相器的圖解分析OiDSvDSLVGS(th)NLiDS=k(vDSL-VGS(th)NL)2OiDSvDS0VDD-VGS(th)NLVDDA●BTLT0(a)(b)圖3-4-6
E/EMOS與非門、或非門電路AYVDDTLT1BT2YVDDTLAT1BT2(a)E/EMOS與非門(b)E/EMOS或非門
E/EMOS與非門、或非門電路只有當(dāng)輸入信號大于VGS(th)NL時,對應(yīng)的輸入管才導(dǎo)通,否則截止。圖3-4-7
E/EMOS與門、或門電路AVDDT3T2BT1T3AT1BT2(a)E/EMOS與門(b)E/EMOS或門YT5T4VDDYT5T4
E/EMOS與門、或門電路常用E/EMOS門電路還有采用PMOS管的,其電路形式與NMOS相同,不同的是:(1)電源電壓為負(fù)電壓(-VDD);(2)輸出高電平為0V,輸出低電平為[-VDD-(-VGS(th)PL)]。圖3-4-8
E/DMOS反相器SGDSGDvIvOVDDTLT0●2.E/DMOS反相器及邏輯門電路
特點:(1)最大輸出電壓VOH=VDD,充分利用電源;
(2)負(fù)載管在反相器開態(tài)時,具有恒流作用,可提高工作速度;
(3)制造中,盡量使|VGS(off)P|減小,使VOL接近0V。圖3-4-9
N溝道耗盡型MOS管特性曲線OiDSvDSvGS>0vGS<0vGS=0圖3-4-10
E/DMOS反相器負(fù)載線
的圖解分析OiDSvDS0VDDABTLT0●vI=VDD圖3-4-11
E/DMOS邏輯門電路AY=A·BVDDTLT1BT2Y=A+BVD
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