MOS管的开关特性.doc

数字逻辑难点辅导4/4MOS管的开关特性 MOS管最显著的特点也是具有放大能力。不过它是通过栅极电压uGS控制其工作状态的，是一种具有放大特性的由电压uGS控制的开关元件。一、 静态特性 （一） 结构示意图、符号、漏极特性和转移特性 1 结构示意图和符号 从图2.1.12(a)所示结构示意图中可以看出，MOS管是由金属-氧化物-半导体（Metal-Ox-ide-Semiconductor）构成的。在P型衬底上，利用光刻、扩散等方法，制作出两个N+型区，并引出电极，分别叫做源极S和漏极D，同时在源极和漏极之间的二氧化硅SiO2绝缘层上，制作一个金属电极栅极G，这样得到的便是N沟道MOS管。2 漏极特性 反映漏极电流iD和漏极-源极间电压uDS之间关系的曲线族叫做漏极特性曲线，简称为漏极特性，也就是表示函数 iD=f(uDS)|uGS 的几何图形，如图2.1.13（a）所示。当uGS为零或很小时，由于漏极D和源极S之间是两个背靠背的PN结，即使在漏极加上正电压（uDS0V），MOS管中也不会有电流，也即管子处在截止状态。当uGS大于开启电压UTN时，MOS管就导通了。因为在UGS=UTN（图2.1.13中UTN=2V）时，栅极和衬底之间产生的电场已增加到足够强的程度，把P型衬底中的电子吸引到交界面处，形成的N型层反型层，把两个N+区连接起来，也即沟通了漏极和源极。所以，称此管为N沟道增强型MOS管。可变电阻区：当uGSUTN后，在uDS比较小时，iD与uDS成近似线性关系，因此可把漏极和源极之间看成是一个可由uGS进行控制的电阻，uGS越大，曲线越陡，等效电阻越小，如图2.1.13（a）所示。恒流区(饱和区)：当uGSUTN后，在uDS比较大时，iD仅决定于uGS（饱和），而与uDS几乎无关，特性曲线近似水平线，D、S之间可以看成为一个受uGS控制的电流源。在数字电路中，MOS管不是工作在截止区，就是工作在可变电阻区，恒流区只是一种瞬间即逝的过度状态。3 转移特性 反映漏极电流iD和栅源电压uGS关系的曲线叫做转移特性曲线，简称为转移特性，也就是表示函数 iD=f(uGS)|uDS 的几何图形，如图2.1.13（b ）所示。当uGSUTN之后，只要在恒流区，转移特性曲线基本上是重合在一起的。曲线越陡，表示uGS对iD的控制作用越强，也即放大作用越强，且常用转移特性曲线的斜率跨导gm来表示，即 4 P沟道增强型MOS管 上面讲的是沟道增强型管。对于沟道增强型管，无论是结构、符号，还是特性曲线，与沟道增强型管都有着明显的对偶关系。其衬底是型硅，漏极和源极是两个+区，而且它的uGS、uDS极性都是负的，开启电压TP也是负值。沟道增强型管的结构、符号、漏极特性和转移特性如图.所示。（二） MOS管的开关作用 开关应用举例 如图.所示，是一个最简单的管开关电路，输入电压是u1，输出电压是uO。当u1较小时，管是截止的，uO=UOH=VDD；当u1较大时，管是导通的， ，由于RONRD，所以输出为低电平，即uO=UOL。 静态开关特性 （） 截止条件和截止时的特点 截止条件：当管栅源电压uGS小于其开启电压TN时，将处于截止状态，因为漏极和源极之间还未形成导电沟道，其等效电路如图.（b）所示。 截止时的特点：iD=0，管如同一个断开了的开关。（） 导通条件和导通时的特点 导通条件：当uFS大于TN时，管将工作在导通状态。 在数字电路中，管导通时，一般都工作在可变电阻区，其导通电阻ON只有几百欧姆，较小。 导通时的特点：管导通之后，如同一个具有一定导通电阻ON闭合了的开关，起等效电路如图.（c）所示。二、 动态特性 （一） 管极间电容 MOS管三个电极之间，均有电容存在，它们分别是栅源电容、栅漏电容和漏源电容。、一般为pF，约为.pF。在数字电路中， 管的动态特性，即开关速度是搜这些电容充、放电过程制约的。 （二） 开关时间 uI和iD的波形 在图.（a）所示管开关电路中，当u1为矩形波时，相应iD的波形如图.所示。 开通时间ton 当u1由IL跳变到IHDD时，管需要经过导通延迟时td1和上升时间tr之后，才能由截止状态转换到导通状态。开通时间ton=td1+tr 关断时间toff 当u1由IHDD跳变到IL时，管经过关断延迟时间td2和下降时间tf之后，才能由导通状态转换到截止状态。关断时间toff=td2+tf需要特别说明，管电容上电压不能突变，是造成iD(uO)滞后u1变化的主要原因。而且，由于管的导通电阻比半导体三极管的饱和导通电阻要大得多，D也比C大，所以它的开通和关