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MOS 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型层一反型层,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 (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N沟道增强型MOS管。对于P沟道增强型MOS管,无论是结构、 符号,还是特性曲线,与N沟道增强型MOS管都有着明显的对偶关系。其衬底是 N型硅,漏极和源极是两个P+区,而且它的uGS、uDS极性都是负的,开启电压 UTP也是负值。P沟道增强型MOS管的结构、符号、漏极特性和转移特性如图 2.1. 14所示。(二) MOS 管的开关作用 1 开关应用举例RRT3AY巧2RB oTl D稱出级中画级輸人级如图2. 1.15所示,是一个最简单的MOS管开关电路,输入电压是ul,输 出电压是uO。当ul较小时,MOS管是截止的,uO=UOH=VDD ;当ul较大时,MOS管是导通的,由于RONRD,所以输出为低电平,即uO=UOL02 静态开关特性(1) 截止条件和截止时的特点 截止条件:当MOS管栅源电压uGS小于其开启电压U 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2 .1.15(b)所示。截止时的特点:iD=0, MOS管如同一个断开了的开关。(2) 导通条件和导通时的特点 导通条件:当uFS大于UTN时,MOS管将工作在导通状态。在数字电路中,MOS管导通时,一般都工作在可变电阻区,其导通电阻RON只 有几百欧姆,较小。导通时的特点:MOS管导通之后,如同一个具有一定导通电阻RON闭合了的开关,起等效电路如图2. 1. 15(c)所示。二、 动态特性(一) MOS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CGS、栅漏电容C GD和漏源电容CDS。CGS、CGD般为13 pF, CDS约为0 . 11 pF。在数字电路中,MOS 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1 uI 和 iD 的波形在图2.1.15(a)所示MOS管开关电路中,当u1为矩形波时,相应iD的波形如图2. 1.16所示。2 开通时间 ton当u1由U IL=0 V跳变到UIH=VDD时,MOS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+tr3 关断时间 toff当u1由U IH=VDD跳变到UIL=0 V时,MOS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,MOS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MOS管的导通电阻比半导体三极管的饱和导通电阻要大 得多,RD也比RC大,所以它的开通和关断时间,也比晶体管长,也即其动态 特性较差。不过,在CMOS电路中,由于充电电路和放电电路都是低阻电路,因 此,其充、放电过程都比较快,从而使CMOS电路有较高的开关速度。
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