數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)課件：3-4

3.4

MOS邏輯門3.4.1

MOS晶體管3.4.2

MOS反相器和門電路圖3-4-1

N溝道增強(qiáng)型MOS管N+N+SGDSiO2P-Si(a)結(jié)構(gòu)示意圖(b)符號(hào)SGD3.4.1

MOS晶體管

MOS（MetalOxideSemiconductor）集成電路的基本元件是MOS晶體管。MOS管有三個(gè)電極：源極S、漏極D和柵極G。它是用柵極電壓來(lái)控制漏源電流。

MOS管有P型溝道和N型溝道兩種，按其工作特性又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩類。下面以N溝道增強(qiáng)型MOS管為例進(jìn)行討論。圖3-4-2

N溝道增強(qiáng)型MOS管輸出特性曲線OiDSvDS(Ⅰ)非飽和區(qū)(Ⅱ)非飽和區(qū)(Ⅲ)截止區(qū)vDS=vGS-VGS(th)NvGS>0１．輸出特性曲線和閾值電壓輸出特性曲線表示在一定柵源電壓vGS下，漏源電流iDS和漏源電壓vDS之間的關(guān)系。

非飽和區(qū)：vDS很小，當(dāng)滿足vDS<(vGS-VGS(th)N)時(shí)，iDS基本上隨vDS線性上升。vGS越大，曲線越陡，相應(yīng)等效電阻越小。該區(qū)域又稱為可調(diào)電阻區(qū)域。

飽和區(qū)：當(dāng)vDS≥(vGS-VGS(th)N)以后，漏極附近的溝道被夾斷。iDS不隨vDS線性上升，而是達(dá)到某一數(shù)值，幾乎近似不變。圖3-4-3

N溝道MOS

管轉(zhuǎn)移特性O(shè)iDSvGSVGS(th)NvDS=常數(shù)截止區(qū)：vGS<VGS(th)N，還沒(méi)有形成導(dǎo)電溝道，因此iDS=0。２．轉(zhuǎn)移特性和跨導(dǎo)

MOS管的轉(zhuǎn)移特性是指在漏源電壓vDS一定時(shí)，柵源電壓vGS和漏源電流iDS之間的關(guān)系。當(dāng)vGS<VGS(th)N時(shí)，iDS=0，只有當(dāng)vGS>VGS(th)N后，在vDS作用下才形成iDS電流。

vGS和iDS之間的關(guān)系，通常用跨導(dǎo)gm這個(gè)參數(shù)表示。即：它表明了vGS對(duì)iDS的控制能力，數(shù)值越大，柵極控制作用越強(qiáng)。３．輸入電阻和輸入電容

MOS管的柵、源兩極通常作為輸入端，輸入電阻實(shí)質(zhì)上就是介質(zhì)SiO2層的絕緣電阻。若SiO2的厚度在0.15μm左右，絕緣電阻可達(dá)1012Ω以上。

MOS管的高輸入電阻，使得其靜態(tài)負(fù)載能力很強(qiáng)；柵極泄漏電流很小，可以將信息在輸入端的柵極電容上暫存，為動(dòng)態(tài)MOS電容和大規(guī)模存儲(chǔ)電路的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件。

MOS管的輸入電容是指柵、源之間存在很小的寄生電容，其數(shù)值約為百分之幾皮法到幾皮法。４．直流導(dǎo)通電阻

MOS管導(dǎo)通時(shí)，漏源電壓vDS和漏源電流iDS的比值稱為直流導(dǎo)通電阻3.4.2

MOS反相器和門電路在MOS集成電路中，反相器是基本的單元。按其結(jié)構(gòu)和負(fù)載不同，可大致分為四種類型。

(1)電阻負(fù)載MOS電路

(2)E/EMOS（Enhancement/EnhancementMOS）反相器

(3)E/DMOS（Enhancement/DepletionMOS）反相器

(4)CMOS（ComplementaryMOS）反相器其中電阻負(fù)載MOS電路的輸入器件是增強(qiáng)型MOS管，負(fù)載是線性電阻，這種反相器在集成電路中很少使用。本節(jié)主要討論以MOS管作為負(fù)載器件的反相器及邏輯門電路。圖3-4-4

E/EMOS反相器SGDSGDvIvOVDDTLT0１．E/EMOS反相器及邏輯門電路

特點(diǎn)：(1)單一電源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；

(2)負(fù)載管始終工作于飽和區(qū)，工作速度低，功耗大；

(3)最大輸出電壓為VDD-VGS(th)NL，有不必要的電源損耗；

(4)輸出高、低電平之比VOH/VOL=2gm0/gmL，又稱為“有比電路”。圖3-4-5

E/EMOS反相器的圖解分析OiDSvDSLVGS(th)NLiDS=k(vDSL-VGS(th)NL)2OiDSvDS0VDD-VGS(th)NLVDDA●BTLT0(a)(b)圖3-4-6

E/EMOS與非門、或非門電路AYVDDTLT1BT2YVDDTLAT1BT2(a)E/EMOS與非門(b)E/EMOS或非門

E/EMOS與非門、或非門電路只有當(dāng)輸入信號(hào)大于VGS(th)NL時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入管才導(dǎo)通，否則截止。圖3-4-7

E/EMOS與門、或門電路AVDDT3T2BT1T3AT1BT2(a)E/EMOS與門(b)E/EMOS或門YT5T4VDDYT5T4

E/EMOS與門、或門電路常用E/EMOS門電路還有采用PMOS管的，其電路形式與NMOS相同，不同的是：(1)電源電壓為負(fù)電壓(-VDD)；(2)輸出高電平為0V，輸出低電平為[-VDD-(-VGS(th)PL)]。圖3-4-8

E/DMOS反相器SGDSGDvIvOVDDTLT0●２．E/DMOS反相器及邏輯門電路

特點(diǎn)：(1)最大輸出電壓VOH=VDD,充分利用電源；

(2)負(fù)載管在反相器開(kāi)態(tài)時(shí)，具有恒流作用，可提高工作速度；

(3)制造中，盡量使|VGS(off)P|減小，使VOL接近0V。圖3-4-9

N溝道耗盡型MOS管特性曲線OiDSvDSvGS>0vGS<0vGS=0圖3-4-10

E/DMOS反相器負(fù)載線

的圖解分析OiDSvDS0VDDABTLT0●vI=VDD圖3-4-11

E/DMOS邏輯門電路AY=A·BVDDTLT1BT2Y=A+BVD