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1、掌握典型TTLTTL、CMOSCMOS门电路的逻辑功能、特性、主要参数和使用方法。基本内容和要求基本内容和要求 了解TTLTTL、CMOSCMOS门电路的组成和工作原理。了解半导体二极管、三极管和MOSMOS管的开关特性。了解ECLECL等其他逻辑门电路的特点。第1页/共71页 2.1 半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性2.1.1 晶体二极管的开关特性一个理想开关具有这样的特性：闭合时，开关一个理想开关具有这样的特性：闭合时，开关两端的电压为两端的电压为0，开关两端点间呈现的电阻也为，开关两端点间呈现的电阻也为0；断开时，流过开关的电流为断开时，流过开关的电流为0，开关两端点间的电，开关
2、两端点间的电阻为无穷大；而且开关的接通或断开动作转换可以阻为无穷大；而且开关的接通或断开动作转换可以在瞬间完成。在瞬间完成。但实际中，并不存在这样的理想开关。但实际中，并不存在这样的理想开关。第2页/共71页晶体二极管在近似的开关电路分析中可以当晶体二极管在近似的开关电路分析中可以当作一个理想开关来分析，但它与理想开关是有区作一个理想开关来分析，但它与理想开关是有区别的。别的。1、二极管稳态开关特性、二极管稳态开关特性电路处于相对稳定的状态下晶体管所呈现的电路处于相对稳定的状态下晶体管所呈现的开关特性称为稳态开关特性。开关特性称为稳态开关特性。二极管的伏安特性曲线如图二极管的伏安特性曲线如图2
3、.1.1(b)所示。所示。第3页/共71页图图2.1.1 二极管的伏安特性二极管的伏安特性第4页/共71页描述该特性的方程为：描述该特性的方程为：图中的图中的Vth称为正向开启电压称为正向开启电压(或称为门限电压、或称为门限电压、阈值电压阈值电压)。一般硅管的一般硅管的Vth为为0.60.7 V;锗管的锗管的Vth为为0.20.3 V。当外加正向电压大于当外加正向电压大于Vth时，正时，正向电流随电压的增加按指数规律增加，二极管开向电流随电压的增加按指数规律增加，二极管开始导通。始导通。第5页/共71页 由于二极管的伏安特性曲线在电压为由于二极管的伏安特性曲线在电压为Vth处已处已经很陡，在一
4、段范围内，电流有较大变化时，二经很陡，在一段范围内，电流有较大变化时，二极管的端电压保持在极管的端电压保持在Vth左右。左右。因此，把二极管正因此，把二极管正向电压大于向电压大于Vth作为二极管导通的条件。作为二极管导通的条件。第6页/共71页当外加正向电压小于当外加正向电压小于Vth，或者外加反向电压时，或者外加反向电压时，vD很小或小于很小或小于0，则，则 ，流过二极，流过二极管的电流管的电流iD=IS。IS称为反向饱和电流，一般硅管称为反向饱和电流，一般硅管的的IS为为10151010 A；锗管的；锗管的IS为为1010107 A。IS数值都很小，通常可忽略不计。数值都很小，通常可忽略不
5、计。此时，二极管相此时，二极管相当于一个很大的电阻，可近似认为是开路。当于一个很大的电阻，可近似认为是开路。因此，因此，把二极管端电压小于把二极管端电压小于Vth作为二极管截止的条件。作为二极管截止的条件。第7页/共71页当二极管作为开关使用时，可将其伏安特性折当二极管作为开关使用时，可将其伏安特性折线化，如图线化，如图2.1.1(c)所示。所示。当正向偏置时，二极管当正向偏置时，二极管导通，压降为导通，压降为Vth，相当于开关闭合；当反向偏置时，相当于开关闭合；当反向偏置时，二极管截止，流过的电流为反向饱和电流二极管截止，流过的电流为反向饱和电流IS，非常，非常小，相当于开关断开。小，相当于
6、开关断开。第8页/共71页 由此可得出结论：在稳态情况下，二极管开关由此可得出结论：在稳态情况下，二极管开关特性与理想开关存在一定差异。特性与理想开关存在一定差异。主要表现为，二主要表现为，二极管开关闭合时，两端仍有电位降落；开关断开时，极管开关闭合时，两端仍有电位降落；开关断开时，存在反向电流。存在反向电流。此外，二极管的此外，二极管的Vth和和IS都与温度都与温度有关。有关。通常温度每升高通常温度每升高1，Vth约减小约减小22.5 mV；温度每升高；温度每升高10，反向饱和电流，反向饱和电流IS约增大一倍。约增大一倍。有时把二极管视为理想的开关，即用一个理想有时把二极管视为理想的开关，即
7、用一个理想开关来等效，截止时认为开路，导通时认为短路。开关来等效，截止时认为开路，导通时认为短路。等效电路如图等效电路如图2.1.2所示。所示。第9页/共71页图图2.1.2 二极管开关等效电路二极管开关等效电路第10页/共71页2、二极管瞬态开关特性、二极管瞬态开关特性 电路处于瞬变状态下晶体管所呈现的开关特性电路处于瞬变状态下晶体管所呈现的开关特性称为瞬态开关特性。称为瞬态开关特性。具体地说，就是晶体管在大具体地说，就是晶体管在大信号作用下，由导通到截止或者由截止到导通时呈信号作用下，由导通到截止或者由截止到导通时呈现的开关特性。现的开关特性。理想二极管作开关时，在外加跳变电压作用下，理想
8、二极管作开关时，在外加跳变电压作用下，由导通到截止或者由截止到导通都是在瞬间完成，由导通到截止或者由截止到导通都是在瞬间完成，没有过渡过程，如图没有过渡过程，如图2.1.3所示。所示。第11页/共71页图图2.1.3 理想二极管开关特性理想二极管开关特性第12页/共71页 在图在图2.1.3所示电路中，二极管所示电路中，二极管D的工作状态由的工作状态由输入电压输入电压vI决定。决定。当当vI=VF时，二极管导通，二极时，二极管导通，二极管两端的正向电压管两端的正向电压vD 0，通过二极管的正向电流，通过二极管的正向电流iD=IF=VF/R；当；当vI=VR 时，二极管截止时，二极管截止,二极管
9、两二极管两端的反向电压端的反向电压vD=VR，通过二极管的反向电流，通过二极管的反向电流iD0。事实上，二极管两端的电压事实上，二极管两端的电压vD不可能像图不可能像图2.1.3中那样发生突变。中那样发生突变。图图2.1.4为二极管的瞬态开为二极管的瞬态开关特性波形。关特性波形。第13页/共71页图图2.1.4 二极管瞬态开关特性二极管瞬态开关特性第14页/共71页 二极管是由一个二极管是由一个PN结构成的，在稳态结构成的，在稳态vI=VF时时正向导通，在外加反向电压正向导通，在外加反向电压vI=VR时，时，D反向截止，反向截止，PN结空间电荷区变宽，结空间电荷区变宽，iD很小。很小。当当tt
10、1时，外加正向电压时，外加正向电压vI=VF，P区中的空穴区中的空穴向向N区扩散，区扩散，N区中的电子向区中的电子向P区扩散，这样不但使区扩散，这样不但使空间电荷区变窄，而且使多子在对方区域存储，建空间电荷区变窄，而且使多子在对方区域存储，建立起一定的少数载流子浓度分布。此时二极管立起一定的少数载流子浓度分布。此时二极管D稳稳定工作在导通状态，导通电压为定工作在导通状态，导通电压为vD0.60.7 V(以硅以硅管为例管为例)，导通电流，导通电流iD=IF=(VF-vD)/R VF/R。第15页/共71页当当t=t1时，外加电压时，外加电压vI由由VF向下突变为向下突变为VR，P区存储的电子和区
11、存储的电子和N区存储的空穴不会马上消失，在区存储的空穴不会马上消失，在反向电压作用下，反向电压作用下，P区的电子被拉回区的电子被拉回N区，区，N区的空区的空穴被拉回穴被拉回P区，形成反向漂移电流，区，形成反向漂移电流，iD=IR=(vI-vD)/R-VR/R，使存储电荷不断减少。，使存储电荷不断减少。在这些存储在这些存储电荷消失之前，电荷消失之前，PN结仍处于正向偏置。结仍处于正向偏置。从从vI负跳变开始至反向电流降到负跳变开始至反向电流降到0.9IR所需的时所需的时间，称为存储时间间，称为存储时间ts。在这段时间内，在这段时间内，PN结维持结维持正向偏置，反向电流正向偏置，反向电流IR近似不
12、变。近似不变。第16页/共71页第17页/共71页经过经过ts时间后，反向电流使存储电荷继续消失，时间后，反向电流使存储电荷继续消失，空间电荷区逐渐加宽，二极管转为截止状态。空间电荷区逐渐加宽，二极管转为截止状态。反向电流由反向电流由IR减小至反向饱和电流值，这段时减小至反向饱和电流值，这段时间称为下降时间间称为下降时间tf。通常以从通常以从0.9IR下降到下降到0.1IR所所需时间确定需时间确定tf。trr=ts+tf 称为反向恢复时间。称为反向恢复时间。在在tt2期间，二极管反向截止，期间，二极管反向截止，vD=VR，iD=IS，空间电荷区很宽。，空间电荷区很宽。第18页/共71页 当当t
13、=t2时，外加电压时，外加电压vI由由VR突变为突变为VF。由由于二极管两端电压不能突变，电路中产生瞬时大电于二极管两端电压不能突变，电路中产生瞬时大电流流(VR+VF)/R，二极管迅速导通，二极管迅速导通，iD由由(VR+VF)/R迅迅速下降到速下降到iD=IF=VF/R。从从vI正向跳变到二极管正向导通称为二极管的正向跳变到二极管正向导通称为二极管的正向恢复时间，通常用正向恢复时间，通常用vD的上升时间的上升时间tr来描述。来描述。与与trr相比，正向恢复时间小得多，可忽略不计。相比，正向恢复时间小得多，可忽略不计。第19页/共71页第20页/共71页 由以上分析可知，反向恢复时间由以上分
14、析可知，反向恢复时间trr是影响二极是影响二极管开关速度的主要原因，它是二极管开关特性的重管开关速度的主要原因，它是二极管开关特性的重要参数。要参数。由于由于trr的存在导致开关二极管从导通到的存在导致开关二极管从导通到截止速度慢，而从截止到导通速度快。截止速度慢，而从截止到导通速度快。第21页/共71页2.1.2 晶体三极管的开关特性 在模拟电子线路中，晶体三极管常常工作在在模拟电子线路中，晶体三极管常常工作在线性放大状态，而在数字电路中，在大幅度脉冲信线性放大状态，而在数字电路中，在大幅度脉冲信号工作下，晶体管交替工作于截止区和饱和区，它号工作下，晶体管交替工作于截止区和饱和区，它作为开关
15、元件使用。作为开关元件使用。1、三极管稳态开关特性、三极管稳态开关特性 图图2.1.5为一个为一个NPN单管共射电路。单管共射电路。晶体三极晶体三极管输出伏安特性曲线如图管输出伏安特性曲线如图2.1.6所示。所示。第22页/共71页图图2.1.5 基本单管共射电路基本单管共射电路第23页/共71页图图2.1.6 晶体三极管输出特性曲线和负载线晶体三极管输出特性曲线和负载线第24页/共71页根据根据VCC和和Rc的值可在输出伏安特性上画一条的值可在输出伏安特性上画一条负载线：当负载线：当vI0时，管子截止，工作在特性曲线的时，管子截止，工作在特性曲线的A点；当点；当ib=60 A 时，若管子的时
16、，若管子的50，则，则ic=ib3 mA，管子处于临界饱和状态，工作在特性曲线的，管子处于临界饱和状态，工作在特性曲线的B点。点。通常把处于临界饱和时的基极电流称为饱和通常把处于临界饱和时的基极电流称为饱和基流，记为基流，记为Ibs，本例，本例Ibs=60 A。当当ib Ibs时，时，ic几乎不变，管子进入饱和区，此时的集电极电流称几乎不变，管子进入饱和区，此时的集电极电流称为饱和集电极电流，记为为饱和集电极电流，记为Ics。第25页/共71页 在图在图2.1.5所示电路中，所示电路中，ic的最大值为的最大值为VCC/Rc，即即Ics=VCC/Rc,Ibs=Ics/=VCC/(Rc)。判断三极
17、管是判断三极管是否进入饱和区，就是看是否否进入饱和区，就是看是否ibIbs，大得越多，饱和，大得越多，饱和越深。越深。S=ib/Ibs称为饱和系数，称为饱和系数，S越大，饱和深度越大，饱和深度越深。越深。第26页/共71页晶体三极管有三个工作状态，以图晶体三极管有三个工作状态，以图2.1.5为例总为例总结如下：结如下：(1)截止状态。截止状态。条件：条件：vIVth(Vth为三极管为三极管be结的正向开启电压结的正向开启电压)，此时，发射结和集电结均为，此时，发射结和集电结均为反向偏置，即反向偏置，即vbve，vbvc。特点：特点：ib0，ic0，vOVCC，晶体管相当于开，晶体管相当于开关断
18、开。关断开。第27页/共71页(2)放大状态。放大状态。条件：条件：vIVth而小于某一数值而小于某一数值(约为约为1 V)，此时，发射结正偏，集电结反偏，即，此时，发射结正偏，集电结反偏，即vbve，vbvc。特点：三极管特点：三极管T有放大能力，有放大能力，ic=ib，ic的大小的大小与与VCC、Rc基本上无关。基本上无关。ib、ic随随vI的增加而增加，的增加而增加，vO随随vI的增加而下降。的增加而下降。当当vI有一较小的有一较小的vI变化时，变化时，会引起输出电压会引起输出电压vO较大的变化，即较大的变化，即vO/vI1。第28页/共71页(3)饱和状态。饱和状态。条件：条件：vI大
19、于某一数值大于某一数值(约为约为1 V)，此时，发射结和集电结均为正向偏置，即，此时，发射结和集电结均为正向偏置，即vbve，vbvc。特点：基极电流足够大，满足特点：基极电流足够大，满足ibIbs=(VCC-Vce(sat)/(Rc)，此时，此时vO=Vce(sat)0.3 V；ic=(VCC-Vce(sat)/RcVCC/Rc。晶体管晶体管c、e之间相当于开关之间相当于开关闭合闭合(Vce(sat)为为c、e间的饱和压降，很小，约为间的饱和压降，很小，约为0.3 V)。第29页/共71页 表表2.1.1给出了三极管在不同工作区的典型给出了三极管在不同工作区的典型结压降。结压降。表表2.1.
20、1 三极管典型的结压降数据三极管典型的结压降数据 第30页/共71页三极管作为开关管，截止时的等效电路如图三极管作为开关管，截止时的等效电路如图2.1.7所示，由于两个结都处于反偏，所以所示，由于两个结都处于反偏，所以e、b、c三个电极之间开路。三个电极之间开路。三极管饱和时，两个结都处于正偏，结间有小三极管饱和时，两个结都处于正偏，结间有小的压降，其等效电路如图的压降，其等效电路如图2.1.8(a)所示，若忽略结所示，若忽略结压降，则等效电路可简化为图压降，则等效电路可简化为图2.1.8(b)，三个电极，三个电极之间如同短路一样。之间如同短路一样。第31页/共71页图图2.1.7 三极管截止
21、时等效电路三极管截止时等效电路第32页/共71页图图2.1.8 三极管饱和时等效电路三极管饱和时等效电路第33页/共71页2、三极管瞬态开关特性、三极管瞬态开关特性晶体三极管作为开关管运用，其截止和饱和两晶体三极管作为开关管运用，其截止和饱和两种工作状态的相互转换不可能在瞬间完成，如同二种工作状态的相互转换不可能在瞬间完成，如同二极管一样，在三极管的开关过程中内部存在电荷的极管一样，在三极管的开关过程中内部存在电荷的积累和消散过程，因而需要时间。积累和消散过程，因而需要时间。在图在图2.1.5所示电路中输入脉冲波形所示电路中输入脉冲波形vI，其集电，其集电极电流极电流ic和输出的波形和输出的波
22、形vO如图如图2.1.9所示。所示。由该图由该图可以看出，与理想瞬态开关特性相比，实际电路的可以看出，与理想瞬态开关特性相比，实际电路的输出波形会发生畸变，边沿变差。输出波形会发生畸变，边沿变差。该图给出了几该图给出了几个开关时间参数。个开关时间参数。第34页/共71页图图2.1.9 三极管的瞬态开关特性三极管的瞬态开关特性第35页/共71页(1)开关时间开关时间当当vI从从-V跳变跳变+V时，晶体管不能立即导通，要时，晶体管不能立即导通，要经历一段延迟时间经历一段延迟时间td和一个上升时间和一个上升时间tr，集电结电，集电结电流流ic才能接近于最大值才能接近于最大值Ics。延迟时间延迟时间t
23、d：从：从vI正跳变开始，至集电结电正跳变开始，至集电结电流流ic上升到上升到0.1Ics所需要的时间。所需要的时间。上升时间上升时间tr：ic从从0.1Ics上升到上升到0.9Ics所需要的所需要的时间。时间。开通时间开通时间ton：ton=td+tr。第36页/共71页当当vI从从+V跳变跳变-V时，晶体管也不能立即截止，时，晶体管也不能立即截止，要经历一段存储时间要经历一段存储时间ts和一个下降时间和一个下降时间tf，ic才逐渐才逐渐下降到下降到0。存储时间存储时间ts：从：从vI负跳变开始，至集电结负跳变开始，至集电结电流电流ic下降到下降到0.9Ics所需要的时间。所需要的时间。下降
24、时间下降时间tf：ic 从从 0.9Ics下降到下降到0.1Ics所需要所需要的时间。的时间。关断时间关断时间toff：toff=ts+tf。第37页/共71页(2)开关时间形成的原因开关时间形成的原因 首先分析晶体三极管由截止状态过渡到饱和首先分析晶体三极管由截止状态过渡到饱和状态的过程，即发射结由反偏至正偏过程和集电极状态的过程，即发射结由反偏至正偏过程和集电极电流形成过程。电流形成过程。vI由由-V+V时，由于结电容的存在，发射结不时，由于结电容的存在，发射结不能立即由反偏跳变至正偏，要经历空间电荷区由宽能立即由反偏跳变至正偏，要经历空间电荷区由宽变窄，电荷量由多变少变窄，电荷量由多变少
25、(等效于结电容放电等效于结电容放电)的过程。的过程。第38页/共71页 当发射结偏压由当发射结偏压由-V上升到上升到 0.7 V左右，左右，T导通，导通，发射区开始向基区注入电子并扩散至集电结，形成发射区开始向基区注入电子并扩散至集电结，形成集电极电流，这个过程所需要的时间即为延迟时间集电极电流，这个过程所需要的时间即为延迟时间td。延迟时间延迟时间td的长短取决于晶体三极管的结构和的长短取决于晶体三极管的结构和电路工作条件。电路工作条件。三极管结电容越小，三极管结电容越小，td越短；三越短；三极管截止时反偏越大，极管截止时反偏越大，td越长；正向驱动电流越大，越长；正向驱动电流越大，td越短
26、。越短。第39页/共71页 在延迟时间在延迟时间td后，发射区不断向基区注入电子，后，发射区不断向基区注入电子，并扩散至集电结，形成集电极电流，同时在基区累并扩散至集电结，形成集电极电流，同时在基区累积。积。电子浓度在基区不断增加，电子浓度在基区不断增加，ic也逐渐加大。也逐渐加大。上升时间上升时间tr就是就是ic从从0.1Ics上升到上升到0.9Ics基区内电子电基区内电子电荷累积所需要的时间。荷累积所需要的时间。tr的大小也取决于晶体三极管的结构和电路工的大小也取决于晶体三极管的结构和电路工作条件。作条件。基区宽度基区宽度w越小，越小，tr越小；基极驱动电流越小；基极驱动电流越大，越大，t
27、r越短。越短。第40页/共71页 再来分析晶体三极管由饱和状态过渡到截止再来分析晶体三极管由饱和状态过渡到截止状态的过程，即驱散基区多余存储电荷及驱散基区状态的过程，即驱散基区多余存储电荷及驱散基区存储电荷的过程。存储电荷的过程。当当vI=+V时，三极管时，三极管T稳定工作于饱和状态，稳定工作于饱和状态，ibIbs，集电结也正偏，集电区不能收集从发射区注，集电结也正偏，集电区不能收集从发射区注入到基区的全部电子，在基区形成了多余电子积累入到基区的全部电子，在基区形成了多余电子积累QBS。vI由由+V-V，多余电子积累，多余电子积累QBS和基区存储和基区存储电荷电荷QB均不能立即消散。均不能立即
28、消散。在在QBS未消失之前，未消失之前，ic就就维持维持Ics不变，不变，T仍饱和。仍饱和。第41页/共71页 在在-V作用下，随着作用下，随着QBS的减少，饱和深度变浅，的减少，饱和深度变浅，QBS全部消失后，基区电子分布回到全部消失后，基区电子分布回到ic=Ics对应的基对应的基区电子浓度，区电子浓度，T脱离饱和。脱离饱和。ts就是多余存储电荷就是多余存储电荷QBS消失所需的时间。消失所需的时间。饱和度越深，饱和度越深，QBS越多，越多，ts越长；基极反向驱越长；基极反向驱动电流越大，动电流越大，QBS消失越快，消失越快，ts越短。越短。第42页/共71页 QBS 消失后，集电结由正偏转向
29、反偏，基极消失后，集电结由正偏转向反偏，基极反向驱动电流反向驱动电流-ib使基区电子浓度越来越少，使基区电子浓度越来越少，ic也逐也逐渐减少。渐减少。T由导通变为截止。由导通变为截止。ic从从0.9Ics减少至减少至0.1Ics所需的时间就是下降时间所需的时间就是下降时间tf。反向驱动电流反向驱动电流越大，越大，tf越短。越短。第43页/共71页由上述分析可以看出，由上述分析可以看出，td、tr、ts和和tf这四个时这四个时间参数都是以集电极电流的变化情况来测定的。间参数都是以集电极电流的变化情况来测定的。通常通常td 较小，较小，ts随饱和深度而变化。随饱和深度而变化。当饱和较深时，当饱和较
30、深时，ts相对于相对于td、tr和和tf时间最长，成为影响三极管开关时间最长，成为影响三极管开关工作速度的主要原因。工作速度的主要原因。ton和和toff的时间长短与管子的时间长短与管子本身特性有关，也与管子的使用情况有关。本身特性有关，也与管子的使用情况有关。正向正向基极电流基极电流ib越大，越大，ton越短，但这又会使管子饱和深越短，但这又会使管子饱和深度加深，度加深，toff加长；相反，反向基极电流加大，可使加长；相反，反向基极电流加大，可使toff缩短。缩短。第44页/共71页2.1.3 MOS管的开关特性上节介绍的晶体管是双极型的，其内部的两种上节介绍的晶体管是双极型的，其内部的两种
31、载流子载流子(多子和少子多子和少子)均参与导电，少子的飘移运动均参与导电，少子的飘移运动受温度、光照等影响较大，所以其温度特性较差。受温度、光照等影响较大，所以其温度特性较差。MOS管是一种单极型半导体器件，其内部只有多子管是一种单极型半导体器件，其内部只有多子参于导电。参于导电。这种器件受外部因素影响较小，因此这种器件受外部因素影响较小，因此温度稳定性好，又因为温度稳定性好，又因为MOS管集成工艺简单，工作管集成工艺简单，工作速度快，因而被广泛用于大规模和超大规模集成电速度快，因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。路中。第45页/共71页1、MOS管的分类管的分类 MOS管有三个电极：源
32、极管有三个电极：源极S、漏极、漏极D和栅极和栅极G。由于漏极电流受栅由于漏极电流受栅-源电压的控制，故它是电压源电压的控制，故它是电压控制器件。控制器件。MOS管按其沟道可分为管按其沟道可分为P沟道和沟道和N沟道两类，沟道两类，按其工作特性每一类又分为增强型和耗尽型两种。按其工作特性每一类又分为增强型和耗尽型两种。因此因此MOS管的四种类型为：管的四种类型为：N沟道增强型、沟道增强型、N沟道沟道耗尽型、耗尽型、P沟道增强型、沟道增强型、P沟道耗尽型。沟道耗尽型。第46页/共71页 若导电沟道是由若导电沟道是由N型电子形成的，则称为型电子形成的，则称为N沟沟道场效应管或道场效应管或NMOS管；若
33、导电沟道是由管；若导电沟道是由P型空穴型空穴形成的，则称为形成的，则称为P沟道场效应管或沟道场效应管或PMOS管。管。栅栅-源电压源电压vGS为零时漏极电流也为零的管子，均属于为零时漏极电流也为零的管子，均属于增强型管；增强型管；栅栅-源电压源电压vGS为零时漏极电流不为零的为零时漏极电流不为零的管子，均属于耗尽型管。管子，均属于耗尽型管。表表2.1.2列出了四种类型列出了四种类型MOS管的特点。管的特点。第47页/共71页表表2.1.2 四种类型四种类型MOS管的特点管的特点 第48页/共71页由于由于NMOS管沟道中的载流子是电子，其迁移管沟道中的载流子是电子，其迁移率是空穴载流子迁移率的
34、一倍，工作速度较快，因率是空穴载流子迁移率的一倍，工作速度较快，因而而NMOS管应用十分广泛。管应用十分广泛。下面以下面以N沟道增强型沟道增强型MOS管为例进行讨论。管为例进行讨论。第49页/共71页2、N沟道增强型沟道增强型MOS管的结构及工作原理管的结构及工作原理N沟道增强型沟道增强型MOS管的结构如图管的结构如图2.1.10所示。所示。它以一块低掺杂的它以一块低掺杂的P型硅片为衬底，利用扩散工艺制型硅片为衬底，利用扩散工艺制作两个高掺杂的作两个高掺杂的N+区，并引出两个电极，分别为源区，并引出两个电极，分别为源极极S和漏极和漏极D。在半导体上制作一层。在半导体上制作一层SiO2绝缘层，再
35、绝缘层，再在在SiO2上制作一层金属铝，引出栅极上制作一层金属铝，引出栅极G。G、S和和G、D之间均被之间均被SiO2绝缘层隔离，因此也叫绝缘栅型绝缘层隔离，因此也叫绝缘栅型场效应管。场效应管。通常将衬底和源极接在一起使用。通常将衬底和源极接在一起使用。这这样，栅极和衬底各相当于一个极板，中间是绝缘层，样，栅极和衬底各相当于一个极板，中间是绝缘层，形成电容。形成电容。第50页/共71页图图2.1.10 N沟道增强型沟道增强型MOS管管第51页/共71页当栅当栅-源电压源电压vGS变化时，将改变衬底靠近绝缘变化时，将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。层处感应电荷的多少，
36、从而控制漏极电流的大小。工作原理：当工作原理：当G、S间不加电压时，间不加电压时，D、S间是间是两只背对背的两只背对背的PN结，不存在导电沟道；当结，不存在导电沟道；当vDS=0，且且vGS0时，由于时，由于SiO2的存在，栅极电流为零。的存在，栅极电流为零。但栅极金属层将聚集正电荷，排斥但栅极金属层将聚集正电荷，排斥P型衬底靠近型衬底靠近SiO2一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子，形一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子，形成耗尽层。另一方面将衬底的自由电子吸引到耗尽成耗尽层。另一方面将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成层与绝缘层之间，形成D、S之间的导电沟道。之间的导电沟道。第5
37、2页/共71页vGS越大，导电沟道越厚，导电沟道电阻越小。越大，导电沟道越厚，导电沟道电阻越小。这时，若在这时，若在D、S间加正向电压间加正向电压vDS，则产生漏，则产生漏-源电源电流流iDS。使增强型使增强型NMOS管导电沟道刚刚形成的栅管导电沟道刚刚形成的栅-源源电压称为阈值电压电压称为阈值电压(或开启电压或开启电压)，记为，记为VGS(th)N。对于耗尽型对于耗尽型MOS管，其阈值电压为夹断电压，记为管，其阈值电压为夹断电压，记为VGS(off)N。第53页/共71页当当vGSVGS(th)N，管子截止，管子截止，iDS=0；当；当vGSVGS(th)N，产生，产生iDS，随着，随着vG
38、S增加，沟道越宽，增加，沟道越宽，导电沟道的电阻越小。导电沟道的电阻越小。第54页/共71页3、MOS管的输出特性管的输出特性图图2.1.11是是N沟道增强型沟道增强型MOS管输出特性曲线。管输出特性曲线。输出特性曲线表示在一定栅输出特性曲线表示在一定栅-源电压源电压vGS下，漏下，漏-源电源电流流iDS和漏和漏-源电压源电压vDS之间的关系。之间的关系。第55页/共71页图图2.11 N沟道增强型沟道增强型MOS管输出特性曲线管输出特性曲线第56页/共71页从图中可见，它有三个工作区：截止区、非饱从图中可见，它有三个工作区：截止区、非饱和区和饱和区。和区和饱和区。(1)截止区截止区条件：条件
39、：vGSVGS(th)N。特点：特点：D-S极之间还没有形成导电沟道，极之间还没有形成导电沟道，iDS=0，这时，这时，D-S间的内阻间的内阻Roff可达可达109 以上以上,管子截管子截止。止。第57页/共71页(2)非饱和区非饱和区(或称可变电阻区，图中虚线左边或称可变电阻区，图中虚线左边的区域的区域)。条件：条件：vGSVGS(th)N，vDSvGSVGS(th)N。特点：当特点：当vGS一定时，一定时，iDS与与vDS之比近似地等于之比近似地等于一个常数，一个常数，iDS基本随着基本随着vDS线性上升，类似于线性线性上升，类似于线性电阻的性质，其等效导通电阻电阻的性质，其等效导通电阻R
40、on的大小和的大小和vGS的数的数值有关，值有关，vGS越大，曲线越陡，相应的等效导通电越大，曲线越陡，相应的等效导通电阻阻Ron越小。越小。第58页/共71页MOS管工作在非饱和区时的电流方程为：管工作在非饱和区时的电流方程为：MOS管导通电阻管导通电阻Ron为漏源电压为漏源电压vDS与漏源电流与漏源电流iDS的比值，即：的比值，即：当当vDS趋于趋于0时，时，MOS管导通电阻管导通电阻Ron和和vGS的关的关系为：系为：第59页/共71页上页最后公式表明，在上页最后公式表明，在vGS远大于远大于VGS(th)N的情况的情况下，下，Ron近似地与近似地与vGS成反比。因此，为了得到较小成反比
41、。因此，为了得到较小的导通电阻，的导通电阻，vGS的取值应尽可能大。的取值应尽可能大。(3)饱和区饱和区(或称恒流区，图中虚线右边的区域或称恒流区，图中虚线右边的区域)。条件：条件：vGSVGS(th)N，vDSvGS-VGS(th)N。特点：特点：iDS在达到某一数值时，几乎不随在达到某一数值时，几乎不随vDS的增的增加而变化，其大小基本上由加而变化，其大小基本上由vGS决定，进入恒流区，决定，进入恒流区，管子饱和。管子饱和。第60页/共71页第61页/共71页图中的虚线是满足图中的虚线是满足vDS=vGSVGS(th)N的临界点的临界点连接而成的，它作为饱和区和非饱和区的分界线。连接而成的
42、，它作为饱和区和非饱和区的分界线。MOS管工作在饱和时的电流方程为：管工作在饱和时的电流方程为：iDS=kN(vGSVGS(th)N)2 可以看出，在可以看出，在vGS 远大于远大于VGS(th)N的情况下，的情况下，iDS近似地与近似地与v2GS成正比。成正比。第62页/共71页4、转移特性和跨导、转移特性和跨导MOS管的转移特性是指，在漏源电压管的转移特性是指，在漏源电压vDS一定一定时，栅源电压时，栅源电压vGS和漏源电流和漏源电流iDS之间的关系，转移之间的关系，转移特性曲线如图特性曲线如图2.1.12所示。所示。在恒流区中不同的在恒流区中不同的vDS值对转移特性的影响不大。值对转移特
43、性的影响不大。当当vGSVGS(th)N时，时，iDS=0，只有当，只有当vGSVGS(th)N时，在时，在vDS作用下才形成作用下才形成iDS电流。电流。第63页/共71页图图2.12 N沟道沟道MOS管转移特性曲线管转移特性曲线第64页/共71页vGS和和iDS之间的关系，通常用跨导之间的关系，通常用跨导gm这个参数这个参数表示，即：表示，即：它表明了它表明了vGS对对 iDS的控制能力。的控制能力。gm与沟道宽度和与沟道宽度和长度有关。长度有关。沟道宽度越宽、长度越短，沟道宽度越宽、长度越短，gm数值越数值越大，控制能力越强。大，控制能力越强。第65页/共71页5、输入电阻和输入电容、输
44、入电阻和输入电容 MOS管的输入阻抗指栅极到源极管的输入阻抗指栅极到源极(或漏极或漏极)的的电阻。由于有电阻。由于有SiO2绝缘层的阻隔，输入电阻实质上绝缘层的阻隔，输入电阻实质上就是介质就是介质SiO2层的绝缘电阻。层的绝缘电阻。若若SiO2的厚度在的厚度在0.15 m左右，绝缘电阻可达左右，绝缘电阻可达1012 以上，这样，以上，这样，MOS管作为静态负载对前级几乎没有什么影响。管作为静态负载对前级几乎没有什么影响。第66页/共71页MOS管的栅极、源极之间有很小的寄生电容，管的栅极、源极之间有很小的寄生电容，称为输入电容称为输入电容CI,虽然很小虽然很小(几皮法或更小几皮法或更小),但由
45、于但由于输入阻抗极高，漏电流很小，所以可在输入端的栅输入阻抗极高，漏电流很小，所以可在输入端的栅极电容上暂时存储信息。极电容上暂时存储信息。另外，由于输入阻抗极高，很少的电量便可能另外，由于输入阻抗极高，很少的电量便可能感应出很强的电场，造成氧化层击穿，所以没有良感应出很强的电场，造成氧化层击穿，所以没有良好保护的好保护的MOS器件比较容易因静电而损坏。器件比较容易因静电而损坏。第67页/共71页6、MOS管的开关等效电路管的开关等效电路MOS管也可作为开关管。管也可作为开关管。MOS管截止时管截止时vGSVGS(th)N、iDS=0，D-S间的截止内阻间的截止内阻Roff非常大，非常大，只要
46、外接负载电阻只要外接负载电阻RD远远小于远远小于Roff，MOS管就如同管就如同一个断开了的开关；当一个断开了的开关；当MOS管导通时管导通时vGSVGS(th)N，MOS管就如同一个具有内阻管就如同一个具有内阻Ron的闭合了的开关。的闭合了的开关。第68页/共71页 在数字电路中，在数字电路中，MOS管导通时一般都工作在管导通时一般都工作在可变电阻区。可变电阻区。可变电阻区的导通电阻可变电阻区的导通电阻Ron很小，只很小，只有几百欧姆，有时可忽略不计。有几百欧姆，有时可忽略不计。其截止和导通时其截止和导通时的等效电路如图的等效电路如图2.1.13所示。所示。图中图中CI表示栅极的输表示栅极的输入电容。入电容。第69页/共71页图图2.13 MOS管作为开关管的等效电路管作为开关管的等效电路第70页/共71页感谢您的观看！第71页/共71页