3.3 CMOS门电路

最新推荐文章于 2025-05-26 10:20:37 发布

夏驰和徐策

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分类专栏：程序猿之数字电路文章标签：数字电子技术基础

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3.3 CMOS门电路

3.3.1 MOS管的开关特性

在CMOS集成电路中，以金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，简称MOS管）作为开关器件。

一、MOS管的结构和工作原理

图3.3.1所示是MOS管的结构示意图和符号。在P型半导体衬底（图中用B标示）上，制作两个高掺杂浓度的N型区，形成MOS管的源极S（Source）和漏极D（Drain）。第三个电极称为栅极G（Gate），通常用金属铝或多晶硅制作。栅极和衬底之间被二氧化硅绝缘层隔开，绝缘层的厚度极薄，在0.1微米以内。

图3.3.1 MOS管的结构和符号

如果在漏极和源极之间加上电压 𝑉𝐷𝑆VDS，而令栅极和源极之间的电压 𝑉𝐺𝑆=0VGS=0，则由于漏极和源极之间相当于两个PN结背向地串联，所以 𝑉𝐷𝑆VDS 间不导通，𝐼𝐷=0ID=0。

当栅极和源极之间加有正电压 𝑉𝐺𝑆VGS，而且大于某个电压值 𝑉𝑡ℎVth 时，由于栅极与衬底间电场的吸引，使衬底中的少数载流子——电子聚集到栅极下面的衬底表面，形成一个N型的反型层。这个反型层就构成了D-S间的导电沟道，于是有电流 𝐼𝐷ID 流通。𝑉𝑡ℎVth 称为MOS管的开启电压。因为导电沟道属于N型，而且在 𝑉𝐺𝑆=0VGS=0 时不存在导电沟道，必须加以足够高的栅极电压才有导电沟道形成，所以将这种类型的MOS管称为N沟道增强型MOS管。

随着 𝑉𝐺𝑆VGS 的升高，导电沟道的截面积也将加大， 𝐼𝐷ID 增加。因此，可以通过改变 𝑉𝐺𝑆VGS 的大小控制 𝐼𝐷ID 。

二、MOS管的输入特性和输出特性

若以栅极-源极间的回路为输入回路，以漏极-源极间的回路为输出回路，则称为共源接法，如图3.3.2(a)所示。由图3.3.1可见，栅极和衬底间被二氧化硅绝缘层所隔离，在栅极和源极间加上电压以后，不会有栅极电流流通，可以认为栅极电流等于零。因此，就不必要再画输入特性曲线来表示了。

图3.3.2(b)给出了共源极接法下的输出特性曲线。这个曲线又称为MOS管的漏极特性曲线。

图3.3.2 MOS管共源接法及其输出特性曲线

漏极特性曲线分为三个工作区。当 𝑉𝐷𝑆<𝑉𝑡ℎVDS<Vth 时，漏极和源极之间没有导电沟道， 𝐼𝐷=0ID=0。这时 𝑉𝐷𝑆VDS 间的内阻非常大，可达10^9欧姆以上。因此，将曲线上 𝑉𝐷𝑆<𝑉𝑡ℎVDS<Vth 的区域称为截止区。

当 𝑉𝐷𝑆>𝑉𝑡ℎVDS>Vth 以后， 𝑉𝐷𝑆VDS 间出现导电沟道，有 𝐼𝐷ID 产生。曲线上 𝑉𝐷𝑆>𝑉𝑡ℎVDS>Vth 的部分又可分成两个区域。图3.3.2(b)所示漏极特性上虚线左边的区域称为可变电阻区。在这个区域里，当 𝑉𝐺𝑆VGS 一定时， 𝐼𝐷ID 与 𝑉𝐷𝑆VDS 之比近似地等于一个常数，具有类似于线性电阻的性质。等效电阻的大小和 𝑉𝐺𝑆VGS 的数值有关。在 𝑉𝐺𝑆=0VGS=0 时，MOS导通电阻 𝑅𝐷𝑆(𝑜𝑛)RDS(on) 和 𝑉𝐺𝑆VGS 的关系由下式给出：

𝑅𝐷𝑆(𝑜𝑛)≈1𝜇𝐶𝑜𝑥𝑊𝐿(𝑉𝐺𝑆−𝑉𝑡ℎ)RDS(on)≈μCoxLW(VGS−Vth)1

上式表明，在 𝑉𝐺𝑆>𝑉𝑡ℎVGS>Vth 的情况下， 𝑅𝐷𝑆(𝑜𝑛)RDS(on) 近似地与 𝑉𝐺𝑆VGS 成反比。为了得到较小的导通电阻，应取尽可能大的 𝑉𝐺𝑆VGS 值。

图3.3.2(b)中漏极特性曲线上虚线以右的区域称为恒流区。恒流区里漏极电流 𝐼𝐷ID 的大小基本上由 𝑉𝐺𝑆VGS 决定， 𝑉𝐷𝑆VDS 的变化对 𝐼𝐷ID 的影响很小。 𝐼𝐷ID 与 𝑉𝐺𝑆VGS 的关系由下式给出：

𝐼𝐷=12𝜇𝐶𝑜𝑥𝑊𝐿(𝑉𝐺𝑆−𝑉𝑡ℎ)2ID=21μCoxLW(VGS−Vth)2

表示 𝐼𝐷ID 与 𝑉𝐺𝑆VGS 关系的曲线称为MOS管的转移特性曲线，如图3.3.3所示。这条曲线也可以从漏极特性曲线做出。在恒流区中 𝑉𝐷𝑆VDS 为不同数值时对转移特性的影响不大。

图3.3.3 MOS管的转移特性曲线

三、MOS管的基本开关电路

以MOS管取代图3.1.1(a)中的开关S，便得到了图3.3.4所示的MOS管开关电路。

图3.3.4 MOS管的基本开关电路

当 𝑉𝐺𝑆<𝑉𝑡ℎVGS<Vth 时，MOS管工作在截止区。只要负载电阻 𝑅𝐿RL 远远小于MOS管的截止内阻 𝑅𝑜𝑓𝑓Roff，在输出端即为高电平 𝑉𝐷𝐷VDD，且 𝑉𝑜𝑢𝑡=𝑉𝐷𝐷Vout=VDD。这时MOS管的D-S间就相当于一个断开的开关。

当 𝑉𝐺𝑆>𝑉𝑡ℎVGS>Vth，并且在 𝑉𝐷𝑆VDS 较高的情况下，MOS管工作在恒流区，随着 𝑉𝐺𝑆VGS 的升高， 𝐼𝐷ID 增加，而 𝑉𝑜𝑢𝑡Vout 随之下降。由于 𝑉𝐺𝑆VGS 与 𝐼𝐷ID 变化量之比不是正比关系，所以 𝑉𝑜𝑢𝑡Vout 为不同数值下 Δ𝑉𝑜𝑢𝑡ΔVout 与 Δ𝑉𝐺𝑆ΔVGS 之比（即电压放大倍数）也不是常数。这时电路工作在放大状态。

当 𝑉𝐺𝑆VGS 继续升高以后，MOS管的导通内阻 𝑅𝐷𝑆(𝑜𝑛)RDS(on) 变得很小（通常在1 k欧姆以内，有的甚至可以小于100欧姆），只要 𝑅𝐿>𝑅𝐷𝑆(𝑜𝑛)RL>RDS(on)，则开关电路的输出端将为低电平 𝑉𝑜𝑢𝑡Vout，且 𝑉𝑜𝑢𝑡=0Vout=0。这时MOS管的D-S间相当于一个闭合的开关。

综上所述，只要电路参数选择得合理，就可以做到输入为低电平时MOS管截止，开关电路输出高电平；而输入为高电平时MOS管导通，开关电路输出低电平。

四、MOS管的开关等效电路

由于MOS管截止时漏极和源极之间的内阻 𝑅𝑜𝑓𝑓Roff 非常大，所以截止状态下的等效电路可以用断开的开关代替，如图3.3.5(a)所示。MOS管导通状态下的内阻 𝑅𝐷𝑆(𝑜𝑛)RDS(on) 约在1 k欧姆以内，而且与 𝑉𝐺𝑆VGS 的数值有关。因为这个电阻阻值有时不能忽略不计，所以在图3.3.5(b)导通状态的等效电路中画出了导通电阻 𝑅𝐷𝑆(𝑜𝑛)RDS(on)。

图中的 𝐶𝐺𝑆CGS 代表栅极的输入电容。𝐶𝐺𝑆CGS 的数值约为几皮法。由于开关电路的输出端不可避免地会带有一定的负载电容，所以在动态工作情况下（即 𝑉𝐺𝑆VGS 在高、低电平间跳变时），漏极电流 𝐼𝐷ID 的变化和输出电压 𝑉𝑜𝑢𝑡Vout 的变化都将滞后于输入电压的变化。

图3.3.5 MOS管的开关等效电路

五、MOS管的四种类型

N沟道增强型 图3.3.1中的MOS管属于N沟道增强型。这种类型的MOS管采用P型衬底，导电沟道是N型。在 𝑉𝐺𝑆=0VGS=0 时没有导电沟道，开启电压 𝑉𝑡ℎVth 为正。工作时使用正电源，同时应将衬底接源极或者接到系统的最低电位上。

在图3.3.1给出的符号中，用D-S间断开的线段表示 𝑉𝐺𝑆=0VGS=0 时没有导电沟道，即MOS管为增强型。衬底B上的箭头指向MOS管内部，表示导电沟道为N型。栅极引出端画在靠近源极一侧。
P沟道增强型 图3.3.6是P沟道增强型MOS管的结构示意图和符号。它采用N型衬底，导电沟道为P型。 𝑉𝐺𝑆=0VGS=0 时不存在导电沟道，只有在栅极上加以足够大的负电压时，才能把N型衬底中的少数载流子——空穴吸引到栅极下面的衬底表面，形成P型的导电沟道。因此，P沟道增强型MOS管的开启电压 𝑉𝑡ℎVth 为负值。这种MOS管工作时使用负电源，同时需将衬底接源极或接至系统的最高电位上。

图3.3.6 P沟道增强型MOS管的结构与符号
P沟道增强型MOS管的符号如图3.3.6中所示，其中衬底上指向外部的箭头表示导电沟道为P型。

图3.3.7 P沟道增强型MOS管的漏极特性
图3.3.8是P沟道增强型MOS管的开关电路。当 𝑉𝐺𝑆=0VGS=0 时，MOS管不导通，输出为低电平 𝑉𝑆𝑆VSS。只要 𝑅𝐿RL 远小于MOS管的截止内阻 𝑅𝑜𝑓𝑓Roff，则 𝑉𝑜𝑢𝑡=𝑉𝑆𝑆Vout=VSS。

图3.3.8 用P沟道增强型MOS管接成的开关电路
当 𝑉𝐺𝑆<𝑉𝑡ℎVGS<Vth 时，MOS管导通，输出为高电平 𝑉𝐷𝐷VDD。只要 𝑅𝐿RL 远大于MOS管的导通内阻 𝑅𝐷𝑆(𝑜𝑛)RDS(on)，则 𝑉𝑜𝑢𝑡≈0Vout≈0。
N沟道耗尽型 N沟道耗尽型MOS管的结构形式与N沟道增强型MOS管的相同，都采用P型衬底，导电沟道为N型。所不同的是在耗尽型MOS管中，栅极下面的二氧化硅绝缘层中掺进了一定浓度的正离子。这些正离子所形成的电场足以将衬底中的少数载流子——电子吸引到栅极下面的衬底表面，在D-S间形成导电沟道。因此，在 𝑉𝐺𝑆=0VGS=0 时就已经有导电沟道存在了。𝑉𝐺𝑆VGS 为正时导电沟道变宽，𝐼𝐷ID 增大； 𝑉𝐺𝑆VGS 为负时导电沟道变窄， 𝐼𝐷ID 减小。直到 𝑉𝐺𝑆VGS 小于某一个负电压值 𝑉𝑡ℎ(𝑜𝑓𝑓)Vth(off) 时，导电沟道才消失，MOS管截止。 𝑉𝑡ℎ(𝑜𝑓𝑓)Vth(off) 称为N沟道耗尽型MOS管的夹断电压。

图3.3.9 N沟道耗尽型MOS管的符号
在正常工作时，N沟道耗尽型MOS管的衬底同样应接至源极或系统的最低电位上。
P沟道耗尽型 P沟道耗尽型MOS管与P沟道增强型MOS管的结构形式相同，也是N型衬底，导电沟道为P型。所不同的是在P沟道耗尽型MOS管中， 𝑉𝐺𝑆=0VGS=0 时已经有导电沟道存在了。当 𝑉𝐺𝑆VGS 为负时导电沟道进一步加宽， 𝐼𝐷ID 的绝对值增加；而 𝑉𝐺𝑆VGS 为正时导电沟道变窄， 𝐼𝐷ID 的绝对值减小。当 𝑉𝐺𝑆VGS 的正电压大于夹断电压 𝑉𝑡ℎ(𝑜𝑓𝑓)Vth(off) 时，导电沟道消失，管子截止。

图3.3.10 P沟道耗尽型MOS管的符号
工作时应将P沟道耗尽型MOS管的衬底和源极相连，或将衬底接至系统的最高电位上。