MOS管的开关特性

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。