第三章mos管和cmos電路

第三章mos管和cmos電路第一頁(yè)，共38頁(yè)。與非門(mén)扇出系數(shù)的計(jì)算前級(jí)輸出為高電平時(shí)，求N1時(shí)考慮門(mén)的輸入端的個(gè)數(shù)；前級(jí)輸出為低電平時(shí)，求N2時(shí)不考慮門(mén)的輸入端的個(gè)數(shù)。取較小者為扇出系數(shù)?；蚍情T(mén)扇出系數(shù)的計(jì)算前級(jí)無(wú)論輸出為高低電平，求N都考慮輸入端的個(gè)數(shù)?！尽?jī)?nèi)容回顧2第二頁(yè)，共38頁(yè)。一、MOS管的結(jié)構(gòu)和工作原理S(Source)：源極G(Gate)：柵極D(Drain)：漏極B(Substrate):襯底金屬層氧化物層半導(dǎo)體層PN結(jié)§3.5CMOS門(mén)電路3.5.1場(chǎng)效應(yīng)管3第三頁(yè)，共38頁(yè)。UDSiD

（1）柵源電壓VGS的控制作用當(dāng)UGS＝0時(shí),因?yàn)槁┰粗g被兩個(gè)背靠背的PN結(jié)隔離，因此，即使在D、S之間加上電壓,在D、S間也不可能形成電流。所以UDS>0時(shí)，iD＝0。

1.N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理4第四頁(yè)，共38頁(yè)。UDS耗盡層iD當(dāng)0＜VGS＜UGS(th)(開(kāi)啟電壓)時(shí),通過(guò)柵極和襯底間的電容作用，將柵極下方P型襯底表層的空穴向下排斥，同時(shí)，使兩個(gè)N區(qū)和襯底中的自由電子吸向襯底表層，并與空穴復(fù)合而消失，結(jié)果在襯底表面形成一薄層負(fù)離子的耗盡層。漏源間仍無(wú)載流子的通道。管子仍不能導(dǎo)通，處于截止?fàn)顟B(tài)。

柵源電壓VGS的控制作用5第五頁(yè)，共38頁(yè)。UDSiD當(dāng)VGS＞UGS(th)

(開(kāi)啟電壓)時(shí)，襯底中的電子進(jìn)一步被吸至柵極下方的P型襯底表層，使襯底表層中的自由電子數(shù)量大于空穴數(shù)量，該薄層轉(zhuǎn)換為N型半導(dǎo)體，稱此為反型層。形成N源區(qū)到N漏區(qū)的N型溝道。把開(kāi)始形成反型層的VGS值稱為該管的開(kāi)啟電壓UGS(th)

。柵源電壓VGS的控制作用導(dǎo)電溝道形成了!!!反型層6第六頁(yè)，共38頁(yè)。UDSiD當(dāng)VGS＞UGS(th)

(開(kāi)啟電壓)時(shí)，若VDS>0，就能產(chǎn)生漏極電流

ID，即管子開(kāi)啟。VGS值越大，溝道內(nèi)自由電子越多，溝道電阻越小，在同樣VDS

電壓作用下，ID就越大。這樣，就實(shí)現(xiàn)了輸入電壓VGS對(duì)輸出電流ID

的控制。柵源電壓VGS對(duì)ID的控制作用反型層7第七頁(yè)，共38頁(yè)。UDSiD(2).漏源電壓VDS對(duì)溝道導(dǎo)電能力的影響8第八頁(yè)，共38頁(yè)。

VGD=VGS-VDS,

當(dāng)VDS為0或較小時(shí)，VGD＞VGS(th)，此時(shí)VDS基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。

當(dāng)VDS增加到使VGD=VGS(th)時(shí)，漏極處溝道將縮減到剛剛開(kāi)啟的情況，稱為預(yù)夾斷。源區(qū)的自由電子在VDS電場(chǎng)力的作用下，仍能沿著溝道向漏端漂移，一旦到達(dá)預(yù)夾斷區(qū)的邊界處，就能被預(yù)夾斷區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)力掃至漏區(qū)，形成漏極電流。

當(dāng)VDS增加到使VGDVGS(th)時(shí)，預(yù)夾斷點(diǎn)向源極端延伸成小的夾斷區(qū)。由于預(yù)夾斷區(qū)呈現(xiàn)高阻，而未夾斷溝道部分為低阻，因此，VDS增加的部分基本上降落在該夾斷區(qū)內(nèi)，而溝道中的電場(chǎng)力基本不變，漂移電流基本不變，所以，從漏端溝道出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn)開(kāi)始，ID基本不隨VDS增加而變化。9第九頁(yè)，共38頁(yè)。MOSFET的特性曲線漏極輸出特性曲線10第十頁(yè)，共38頁(yè)。此區(qū)域內(nèi):iD僅與uGS有關(guān)。故稱為恒流區(qū)（飽和區(qū)）。N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)管特性曲線11第十一頁(yè)，共38頁(yè)。該區(qū)域中：曲線近似為不同斜率的直線，稱為可變電阻區(qū)。直線斜率的倒數(shù)為d-s間的等效電阻。該電阻值隨uGS改變而改變。N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)管特性曲線12第十二頁(yè)，共38頁(yè)。此區(qū)域中:

uGS<uGS(th),iD=0,

稱為截止區(qū)。N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)管特性曲線13第十三頁(yè)，共38頁(yè)。DSBGN溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管NPN型三極管ecbG-------bD-------cS-------e與NPN三極管相似，NMOS管為電壓控制器件，當(dāng)vGS>VGS(th)N，MOS管導(dǎo)通。14第十四頁(yè)，共38頁(yè)。與PNP三極管相似，PMOS管為電壓控制器件，當(dāng)UGS<UGS(th)P,MOS管導(dǎo)通（UGS(th)P,為負(fù)值電壓，該管子由負(fù)電壓控制）。DSBGP溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管ecbPNP型三極管15第十五頁(yè)，共38頁(yè)。場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)等效模型基本開(kāi)關(guān)電路截止條件飽和/導(dǎo)通條件開(kāi)關(guān)工作條件飽和/導(dǎo)通狀態(tài)截止?fàn)顟B(tài)開(kāi)關(guān)等效電路增強(qiáng)型NMOS管16第十六頁(yè)，共38頁(yè)。增強(qiáng)型MOS管特性小結(jié)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型P溝道增強(qiáng)型17第十七頁(yè)，共38頁(yè)。耗盡型MOSFET

N溝道耗盡型MOS管，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子，在管子制造過(guò)程中，這些正離子已經(jīng)在漏源之間的襯底表面感應(yīng)出反型層，形成了導(dǎo)電溝道。因此，使用時(shí)無(wú)須加開(kāi)啟電壓（VGS=0），只要加漏源電壓，就會(huì)有漏極電流。當(dāng)VGS＞0時(shí)，將使ID進(jìn)一步增加。VGS＜0時(shí)，隨著VGS的減小ID逐漸減小，直至ID=0。對(duì)應(yīng)ID=0的VGS值為夾斷電壓VP。18第十八頁(yè)，共38頁(yè)。耗盡型MOSFET的特性曲線絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型19第十九頁(yè)，共38頁(yè)。絕緣柵增強(qiáng)型N溝P溝絕緣柵耗盡型

N溝道P溝道20第二十頁(yè)，共38頁(yè)。雙極型三極管與場(chǎng)效應(yīng)三極管的比較

雙極型三極管

場(chǎng)效應(yīng)三極管

結(jié)構(gòu)NPN型結(jié)型N溝道P溝道

與 PNP型絕緣柵增強(qiáng)型N溝道P溝道分類C與E一般不可絕緣柵耗盡型N溝道P溝道倒置使用D與S有的型號(hào)可倒置使用載流子多子擴(kuò)散少子漂移多子漂移輸入量電流輸入電壓輸入

控制電流控制電流源電壓控制電流源

噪聲較大較小溫度特性受溫度影響較大較小，且有零溫度系數(shù)點(diǎn)輸入電阻幾十到幾千歐姆幾兆歐姆以上靜電影響不受靜電影響易受靜電影響集成工藝不易大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成21第二十一頁(yè)，共38頁(yè)。MOS管有NMOS管和PMOS管兩種。當(dāng)NMOS管和PMOS管成對(duì)出現(xiàn)在電路中，且二者在工作中互補(bǔ)，稱為CMOS管(意為互補(bǔ))。MOS管有增強(qiáng)型和耗盡型兩種。在數(shù)字電路中，多采用增強(qiáng)型。3.5.2CMOS反相器22第二十二頁(yè)，共38頁(yè)。3.5.2CMOS反相器UCCST2DT1AFNMOS管PMOS管CMOS電路23第二十三頁(yè)，共38頁(yè)。對(duì)于N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管：

對(duì)于P溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管：

24第二十四頁(yè)，共38頁(yè)。等效電路OFF，截止?fàn)顟B(tài)ON，導(dǎo)通狀態(tài)25第二十五頁(yè)，共38頁(yè)。VDDST1DT2vivovi

=VIL

=0截止ugs2=VDD導(dǎo)通v０=VOH

=VDD工作原理：SVDD>UGS(th)N

＋｜UGS(th)P｜UGS(th)N>0UGS(th)P<0v０=

"１"26第二十六頁(yè)，共38頁(yè)。VDDST1DT2vivovi=VOH

=VDD導(dǎo)通截止v０=VIL

=０工作原理：Svi=１UGS(th)N>0UGS(th)P<0VDD>UGS(th)N

＋｜UGS(th)P｜27第二十七頁(yè)，共38頁(yè)。vOVvIVDDVDD21VDD21DD0CMOS反相器電壓傳輸特性曲線UGS2＞UGS(th)N

，|UGS1|

＞|UGS(th)P

|T1導(dǎo)通，T2導(dǎo)通UGS2＜UGS(th)N,|UGS1|＞|UGS(th)P|

T1導(dǎo)通，T2截止VDDST1DT2vivoVTHUGS(th)N︱UGS(th)p︱UGS2>UGS(th)N,|UGS1|<|UGS(th)P|

T1截止，T2導(dǎo)通28第二十八頁(yè)，共38頁(yè)。3.5.3其他類型CMOS門(mén)電路一、其他功能的CMOS門(mén)電路A＝1，B=0，

Y=11001導(dǎo)通截止29第二十九頁(yè)，共38頁(yè)。A＝0，B=1，Y=1011導(dǎo)通截止130第三十頁(yè)，共38頁(yè)。A＝1，B=1，Y=0111導(dǎo)通0截止綜合上述：31第三十一頁(yè)，共38頁(yè)?；蚍情T(mén)32第三十二頁(yè)，共38頁(yè)。CMOS傳輸門(mén)(a)電路；(b)符號(hào)二、CMOS傳輸門(mén)和雙向模擬開(kāi)關(guān)CC′V2V1UI/UOUO/UIUDD(a)TGUI/UOUO/UIC′C(b)C=1，＝0傳輸門(mén)導(dǎo)通C=0，＝1傳輸門(mén)截止33第三十三頁(yè)，共38頁(yè)。把一個(gè)傳輸門(mén)TG和一個(gè)非門(mén)按圖(a)連接起來(lái)，即可構(gòu)成模擬開(kāi)關(guān)，其符號(hào)圖(b)所示。當(dāng)C=1時(shí)，開(kāi)關(guān)接通；當(dāng)C=0時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。該模擬開(kāi)關(guān)也是雙向器件。CMOS模擬開(kāi)關(guān)(a)電路；(b)符號(hào)二、CMOS傳輸門(mén)和雙向模擬開(kāi)關(guān)C=1時(shí)，開(kāi)關(guān)接通C=0時(shí)，開(kāi)關(guān)截止34第三十四頁(yè)，共38頁(yè)。三態(tài)輸出的CMOS門(mén)電路輸出呈高阻態(tài)輸出呈高阻態(tài)AFAFAF輸出呈高阻態(tài)35第三十五頁(yè)，共38頁(yè)。【例】說(shuō)明圖中CMOS電路的輸出狀態(tài)。0010k51ΩVIH柵極電流為0注意；CMOS門(mén)電路與TTL門(mén)電路的區(qū)別36第三十六頁(yè)，共38頁(yè)。（1）微功耗。

CMOS電路靜態(tài)電流很小，約為納安數(shù)