第五章 MOS场效应管的特性.
半导体器件原理 第五章
能带图
MOS结构的物理性质可以借助简单的平行板电容器加以解释
p型衬底MOS电容器的能带图 (a)加负栅压 多子积累： 1）能带（向上）弯曲并接近EF； 2）多子（空穴）在半导体表面积累，越接近半导体表面多子 浓度越高。 由于MOS系统处于热平衡状态且无通过氧化层的电流，使 得半导体中的费米能级为一常数。
场效应晶体管【Field Effect Transistor缩写(FET)】简 称场效应管。由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体 管，它属于输入电压控制输出电流的半导体器件，仅由一 种载流子参与导电。
电场
D
电 流
S
场效应晶体管，FET, field effect transistor
利用垂直于导电沟道的输入电压的电场作用，控制导电沟道 输出电流的一种半导体器件.
实例：N a 3 1016 cm3 T 300K
fp 0.347V s反型 2 fp 0.695V
ns 1 1016 cm3
33
表面空间电荷层电荷与表面势的关系
p型Si衬底VGS 时 半导体表面状态的变化
堆积 平带（电荷为零）
耗尽0≤Φs ≤ Φfp
16
空间电荷区厚度
阈值反型点条件：表面处的电子浓度=体内的空穴浓度 P型半导体在阈值反型点时的能带图
P型衬底
栅电压=阈值电压
5MOS场效应管的特性
11
5MOS场效应管的特性
2）当Vgs>0时，栅极上的正电荷排斥了Si中的空穴，在 栅极下面的Si表面上，形成了一个耗尽区。
耗尽区中没有可以自由活动的载流子，只有空穴被赶走后 剩下的固定的负电荷。这些束缚电荷是分布在厚度为Xp的 整个耗尽区内，而栅极上的正电荷则集中在栅极表面。这 说明了MOS电容器可以看成两个电容器的串联。
是一个非线性电容，随电位差的增大而减小。
14
5MOS场效应管的特性
• 随着Vgs的增大，排斥掉更多的空穴，耗尽层厚度 Xp增大，耗尽层上的电压降就增大，因而耗尽层 电容CSi就减小。耗尽层上的电压降的增大，实际 上就意味着Si表面电位势垒的下降，意味着Si表面 能级的下降。
• 一旦Si表面能级下降到P型衬底的费米能级，Si表 面的半导体呈中性。这时，在Si表面，电子浓度 与空穴浓度相等，成为本征半导体。
poly-Si G
D diffusion W
S
• 栅来自百度文库:
L
• 栅宽:
W
• 氧化层厚度: tox
t ox L
p+/n+
4
5MOS场效应管的特性
• Lmin、 Wmin和 tox 由工艺确定 • Lmin： MOS工艺的特征尺寸(feature size)
MOS场效应管特性曲线及主要参数
iD/mA
vDS＝vGS－VT(或 vGD＝vGS－vDS＝VT)
可变电阻区 A
3V
2 (非饱和区)
饱和区
iD/mA A
2
1.5
1
vDC＝5V
B
C 0.5
VT
D
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
vGS/V
1.5
B
2.5V
1
C
2V
0.5
D vGS＝1.5V
截止区
饱和区 2.5V
2V vGS＝1.5V
截止区
必 须 让 FET 工 作 在 饱 和 区 0 2.5 5 7.5 10
vDS/V
（放大区）才有放大作用。
5
Lec 05
华中科技大学电信系 张林
MOSFET是如何实现信号放大的？
➢ 控制关系是线性的吗？
饱和区的转移特性曲线及方程
预夹断临界点轨迹
iD f (vGS) vDS const.
化层单位面积电容
iD/mA
vDS＝vGS－VT(或 vGD＝vGS－vDS＝VT)
可变电阻区
3V
2 (非饱和区)
饱和区
1.5 2.5V
1
2V
0.5
vGS＝1.5V
截止区
0 2.5 5 7.5 10
模拟电子技术第五章场效应管及其放大电路
此时VDS 基 称为预夹断。源区 于预夹断(jiā duàn)区呈现
本均匀降落 的自由电子在VDS 高阻，而未夹断(jiā duà源自文库)
在沟道(ɡōu 电场力的作用下， dào)中，沟 仍能沿着沟道向漏 道呈(斜ɡō线u 分dà布o) 。端预(bi漂夹ān移 断jiè， 区)处一 的，旦 边就到 界能达
二、交流(jiāoliú)参
数1. 输出电阻rds
用以描述漏源电压vDS 对漏极电流iD的影响，相当于漏极特性上某点切 线斜率的倒数。饱和区输出电阻很大，一般为几十到几百千欧。
rds
vDS iD
VGS
2. 低频互导（跨导） gm
Kn vGS VT
单位 (dānwèi):
2
1
1
iD
用以描述栅源电压vGS 对漏mS极或μ电S 流iD的控制作用，相当
第十七页，共54页。
绝缘栅场效应管
N
沟 道 增 强 型
P 沟 道
增 强
型
第十八页，共54页。
N 沟
道
耗
绝尽 缘型
(ju
éy P uá 沟 n) 道 栅耗 场尽 效型 应 管
第十九页，共54页。
5.1.5 MOSFET的主要参数
一、直流参数(cānshù)
1. 开启电压VT（增强型）
vDS一定时，使漏极电流iD等于微小电流的vGS。
mos管 场效应管
mos管场效应管
摘要：
1.引言
2.什么是MOS 管和场效应管
3.MOS 管和场效应管的工作原理
4.MOS 管和场效应管的特性比较
5.MOS 管和场效应管的应用领域
6.结论
正文：
MOS 管和场效应管是两种不同类型的半导体器件，它们都具有放大和开关等功能，广泛应用于各种电子设备中。下面将从它们的定义、工作原理、特性比较和应用领域等方面进行详细介绍。
1.引言
MOS 管（Metal-Oxide-Semiconductor Transistor，金属- 氧化物- 半导体晶体管）和场效应管（Field Effect Transistor，场效应晶体管）是两种常见的半导体器件，它们在现代电子设备中扮演着重要角色。本文将对这两种器件进行详细解析，以帮助读者更好地理解它们的工作原理和应用。
2.什么是MOS 管和场效应管
MOS 管是一种三端半导体器件，由金属导电层、氧化物绝缘层和半导体基片组成。它的主要功能是控制电路中的电流流动，具有高输入阻抗、低噪声和低功耗等特点。
场效应管是一种四端半导体器件，由源极、漏极、栅极和衬底组成。它的主要功能是通过改变栅极电势来调节源漏电流，具有响应速度快、驱动能力强和可控制的电流增益等特点。
3.MOS 管和场效应管的工作原理
MOS 管的工作原理：当栅极施加正向电压时，栅极和源极之间的绝缘层上会形成一个正向电场。这个电场可以吸引源极处的电子，使其向栅极方向运动。如果这个电子流足够大，就会形成一个电流，从而导致MOS 管的导通。
场效应管的工作原理：当栅极施加正向电压时，栅极和源极之间的绝缘层上会形成一个正向电场。这个电场会使得源极处的电子被吸引到靠近栅极的位置，从而减小源极和漏极之间的电阻。如果栅极电压足够大，源漏电流将显著增加，从而导致场效应管的导通。
模拟电子技术第五章场效应管及其放大电路
1 简单的共源极放大电路
一、静态工作点的计算
iD Kn 2 vGS VT vDS vD2S
iD 2Kn vGS VT vDS
VGS
Rg 2 Rg1 Rg 2
VDD
I D Kn VGS VT 2
VDS VDD I D Rd
3、转移特性与漏极特性间的关系
①在漏极特性上,对应某一vDS,作一垂直线； ②该垂线与各漏极特性相交得到一组交点； ③由各交点所对应的vGS 和iD值可画出对应的转移特性。
5.1.2 N沟道耗尽型 MOSFET
一、结构与符号
P沟道 PNP
N沟道 NPN
二、工作原理
1.vGS=0 vDS >0
预埋在绝缘层 中的正离子能 感应出负电荷
iD Kn 2 vGS VT vDS vD2S
Kn
K n 2
W L
nCox
2
W L
②可变电阻区特性曲线原点附近：
Kn为电导常数，单位：
mnA：/反V2型层中电子迁移率
Cox ：栅极（与衬底间）氧 化层单位面积电容
iD 2Kn vGS VT vDS
rdso
dvDS diD
vGS 常数
二、交流参数
1. 输出电阻rds
用以描述漏源电压vDS 对漏极电流iD的影响，相当于漏极特性上某点 切线斜率的倒数。饱和区输出电阻很大，一般为几十到几百千欧。
第5章(09)场效应管放大器
漏源电压VDS对iD的影响 * 在栅源间加电压VGS，漏源间加电压VDS。 由于漏源间有一电位梯度VDS 耗尽层上下量端受的反偏电压不同 上端（漏端）VGD=VGS-VDS 即 |VGD|=|VGS|+|VDS| 下端（源端）VGD=VGS
使沟道呈楔形
随VDS增大，这种不均匀性越明显。
沟道夹断前，iD 与 vDS 近似呈 线性关系。
第5章
场效应管及其基本放大电路
5.1 场效应管
1. 特点: (1)导电能力由电压控制的半导体器件。 (2) 仅靠多数载流子导电,又称单极型晶体管。 (3) 体积小、耗电少、寿命长等优点， (4) 输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、 噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。 (5)广泛用于大规模及超大规模集成电路。
绝缘栅型场效应管( Metal Oxide Semiconductor ) —— MOSFET 类型及其符号: 增强型 (N沟道、P沟道), VGS=0 时无导电沟道，iD=0
耗尽型 (N沟道、P沟道)，VGS=0 时已有导电沟道。
N沟道 P沟道 增强型
N沟道 P沟道 耗尽型
5.1.1 N沟道增强型绝缘栅场效应管NMOS
增强型MOS管特性小结
பைடு நூலகம்N 沟 道 绝 增 缘 强 型
栅 场 效 应 管
P 沟 道 增 强 型
耗尽型MOSFET
电子电工学——模拟电子技术 第五章 场效应管放大电路
JFET的特性曲线及参数
1.转移特性 iD f ( vGS ) vDS常数
转移曲线可以由肖克利方程或输出曲线获得
输出电流同输入控 制量之间的关系
在VP≤VGS≤0范围内
肖克利方程
两个重要参数
iD
I DSS
2 1
1
vDS
0.1V 1 沟道长度调制参数 L的单位为m。
L
5.1.5 MOSFET的主要参数
一、直流参数 二、交流参数 三、极限参数
一、直流参数
1. 饱和漏极电流IDSS
为耗尽型场效应管的一个重要参数。
2. 夹断电压VP
为耗尽型场效应管的一个重要参数。
3. 开启电压 VT 为增强型场效应管的一个重要参数。
2)vGS＞VT，出现N型沟道
当栅源电压vGS＞0时，在vGS作用 下，产生了垂直于衬底表面的电
场，使P型区表层中的空穴被排
斥，留下不能移动的负离子，形
成耗尽层，同时P型区中的少数
电子被吸引到衬底表面，当vGS ＞VT（开启电压,阀值电压VGS （Th)）时，在表面形成一个N型 导电沟道，称之为反型层，构成
(3) 制造工艺比较简单，便于大规模集成，且噪声较小。 (4) 类型较多，使电路设计灵活性增大。
场效应管分类
绝缘栅场效应管MOSFET(IGFET) 结型场效应管JFET 金属半导体场效应管MESFET
场效应管的特性
场交攵应管的特性
根据三极管的原理开发出的新一代放大元件，有3个极性，栅极，漏极，源极，它的特点是栅极的内阻极高，采用二氧化硅材料的可以达到几百兆欧，属于电压控制型器件。［编辑本段］1.概念：场效应管场效应晶体管(Field Effect Transistor缩写(FET))简称场
效应管.由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管.它属于电压控制型半导体器件.
特点：
具有输入电阻高(100M Q ~1 000M Q )噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽、热稳定性好等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者.
作用：
场效应管可应用于放大.由于场效应管放大器的输入阻抗很高，因此耦合电容可以容量较小，不必使用电解电容器.
场效应管可以用作电子开关.
场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换.常用于多级放大器的输入级作阻抗变换. 场效应管可以用作可变电阻.场效应管可以方便地用作恒流源.［编辑本段］2.场效应管的分类: </8>场效应管分结型、绝缘栅型(MOS)两大类
按沟道材料:结型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种.
按导电方式:耗尽型与增强型，结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。
场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管，而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型;P沟耗尽型和增强型四大类.［编辑本段］3.场效应管的主要参数：
</B>
Idss —饱和漏源电流.是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，栅极电压UGS=0时的漏源电流.
第五章 MOS场效应管的特性
MOS管的电容
MOS电容的计算
2）若Vgs>VT， 若处于非饱和状态，则按1/3与2/3分配，即 CG = Cgs + C •2/3 CD = Cdb +C •1/3 CMOS
因为在非饱和状态下，与栅极电荷成比例的沟道电流由Vgs 和Vds的系数可知：栅极电压Vgs与漏极电压Vds对栅极电荷 的影响力为2:1的关系，故贡献将分别为 2/3与1/3 。
′ = 4.5,
1 2 Vgs VT Vds Vds 2
1 Vge Vgs VT Vds 2
= '.0 栅极-沟道间氧化层介电常数,
0 = 0.88541851.10-11 C.V-1.m-1
Vge：栅级对衬底的有效控制电压
MOS管特性
(Ids与Vds无关, 与 Vgs有关)
I ds a2 V Idsgs VT
线性区
2
饱和区 击穿区
0
MOS管特性
Vds
5.1.2 MOSFET电容的组成
MOS 电容是一个相当复杂的电容，具有多层介 质，在栅极电极下面有一层 SiO2 介质， SiO2 下面是 P 型衬底，最后是衬底电极，同衬底之间是欧姆接触。
G G + + + + + + tox 沟道 耗尽层 P型衬底 Vss Vss
MOS场效应管的特性
第五章MOS 场效应管的特性5.1MOS 场效应管
5.3体效应
第五章MOS 场效应管的特性
5.1 MOS 场效应管5.2 MOS 管的阈值电压5.3 体效应1
1
5.5MOSFET 的噪声5.6MOSFET 尺寸按比例缩小5.7MOS 器件的二阶效应
5.4 MOSFET 的温度特性
5.5 MOSFET 的噪声5.6 MOSFET 尺寸按比例缩小5.7 MOS 器件的二阶效应
1）N 型漏极与P 型衬底；2）N 型源极与P 型衬底。
5.1 MOS 场效应管
5.1.1 MOS 管伏安特性的推导
两个PN 结：
图
2）
1）2
同双极型晶体管中的PN 结一样，在结周围由于载流子的扩散、漂移达到动态平衡，而产生了耗尽层。
3）一个电容器结构：
2
3）
栅极与栅极下面的区域形成一个电容器，是MOS 管的核心，决定了MOS 管的伏安特性。
p+/ n+
n(p) MOSFET的三个基本几何参数
tox
poly-Si diffusion
D
W
G L
3
p+/ n+
⏹栅长:
⏹栅宽:
⏹氧化层厚度:
L
W
t ox
S
MOSFET的三个基本几何参数
⏹L min、W min和t ox由工艺确定
⏹L min：MOS工艺的特征尺寸(feature size)
决定MOSFET的速度和功耗等众多特性
⏹L和W由设计者选定
⏹通常选取L= L min，设计者只需选取W，W是主要的设计变量。
⏹W影响MOSFET的速度，决定电路驱动能力和功耗
4
MOSFET 的伏安特性:电容结构
⏹当栅极不加电压或加负电压时，栅极下面的区域保持P 型导电类型，漏和源之间等效于一对背靠背的二极管，当漏源电极之间加上电压时，除了PN 结的漏电流之外，不会有更多电流形成。⏹当栅极上的正电压不断升高时，P 型区内的空穴被不断地排斥到衬底方向。当栅极上的电压超过阈值电压V T ，在5
半导体器件物理 chapter5 MOS场效应晶体管
• 阈值电压
QB VT VFB 2VF Cox
QB Vms 2VF Cox Cox Q fc
2、MOSFET的电流－电压关系
• MOSFET的放大作用：由于反型层电荷强烈地依赖于 栅压，可利用栅压控制沟道电流，实现放大作用。 • 当MOSFET沟道中有电流流过时，沿沟道方向会产生 压降，使MOS结构处于非平衡状态，N型沟道的厚度、 能带连同其费米能级沿y方向均随着电压的变化发 生倾斜。
随着集成电路设计和制造技术的发展，目前大部 分超大规模集成电路都是MOS集成电路。在数字集 成电路，尤其是微处理机和存储器方面，MOS集成 电路几乎占据了绝对的位置。 此外，MOS在一些特种器件，如CCD（电荷耦合器 件）和敏感器件方面应用广泛。
促进MOS晶体管发展主要有以下四大技术： (a)半导体表面的稳定化技术
（2） 形成反型层的条件 当VG较小时，表面处的能带 只是略微向下弯曲，使表面费 米能级EF更接近本征费米能级 Ei，空穴浓度减少，电子浓度 增加，但与电离受主的空间电 荷相比仍较少，可忽略。
VG 继续增大，使表面费米能级 EF与本征费米能级Ei时，表面电 子浓度开始要超过空穴浓度， 表面将从P型转为N型，称为 “弱反型”。发生弱反型时， 电子浓度仍旧很低，并不起显 著的导电作用。
（2）饱和区
当VDS增加到使漏端沟道截面积减 小到零时，称为沟道“夹断”。 沟道夹断后，若VDS再增加，增加 的漏压主要降落在夹断点到漏之间 的高阻区，此时，漏电流基本不随 漏电压增加，因此称为饱和区。出 现夹断时的VDS称为饱和电压VDSat， 与之对应的电流为饱和漏电流IDSat。
MOS场效应晶体管的基本特性
雪崩击穿区 当VDS超过漏与衬底间P-N结的击穿电压时， 漏和源之间不必通过沟道形成电流，而是由漏极 直接经衬底到达源极流过大的电流，IDS迅速增大。 这就出现输出特性曲线中的第Ⅲ个区域——雪崩 击穿区，如图8-12（a）所示。
可以用相似的方法讨论N沟道耗尽型， P沟道增强型，P沟 道耗尽型MOSFET的输出特性曲线，它们分别如图8-12（b）~ （d）所示。
MOSFET相比双极型晶体管的优点
（1）输入阻抗高：双极型晶体管输入阻抗约为几千欧，而 场效应晶体管的输入阻抗可以达到109～1015欧； （2）噪声系数小：因为MOSFET是依靠多数载流子输运电 流的，所以不存在双极型晶体管中的散粒噪声和配分噪声； （3）功耗小：可用于制造高集成密度的半导体集成电路； （4）温度稳定性好：因为它是多子器件，其电学参数不易 随温度而变化。 （5）抗辐射能力强：双极型晶体管受辐射后β下降，这是 由于非平衡少子寿命降低，而场效应晶体管的特性与载流子 寿命关系不大，因此抗辐射性能较好。
说
明
公式（7-1）、（7-2）只适用于长沟道MOSFET。 当沟道长度较短时，必须考虑短沟道效应，管子的阈 值电压VT会随沟道长度L的减小而减小。这个问题将 在以后讨论。
7.4 MOSFET的伏安特性
为了方便起见，先作以下几个假定： （1）漏区和源区的电压降可以忽略不计； （2）在沟道区不存在复合－产生电流； （3）沿沟道的扩散电流比由电场产生的漂移电流小得多； （4）在沟道内载流子的迁移率为常数； （5）沟道与衬底间的反向饱和电流为零； （6）缓变沟道近似成立，即跨过氧化层的垂直于沟道方 向的电场分量与沟道中沿载流子运动方向的电场分量无关。
场效应管的特性
场效应管的特性
根据三极管的原理开发出的新一代放大元件，有3个极性，栅极，漏极，源极，它的特点是栅极的内阻极高，采用二氧化硅材料的可以达到几百兆欧，属于电压控制型器件。[编辑本段]1.概念: 场效应管场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管.由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管.它属于电压控制型半导体器件.
特点:
具有输入电阻高（100MΩ～1 000MΩ）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽、热稳定性好等优点,现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者.
作用:
场效应管可应用于放大.由于场效应管放大器的输入阻抗很高,因此耦合电容可以容量较小,不必使用电解电容器.
场效应管可以用作电子开关.
场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换.常用于多级放大器的输入级作阻抗变换.场效应管可以用作可变电阻.场效应管可以方便地用作恒流源. [编辑本段]2.场效应管的分类: 场效应管分结型、绝缘栅型(MOS)两大类
按沟道材料:结型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种.
按导电方式:耗尽型与增强型,结型场效应管均为耗尽型,绝缘栅型场效应管既有耗尽型的,也有增强型的。
场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管,而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型;P沟耗尽型和增强型四大类. [编辑本段]3.场效应管的主要参数:
Idss —饱和漏源电流.是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中,栅极电压UGS=0时的漏源电流.
Up —夹断电压.是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中,使漏源间刚截止时的栅极电压.
第五章 场效应管
双极性器件 载流子的扩散与漂移 电流控制 NPN 型 、 PNP 型 β =30~100 10 ~10 Ω 差 大 差 复杂 C、 E 不 能 互 换
2 4
六、MOS管的有关问题 3、使用注意事项
（1）结型场效应管的栅源电压不能接反，但可在开路状态 下保存；
（2）MOS管在不使用时，须将各个电极短接； （3）焊接时，电烙铁必须有外接地线，最好是断电后再焊 接； （4）结型场效应管可用万用表定性检测管子的质量，而 MOS管必须用专门的仪器来检测； （5）若用四引线的场效应管，其衬底引线应正确连接；
5V
4V
3V 2V 1V
vGS=0V
恒流区
可变电阻区
予夹断曲线
转移特性曲线
0 iD vGS VP 夹断电压
一定vDS下的iD-vGS曲线
IDSS 饱和漏极电流
由输出特性曲线画出转移特性曲线
(a) 输出特性曲线
(b) 转移特性曲线
３.主要参数 一、直流参数 (1)夹断电压VP：当栅源电压vGS=VP时，iD=0。 (2)饱和漏极电流IDSS(ID0)：IDSS指的是对应vGS=0时的漏极 电流。 (3) 直流输入电阻RGS
vGS S
vDS
D
G N P
当vDS不太大 时，导电沟 道在两个N区 间是均匀的。
N
当vDS较大时， 靠近D区的 导电沟道变 窄。
模电第五章场效应管
vGS c
2Kn
1 vGS
VT
3、饱和区： VGS≥ VT，且VDS≥（ VGS － VT ）时，
区内V-I特性表达式为
2
2
iD Kn
vGS VT
2
K
nVT2
vGS VT
1
I
DO
vGS VT
1
(2)、转移特性曲线：iD= f（ vGS ）| vDS = 常数
iD(mA) IDO
vGS( V )
1、直流偏置电路
（2）带源极电阻的NMOS共
源放大电路
由图得
RS
Cb1 vi
Rd
Rg1 iD
Rg2
VGS VG VS
源自文库
Rg 2
Rg1 Rg 2
VDD VSS
VSS
I D R VSS
当NMOS管工作于饱和区，则有
Cb2 VDD
+
R
-
-VSS
ID Kn VGS VT 2
VDS VDD VSS I D Rd R 见例5.2.2和例5.2.3
饱和漏极电流。
5.1.3 P沟道 MOSFET管
s
g
d
1、结构和符号 d
○
P+
P+
N 型衬底
Bd ○
○B g○
P沟道增强型
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1
Si
qNA
式中NA是P型衬底中的掺杂浓度，ρ为空间电荷密度， 为电势，
将上式积分得耗尽区上的电位差 ： 1 qN A 2 ' qN A dxdx Xp Si Si 从而得出束缚电荷层厚度
Xp 2 Si q NA
MOS管的电容
MOS电容 —耗尽层电容
这时，栅极电压所感应的电荷Q为，
Q=CVge 式中Vge是栅极有效控制电压。
MOS管特性
电荷在沟道中的渡越时间
非饱和时（沟道未夹断），在漏源电压Vds作用 下，这些电荷Q将在时间内通过沟道，因此有
L L2 Eds Vds L
为载流子速度，Eds= Vds/L为漏到源方向电场强度，Vds为漏 到源电压。 为载流子迁移率： n n µ n = 650 cm2/(V.s) 电子迁移率(NMOS) µ p = 240 cm2/(V.s) 空穴迁移率(PMOS)
5.6 MOSFET尺寸按比例缩小
5.7 MOS器件的二阶效应
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MOS管特性
5.1.1 MOS管伏安特性的推导
两个PN结：
1）N型漏极与P型衬底； 2）N型源极与P型衬底。
同双极型晶体管中的PN 结
一样，在结周围产生了耗尽层。
在耗尽层中束缚电荷的总量为
2 Si Q qNA X pWL qN AWL WL 2 Si qNA q NA
MOS管的电容
SiO2和耗尽层介质电容
2 ） 当 Vgs>0 时， MOS 电容器可以看成两个电容器 的串联。 栅极上的正电荷排斥了Si中的空穴，在栅极下
面的Si表面上，形成了一个耗尽区。耗尽区中空穴被赶走 后剩下的固定的负电荷，分布在厚度为Xp的整个耗尽区内； 而栅极上的正电荷则集中在栅极表面，基底接负极。
由此，设计者只需选取W
MOS管特性
n(p)
MOSFET的伏安特性:电容结构
当VGS<=0，
当漏源电极之间加上电压时，除了PN结的漏电流之外，不 会有更多电流形成。
当VGS>0时 P 型区内的空穴被不断地排斥到衬底方向，少子电子在栅 极下的P型区域内就形成电子分布，建立起反型层，即N型 层，当VGS>=VT时形成从漏极到源极的导电沟道。
′ = 4.5,
1 2 Vgs VT Vds Vds 2
1 Vge Vgs VT Vds 2
= '.0 栅极-沟道间氧化层介电常数,
0 = 0.88541851.10-11 C.V-1.m-1
Vge：栅级对衬底的有效控制电压
MOS管特性
MOS管特性
MOSFET特性曲线
• 在非饱和区 呈线性电阻 • 饱和区
I ds
ox W
tox
ds C
1 2 V V V Vds gs T ds L 2
I ds V
a1Vgs b1
2 1 ox W I ds Vgs VT 2 tox L
一个电容器结构
栅极与栅极下面区域形成一个电容器，
是MOS管的核心。
MOS管特性
MOSFET的三个基本几何参数
poly-Si G D W S diffusion L t ox
p+/n+ p+/n+
栅长:L; 栅宽: W; 氧化层厚度: tox Lmin： MOS工艺的特征尺寸(feature size) L影响MOSFET的速度， W决定电路驱动能力和功耗 L和W由设计者选定,通常选取L= Lmin，
MOS管特性
MOSFET的伏安特性方程
CVge oxWL MOS管漏源间的电流 ox W Q 1I 非饱和情况下，通过 I ds 2 2 VgeVds (Vgs VT V ds ds )Vds L tox L tox L 2 为： Vds
ox W tox L
MOSFET饱和特性
当Vgs-VT=Vds时，满足: Ids达到最大值Idsmax，其值为 Vgs-VT=Vds，意味着： Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT =0 沟道夹断，电流不会再增大， 因而，这个 Idsmax 就是饱和电流。
dIds 0 dVds
I dsmax 1 ox W 2 Vgs VT 2 tox L
1 1 C C C Si ox
1
+
N+ N+ N+
G N+ N+
以SiO2为介质的电容器—Cox 以耗尽层为介质的电容器—CSi
MOS管的电容
MOS电容—束缚电荷层厚度
耗尽层电容的计算方法同 PN 结的耗尽层电容的计算 方法相同，利用泊松方程
2
1
Si
集成电路设计基础
Basic of Integrated Circuit Design
电子信息工程系 武 斌
Science and Technology of Electronic Information
MOS管特性
第五章
MOS 场效应管的特性
5.1 MOS场效应管
5.2 MOS管的阈值电压 5.3 体效应 5.4 MOSFET的温度特性 5.5 MOSFET的噪声
(Ids与Vds无关, 与 Vgs有关)
I ds a2 V Idsgs VT
线性区
2
饱和区 击穿区
0
MOS管特性
Vds
5.1.2 MOSFET电容的组成
MOS 电容是一个相当复杂的电容，具有多层介 质，在栅极电极下面有一层 SiO2 介质， SiO2 下面是 P 型衬底，最后是衬底电极，同衬底之间是欧姆接触。
G G + + + + + + tox 沟道 耗尽层 P型衬底 Vss Vss
MOS管的电容
Co 沟道 Cdep
d
MOS电容
1 ）当 Vgs<0 时，在 Si 表面和栅极之间， 形成了平板电容器，其容量为：
Cox
oxWL
tox
oxWL
tox
通 常 ， ox=3.98.85410-4 F/cm2 ； W 为栅宽， L 为栅极长， 单位是 cm2 ； tox 是厚度，单位是cm。