第三章mos管和cmos电路

第三章mos管和cmos电路第一页，共38页。与非门扇出系数的计算前级输出为高电平时，求N1时考虑门的输入端的个数；前级输出为低电平时，求N2时不考虑门的输入端的个数。取较小者为扇出系数。或非门扇出系数的计算前级无论输出为高低电平，求N都考虑输入端的个数。【】内容回顾2第二页，共38页。一、MOS管的结构和工作原理S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底金属层氧化物层半导体层PN结§3.5CMOS门电路3.5.1场效应管3第三页，共38页。UDSiD

（1）栅源电压VGS的控制作用当UGS＝0时,因为漏源之间被两个背靠背的PN结隔离，因此，即使在D、S之间加上电压,在D、S间也不可能形成电流。所以UDS>0时，iD＝0。

1.N沟道增强型场效应管的工作原理4第四页，共38页。UDS耗尽层iD当0＜VGS＜UGS(th)(开启电压)时,通过栅极和衬底间的电容作用，将栅极下方P型衬底表层的空穴向下排斥，同时，使两个N区和衬底中的自由电子吸向衬底表层，并与空穴复合而消失，结果在衬底表面形成一薄层负离子的耗尽层。漏源间仍无载流子的通道。管子仍不能导通，处于截止状态。

栅源电压VGS的控制作用5第五页，共38页。UDSiD当VGS＞UGS(th)

(开启电压)时，衬底中的电子进一步被吸至栅极下方的P型衬底表层，使衬底表层中的自由电子数量大于空穴数量，该薄层转换为N型半导体，称此为反型层。形成N源区到N漏区的N型沟道。把开始形成反型层的VGS值称为该管的开启电压UGS(th)

。栅源电压VGS的控制作用导电沟道形成了!!!反型层6第六页，共38页。UDSiD当VGS＞UGS(th)

(开启电压)时，若VDS>0，就能产生漏极电流

ID，即管子开启。VGS值越大，沟道内自由电子越多，沟道电阻越小，在同样VDS

电压作用下，ID就越大。这样，就实现了输入电压VGS对输出电流ID

的控制。栅源电压VGS对ID的控制作用反型层7第七页，共38页。UDSiD(2).漏源电压VDS对沟道导电能力的影响8第八页，共38页。

VGD=VGS-VDS,

当VDS为0或较小时，VGD＞VGS(th)，此时VDS基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。

当VDS增加到使VGD=VGS(th)时，漏极处沟道将缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。源区的自由电子在VDS电场力的作用下，仍能沿着沟道向漏端漂移，一旦到达预夹断区的边界处，就能被预夹断区内的电场力扫至漏区，形成漏极电流。

当VDS增加到使VGDVGS(th)时，预夹断点向源极端延伸成小的夹断区。由于预夹断区呈现高阻，而未夹断沟道部分为低阻，因此，VDS增加的部分基本上降落在该夹断区内，而沟道中的电场力基本不变，漂移电流基本不变，所以，从漏端沟道出现预夹断点开始，ID基本不随VDS增加而变化。9第九页，共38页。MOSFET的特性曲线漏极输出特性曲线10第十页，共38页。此区域内:iD仅与uGS有关。故称为恒流区（饱和区）。N沟道增强型场管特性曲线11第十一页，共38页。该区域中：曲线近似为不同斜率的直线，称为可变电阻区。直线斜率的倒数为d-s间的等效电阻。该电阻值随uGS改变而改变。N沟道增强型场管特性曲线12第十二页，共38页。此区域中:

uGS<uGS(th),iD=0,

称为截止区。N沟道增强型场管特性曲线13第十三页，共38页。DSBGN沟道增强型场效应管NPN型三极管ecbG-------bD-------cS-------e与NPN三极管相似，NMOS管为电压控制器件，当vGS>VGS(th)N，MOS管导通。14第十四页，共38页。与PNP三极管相似，PMOS管为电压控制器件，当UGS<UGS(th)P,MOS管导通（UGS(th)P,为负值电压，该管子由负电压控制）。DSBGP沟道增强型场效应管ecbPNP型三极管15第十五页，共38页。场效应管的开关等效模型基本开关电路截止条件饱和/导通条件开关工作条件饱和/导通状态截止状态开关等效电路增强型NMOS管16第十六页，共38页。增强型MOS管特性小结绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型17第十七页，共38页。耗尽型MOSFET

N沟道耗尽型MOS管，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子，在管子制造过程中，这些正离子已经在漏源之间的衬底表面感应出反型层，形成了导电沟道。因此，使用时无须加开启电压（VGS=0），只要加漏源电压，就会有漏极电流。当VGS＞0时，将使ID进一步增加。VGS＜0时，随着VGS的减小ID逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的VGS值为夹断电压VP。18第十八页，共38页。耗尽型MOSFET的特性曲线绝缘栅场效应管

N沟道耗尽型P沟道耗尽型19第十九页，共38页。绝缘栅增强型N沟P沟绝缘栅耗尽型

N沟道P沟道20第二十页，共38页。双极型三极管与场效应三极管的比较

双极型三极管

场效应三极管

结构NPN型结型N沟道P沟道

与 PNP型绝缘栅增强型N沟道P沟道分类C与E一般不可绝缘栅耗尽型N沟道P沟道倒置使用D与S有的型号可倒置使用载流子多子扩散少子漂移多子漂移输入量电流输入电压输入

控制电流控制电流源电压控制电流源

噪声较大较小温度特性受温度影响较大较小，且有零温度系数点输入电阻几十到几千欧姆几兆欧姆以上静电影响不受静电影响易受静电影响集成工艺不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成21第二十一页，共38页。MOS管有NMOS管和PMOS管两种。当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管(意为互补)。MOS管有增强型和耗尽型两种。在数字电路中，多采用增强型。3.5.2CMOS反相器22第二十二页，共38页。3.5.2CMOS反相器UCCST2DT1AFNMOS管PMOS管CMOS电路23第二十三页，共38页。对于N沟道增强型场效应管：

对于P沟道增强型场效应管：

24第二十四页，共38页。等效电路OFF，截止状态ON，导通状态25第二十五页，共38页。VDDST1DT2vivovi

=VIL

=0截止ugs2=VDD导通v０=VOH

=VDD工作原理：SVDD>UGS(th)N

＋｜UGS(th)P｜UGS(th)N>0UGS(th)P<0v０=

"１"26第二十六页，共38页。VDDST1DT2vivovi=VOH

=VDD导通截止v０=VIL

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

＋｜UGS(th)P｜27第二十七页，共38页。vOVvIVDDVDD21VDD21DD0CMOS反相器电压传输特性曲线UGS2＞UGS(th)N

，|UGS1|

＞|UGS(th)P

|T1导通，T2导通UGS2＜UGS(th)N,|UGS1|＞|UGS(th)P|

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

T1截止，T2导通28第二十八页，共38页。3.5.3其他类型CMOS门电路一、其他功能的CMOS门电路A＝1，B=0，

Y=11001导通截止29第二十九页，共38页。A＝0，B=1，Y=1011导通截止130第三十页，共38页。A＝1，B=1，Y=0111导通0截止综合上述：31第三十一页，共38页。或非门32第三十二页，共38页。CMOS传输门(a)电路；(b)符号二、CMOS传输门和双向模拟开关CC′V2V1UI/UOUO/UIUDD(a)TGUI/UOUO/UIC′C(b)C=1，＝0传输门导通C=0，＝1传输门截止33第三十三页，共38页。把一个传输门TG和一个非门按图(a)连接起来，即可构成模拟开关，其符号图(b)所示。当C=1时，开关接通；当C=0时，开关断开。该模拟开关也是双向器件。CMOS模拟开关(a)电路；(b)符号二、CMOS传输门和双向模拟开关C=1时，开关接通C=0时，开关截止34第三十四页，共38页。三态输出的CMOS门电路输出呈高阻态输出呈高阻态AFAFAF输出呈高阻态35第三十五页，共38页。【例】说明图中CMOS电路的输出状态。0010k51ΩVIH栅极电流为0注意；CMOS门电路与TTL门电路的区别36第三十六页，共38页。（1）微功耗。

CMOS电路静态电流很小，约为纳安数