MOS管的开关特性

MOS管的开关特性

MOS管最显著的特点也就是具有放大能力。不过它就是通过栅极电压uGS控制其工作状态的,就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、漏极特性与转移特性

1. 结构示意图与符号

从图2、1、12(a)所示结构示意图中可以瞧出,MOS管就是由金属-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与漏极D,同时在源极与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,这样得到的便就是N沟道MOS管。

2. 漏极特性

反映漏极电流iD与漏极-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与源极S之间就是两个背靠背的PN结,即使在漏极加上正电压(uDS>0V),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2、1、13中UTN=2V)时,栅极与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——反型层,把两个N+区连接起来,也即沟通了漏极与源极。所以,称此管为N沟道增强型MOS管。

可变电阻区:当uGS>UTN后,在uDS比较小时,iD与uDS成近似线性关系,因此可把漏极与源极之间瞧成就是一个可由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(饱与区):当uGS>UTN后,在uDS比较大时,iD仅决定于uGS(饱与),而与uDS 几乎无关,特性曲线近似水平线,D、S之间可以瞧成为一个受uGS控制的电流源。

在数字电路中,MOS管不就是工作在截止区,就就是工作在可变电阻区,恒流区只就是一种瞬间即逝的过度状态。

3. 转移特性

反映漏极电流iD与栅源电压uGS关系的曲线叫做转移特性曲线,简称为转移特性, 也就就是表示函数iD=f(uGS)|uDS

的几何图形,如图2、1、13(b )所示。

当uGSUTN之后,只要在恒流区,转移特性曲线基本上就是重合在一起的。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

上面讲的就是Ｎ沟道增强型ＭＯＳ管。对于Ｐ沟道增强型ＭＯＳ管,无论就是结构、符

号,还就是特性曲线,与Ｎ沟道增强型ＭＯＳ管都有着明显的对偶关系。其衬底就是Ｎ型硅,漏极与源极就是两个Ｐ+区,而且它的uGS、uDS极性都就是负的,开启电压ＵTP也就是负值。Ｐ沟道增强型ＭＯＳ管的结构、符号、漏极特性与转移特性如图２、１、１４所示。

(二) MOS管的开关作用

１. 开关应用举例

如图２、１、１５所示,就是一个最简单的ＭＯＳ管开关电路,输入电压就是u1,输

出电压就是uO。当u1较小时,ＭＯＳ管就是截止的,uO=UOH=VDD;当u1较大时,ＭＯＳ管就是导通的, ,由于RON<

２. 静态开关特性

(１) 截止条件与截止时的特点

① 截止条件:当ＭＯＳ管栅源电压uGS小于其开启电压ＵTN时,

将处于截止状态,因为漏极与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。

②截止时的特点:iD=0,ＭＯＳ管如同一个断开了的开关。

(２) 导通条件与导通时的特点

① 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。

② 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,它们分别就是栅源电容ＣＧＳ、栅漏电容ＣＧＤ与漏源电容ＣＤＳ。ＣＧＳ、ＣＧＤ一般为１～３pF,ＣＤＳ约为０、１～１pF。在数字电路中,ＭＯＳ管的动态特性,即开关速度就是搜这些电容充、放电过程制约的。

(二) 开关时间

１. uI与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ＵIL＝０Ｖ跳变到ＵIH＝ＶDD时,ＭＯＳ管需要经过导通延迟

时td1与上升时间tr之后,才能由截止状态转换到导通状态。开通时间

ton=td1+tr

３. 关断时间toff

当u1由ＵIH＝ＶDD跳变到ＵIL＝０Ｖ时,ＭＯＳ管经过关断延迟时间

td2与下降时间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,就是造成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与导通电阻要大得多,ＲD也比ＲC大,所以它的开通与关断时间,也比晶体管长,也即其动态特性较差。不过,在CMOS电路中,由于充电电路与放电电路都就是低阻电路,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。