第五章 MOS场效应管的特性.
MOS场效应管
N
N
P
G
P型基底 SiO2绝缘层
S
导电沟道
N沟道增强型
3
SG D
P
P
N
D G
S
P 沟道增强型
4
2、MOS管的工作原理
UGS=0时
UGS UDS
S GD
ID=0
对应截止区
N
N
P
D-S 间总有一
个反接的PN
结
5
UGS>0时
UGS UDS
S GD
UGS足够大时 （UGS>VGS(Th)） 感应出足够多电
画电路的交流等效电路如右图，这里采用的是MOS管的简化模型，可得：
AVv vo i gm vvggsR s DgmRD
46
二、有源电阻
ID
unCoxW 2L
(VGS
VGS
(
th )
)2
(1
VDS VA
)
unCoxW 2L
(VGS
VGS(th) )2 (1 VDS )
unCoxW 2L
予夹断曲线
40
四、主要参数：
1、夹断电压VP：
2、饱和漏极电流IDSS:
3、直流输入电阻RGS（DC）：栅压除栅流
4、低频跨导gm:
gm viGDS|vDS常数
5、输出电阻rd: 6、最大漏极电流IDM:
rd viDDS|vGS常数
7、最大耗散功率PDM:
8、击穿电压：V（BR）DS、V（BR）GS
V GS
)2
( th )
0 . 25 (11 2 I D 5 ) 2
I
MOSFET场效应管(MOS管)
MOS管基本知識
MOS管的定義與類型 MOS管結構圖及封裝 MOS管的基本參數 MOS管的作用 MOS管與三極管的區別 如何判斷MOS管好壞
MOS管的定義與類型
MOSFET(場效應管)是Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor的首字母 缩写﹐簡稱MOS管。 它是只有一種載流子參與 導電的半導體器件﹐是用輸入電壓控制輸出電 流的半導體器件。
MOS管常用封裝
SOT-89
MOS管基本參數
參數符號 參數名稱
VGS(th)
BVDSS
閾值(開啟)電壓 擊穿電壓
RDS(on)
導通電阻
IDSS
漏電流
MOSห้องสมุดไป่ตู้的作用
開關﹕ NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极
接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。 PMOS的特性則剛好相反。
Vout
Vin
放大
MOS管與三極管的區別
結構 工作原理
作用
相同點
P/N結構成 小信號控制 開關﹑放大
不同點
MOS管控制端(G)是 絕緣的,三極管控制端 (B)是導通的。 MOS管受電壓控制﹐ 三極管受電流控制。
MOS管偏于開關作用 三極管偏于放大作用
如何判斷MOS管好壞
量測前﹐先把GS兩端短路放電﹐然后用歐姆表 量測DSG任意兩端電阻為M歐級﹐假若先量測GS, 再量測DS兩端電阻﹐其阻值會明顯變小或者通路。 這些都是一個正常的MOS管所具備的。
MOS管分為兩大類型﹕耗盡型(DMOS )和增強 型(EMOS )。每一類都有N溝道和P溝道兩種導 電類型。實際應用的是增強型的N溝道和P溝道 MOS管﹐即NMOS和PMOS。
5MOS场效应管的特性
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。
击穿区
0
Vds
10
5MOS场效应管的特性
MOS电容是一个相当复杂的电容，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。 MOS电容与外加电压有关。
1）当Vgs<0时，栅极上的负电荷吸引了P型衬底中的多数载流 子—空穴，使它们聚集在Si表面上。这些正电荷在数量上 与栅极上的负电荷相等，于是在Si表面和栅极之间，形成 了平板电容器，其容量为，
9
5MOS场效应管的特性
• •
在非饱和区 饱和区
IdsVdsCa1Vgsb1
Idsa2V gs V T2
Idstoo xx W LVgsV TV ds1 2V ds2
Ids 1 2tooxxW LVgsVT 2
(Ids 与 Vds无关) . MOSFET是平方律器件!
Ids
饱和区
线性区
5
5MOS场效应管的特性
• 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VT，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， 把同为N型的源、漏扩散区连成一体，形成从漏极到源极的 导电沟道。这时，栅极电压所感应的电荷Q为，
MOS场效应管特性曲线及主要参数
12
Lec 05
华中科技大学电信系 张林
MOSFET是如何实现信号放大的？
与BJT类似，FET也有器件参数，选用时必须以此为依据
二、交流参数
iD
1. 输出电阻rds
rds
vDS iD
VG S
rds=
1 斜率
Q VGSQ
由 iD Kn (vGS VT )2 (1 vDS )
得
vDS
rds
[ λKn (vGS
vDS＝vGS－VT(或 vGD＝vGS－vDS＝VT)
可变电阻区
3V
2 (非饱和区)
① 截止区
1.5
当vGS＜VT时，导电沟道 1
尚 未 形 成 ， iD ＝ 0 ， 为 截
止工作状态。
0.5
饱和区 2.5V
2V vGS＝1.5V
截止区
0 2.5 5 7.5 10
vDS/V
2
Lec 05
华中科技大学电信系 张林
MOSFET是如何实现信号放大的？
其它类型的MOSFET —— N沟道耗尽型MOSFET
二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子，已存在导电沟道
可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流
s
g 掺杂后具有正 d
离子的绝缘层 二氧化硅
d
＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋
N＋
N＋
耗尽层 N 型沟道 P
衬底 g
B
s
B 衬底引线
特性方程 iD Kn (vGS VT )2 （非线性， ＝0）
可变电阻区工作条件 vGS >VT ， vDS <（vGS－VT）
特性方程 iD 2Kn (vGS VT ) vDS
第五章MOS场效应管的特性
饱和区 击穿区
0
2019/1/31
Vds
9
东南大学
射 频 与 光 电 集 成 电 路 研 究 所
5.1.2 MOSFET电容的组成
MOS电容是一个相当复杂的电容，有多层介质： 首先，在栅极电极下面有一层SiO2介质。SiO2下面是P型 衬底，衬底是比较厚的。最后，是一个衬底电极，它同 衬底之间必须是欧姆接触。 MOS电容还与外加电压有关。 1 ）当 Vgs<0 时，栅极上的负电荷吸引了 P 型衬底中的多 数载流子—空穴，使它们聚集在Si表面上。这些正电 荷在数量上与栅极上的负电荷相等，于是在Si表面和 栅极之间，形成了平板电容器，其容量为， oxWL oxWL
它是耗尽层两侧电位差的函数，因此，耗尽层 电容为，
dQ 1 CSi WL 2 Si qNA dv 2
1 2
Si qNA WL 2
是一个非线性电容，随电位差的增大而减小。
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东南大学
射 频 与 光 电 集 成 电 路 研 究 所
' = 4.5, 0 = 0.88541851.10-11 C.V-1.m-1
Vge是栅级对衬底的有效控制电压 其值为栅级到衬底表面的电压减VT
ox W
1 with Vge Vgs VT Vds 2
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东南大学
射 频 与 光 电 集 成 电 路 研 究 所
Cox tox tox
通常， ox=3.98.85410-4 F/cm2；A 是面积，单位 是cm2；tox是厚度，单位是cm。
2019/1/31
电子电工学——模拟电子技术 第五章 场效应管放大电路
场效应管正常工作时漏极电流的上限值。
2. 最大耗散功率PDM
由场效应管允许的温升决定。
3. 最大漏源电压V(BR)DS 当漏极电流ID 急剧上升产生雪崩击穿时的vDS值。
4. 最大栅源电压V(BR)GS
是指栅源间反向电流开始急剧上升时的vGS值。
5.2 MOSFET放大电路
场效应管是电压控制器件，改变栅源电压vGS的大小，就可以控制漏极 电流iD，因此，场效应管和BJT一样能实现信号的控制用场效应管也 可以组成放大电路。
场效应管放大电路也有三种组态，即共源极、共栅极和共漏极电路。
由于场效应管具有输入阻抗高等特点，其电路的某些性能指标优于三极 管放大电路。最后我们可以通过比较来总结如何根据需要来选择BJT还
vGS＜0沟道变窄，在vDS作用下，iD 减小。vGS=VP(夹断电压，截止电 压）时，iD=0 。
可以在正或负的栅源电压下工作，
基本无栅流。
2.特性曲线与特性方程
在可变电阻区 iD
Kn
2vGS
VP vDS
v
2 DS
在饱和区iD
I DSS 1
vGS VP
2
I DSS KnVP2称为饱和漏极电流
4. 直流输入电阻RGS
输入电阻很高。一般在107以上。
二、交流参数
1. 低频互导gm 用以描述栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用。
gm
iD vGS
VDS 常数
2. 输出电阻 rds 说明VDS对ID的影响。
rds
vDS iD
VGS 常数
3. 极间电容
极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。
三、极限参数
D iD = 0
MOS管(新)分析
27
例.如图，设VT=1V, Kn=500μA/V2 , VDD=5V, -VSS=-5V, Rd=10K,
R=0.5K, Id=0.5mA 。若流过Rg1, Rg2的电流是ID的1/10，试确定
Rg1, Rg2的值。
VDD
解.作出直流通路，并设MOS工作在饱和 区，则由：
2
Rg 2 200
IDSS mA
<0.35
<1.2 6～11 0.35～1.2 0.3～1
VRDS V
>20 >20 >20 >12
VRGS V
>20 >20 >20 >25 -25
VP
gm
V mA/ V
-4
≥2
-4
≥3
-5.5 ≥8
-4
≥2
fM MHz 300
90
1000
5.2 MOSFET放大电路
5.2.1 MOSFET放大电路
工作于可变电阻区的ID： ID 2Kn (VGS VT )vDS
25
5.2 MOSFET放大电路 5.2.2 带源极电阻的NMOS共源极放大电路 （1） 直流通路
VGS VG VS
Rg1
Rg 2
Rg1 Rg 2
(VDD
VSS
)
VSS
(IDR
VSS
由V-I特性估算 gm
gm
diD dvGS
vDS
[Kn (vGS VT )2 ]
vGS
vDS
2Kn (vGS
VT )
因为 iD Kn (vGS VT )2
mos场效应管工作原理
mos场效应管工作原理
MOS场效应管（MOSFET）是一种常用的三端可控硅器件，
其工作原理基于金属-氧化物-半导体（Metal-Oxide-Semiconductor）结构。
MOS场效应管的结构包括三层：金属层、绝缘层（通常是二
氧化硅）和半导体层（通常是硅）。
绝缘层将金属层与半导体层隔离开来，形成了一个被控制的电介质层。
MOS场效应管有两种常见的工作模式：增强型（enhancement mode）和耗尽型（depletion mode）。
在增强型MOS场效应管中，当控制端加有正电压时，电子注
入到半导体中，形成一个导电层，从而增强了导电特性。
这时，可以在控制端和源端之间输出一个较大电流。
在耗尽型MOS场效应管中，当控制端加有负电压时，导电特
性被减弱。
这时，控制端和源端之间的电流较小。
MOS场效应管的主要工作原理是通过控制栅电压来改变栅和
源之间的电场，从而控制了栅氧化物与半导体之间的电荷分布。
这种电场效应可以调节通道中的载流子浓度，进而影响了器件的导电特性。
总之，MOS场效应管是通过调节控制栅电压来改变器件导电
特性的三端可控硅器件，其工作原理基于金属-氧化物-半导体
结构和电场效应。
MOS-场效应管的工作原理及特点
MOS-场效应管的工作原理及特点MOS 场效应管的工作原理及特点场效应管是只有一种载流子参与导电，用输入电压控制输出电流的半导体器件。
有N沟道器件和P 沟道器件。
有结型场效应三极管JFET(Junction Field Effect Transister)和绝缘栅型场效应三极管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。
IGFET也称金属-氧化物-半导体三极管MOSFET（Metal Oxide SemIConductor FET）。
MOS场效应管有增强型（Enhancement MOS 或EMOS）和耗尽型(Depletion)MOS或DMOS）两大类，每一类有N沟道和P沟道两种导电类型。
场效应管有三个电极：D(Drain) 称为漏极，相当双极型三极管的集电极；G(Gate) 称为栅极，相当于双极型三极管的基极；S(Source) 称为源极，相当于双极型三极管的发射极。
增强型MOS(EMOS)场效应管道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。
在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。
P型半导体称为衬底(substrat)，用符号B表示。
一、工作原理1．沟道形成原理当Vgs=0 V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压，不会在D、S间形成电流。
当栅极加有电压时，若0＜Vgs＜Vgs(th)时（VGS(th) 称为开启电压），通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。
耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，所以仍然不足以形成漏极电流ID。
进一步增加Vgs，当Vgs＞Vgs(th)时，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。
第5章场效应管放大电路分析
如果接有外负载RL
Rg1
Rd d Vo
g sb
RL
Vi Rg2
Rg3 R
AV gm (Rd // RL )
Ri Rg3 Rg1 // Rg 2
g
Vi
Rg3 gmVgs R’g
d Rd Vo RL
Ro Rd
s R’g=Rg1//Rg2
27
源极电阻上无并联电容:
AV
Vo Vi
Vgs
gmVgs Rd gmVgs R
10
(2) 转移特性曲线 iD= f (vGS)|vDS= 常数
表征栅源电压vGS对漏极电流的控制作用， 场效应管是电压控制器件。
在饱和区内，FET可看
作压控电流源。
IDSS
转移特性方程：
iD=IDSS(1-vGS/VP)2
vGS VP- 0.8 – vG
0.4
S
11
（3）主要参数
夹断电压：VP 当导电沟道刚好完全被关闭时，栅源所对应的电
s
gd
N+ PN+
18
3 、特性曲线
4区：击穿
区
3区
截止区
vGS<V
T
vGD<V
T
VT
1区：可变电阻区: vGS>VT vGD>VT 沟道呈电阻性，iD随vDS
的增大而线性增大。
iD=0 2区：恒流区(线性放大区）
vGS>VT vGD<VT iD=IDO｛(vGS/VT)-1｝2 IDO是vGS=2VT时，iD的值。
VT R
g
m
(VT
)
VT R
VT
(gm
1) R
第五章 MOS场效应管的特性
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
Q qNAWL X p WL 2 Si qNA
CD = Cdb + 0 + Cdb
1 W 2 I ds Vgs VT 2 tox L L
MOS管的电容
深亚微米CMOS IC工艺的寄生电容
21 40 86 9 15 48 36 14
Metal3 Metal2 Metal1
29 38 39 62 46
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
是耗尽层两侧电位差的函数，耗尽层电容为
dQ 1 CSi WL 2 Si qNA dv 2
1 2
Si qNA WL 2
是一个非线性电容，随电位差的增大而减小。
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)
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: </B>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.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.Ut —开启电压.是指增强型绝缘栅场效管中,使漏源间刚导通时的栅极电压.gM —跨导.是表示栅源电压UGS —对漏极电流ID的控制能力,即漏极电流ID变化量与栅源电压UGS变化量的比值.gM 是衡量场效应管放大能力的重要参数.BVDS —漏源击穿电压.是指栅源电压UGS一定时,场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压.这是一项极限参数,加在场效应管上的工作电压必须小于BVDS.PDSM —最大耗散功率,也是一项极限参数,是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率.使用时,场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量.IDSM —最大漏源电流.是一项极限参数,是指场效应管正常工作时,漏源间所允许通过的最大电流.场效应管的工作电流不应超过IDSMCds---漏-源电容Cdu---漏-衬底电容Cgd---栅-漏电容Cgs---漏-源电容Ciss---栅短路共源输入电容Coss---栅短路共源输出电容Crss---栅短路共源反向传输电容D---占空比（占空系数，外电路参数）di/dt---电流上升率（外电路参数）dv/dt---电压上升率（外电路参数）ID---漏极电流（直流）IDM---漏极脉冲电流ID(on)---通态漏极电流IDQ---静态漏极电流（射频功率管）IDS---漏源电流IDSM---最大漏源电流IDSS---栅-源短路时，漏极电流IDS(sat)---沟道饱和电流（漏源饱和电流）IG---栅极电流（直流）IGF---正向栅电流IGR---反向栅电流IGDO---源极开路时，截止栅电流IGSO---漏极开路时，截止栅电流IGM---栅极脉冲电流IGP---栅极峰值电流IF---二极管正向电流IGSS---漏极短路时截止栅电流IDSS1---对管第一管漏源饱和电流IDSS2---对管第二管漏源饱和电流Iu---衬底电流Ipr---电流脉冲峰值（外电路参数）gfs---正向跨导Gps---共源极中和高频功率增益GpG---共栅极中和高频功率增益GPD---共漏极中和高频功率增益ggd---栅漏电导gds---漏源电导K---失调电压温度系数Ku---传输系数L---负载电感（外电路参数）LD---漏极电感Ls---源极电感rDS---漏源电阻rDS(on)---漏源通态电阻rDS(of)---漏源断态电阻rGD---栅漏电阻rGS---栅源电阻Rg---栅极外接电阻（外电路参数）RL---负载电阻（外电路参数）R(th)jc---结壳热阻R(th)ja---结环热阻PD---漏极耗散功率PDM---漏极最大允许耗散功率POUT---输出功率PPK---脉冲功率峰值（外电路参数）to(on)---开通延迟时间td(off)---关断延迟时间ti---上升时间ton---开通时间toff---关断时间tf---下降时间trr---反向恢复时间Tj---结温Tjm---最大允许结温Ta---环境温度Tc---管壳温度Tstg---贮成温度VDS---漏源电压（直流）VGS---栅源电压（直流）VGSF--正向栅源电压（直流）VGSR---反向栅源电压（直流）VDD---漏极（直流）电源电压（外电路参数）VGG---栅极（直流）电源电压（外电路参数）Vss---源极（直流）电源电压（外电路参数）VGS(th)---开启电压或阀电压V（BR）DSS---漏源击穿电压V（BR）GSS---漏源短路时栅源击穿电压VDS(on)---漏源通态电压VDS(sat)---漏源饱和电压VGD---栅漏电压（直流）Vsu---源衬底电压（直流）VDu---漏衬底电压（直流）VGu---栅衬底电压（直流）Zo---驱动源内阻η---漏极效率（射频功率管）Vn---噪声电压aID---漏极电流温度系数ards---漏源电阻温度系数[编辑本段]4.结型场效应管的管脚识别: </B>判定栅极G:将万用表拨至R×1k档,用万用表的负极任意接一电极,另一只表笔依次去接触其余的两个极,测其电阻.若两次测得的电阻值近似相等,则负表笔所接触的为栅极,另外两电极为漏极和源极.漏极和源极互换,若两次测出的电阻都很大,则为N沟道;若两次测得的阻值都很小,则为P沟道.判定源极S、漏极D:在源-漏之间有一个PN结,因此根据PN结正、反向电阻存在差异,可识别S极与D极.用交换表笔法测两次电阻,其中电阻值较低（一般为几千欧至十几千欧）的一次为正向电阻,此时黑表笔的是S极,红表笔接D极. [编辑本段]5.场效应管与晶体三极管的比较场效应管是电压控制元件,而晶体管是电流控制元件.在只允许从信号源取较少电流的情况下,应选用场效应管;而在信号电压较低,又允许从信号源取较多电流的条件下,应选用晶体管.晶体三极管与场效应管工作原理完全不同，但是各极可以近似对应以便于理解和设计：晶体管：基极发射极集电极场效应管：栅极源极漏极要注意的是，晶体管(NPN型)设计发射极电位比基极电位低(约0.6V)，场效应管源极电位比栅极电位高（约0.4V)。
MOS场效应晶体管的基本特性
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。
3．高输入阻抗 由于栅氧化层的影响，在栅和其他端点之间不存在直流通道，因 此输入阻抗非常高，而且主要是电容性的。通常，MOSFET的直 流输入阻抗可以大于1014欧。 4．电压控制 MOSFET是一种电压控制器件。而且是一种输入功率非常低的器 件。一个MOS晶体管可以驱动许多与它相似的MOS晶体管；也 就是说，它有较高的扇出能力。 5．自隔离
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。
4qN D S 0 F 2kT N D ln C OX q ni
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115.5MOSFET 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：23）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toxpoly-Si diffusionDWG L3p+/ n+⏹栅长:⏹栅宽:⏹氧化层厚度:LWt oxSMOSFET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4MOSFET 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，把同为N 型的源、漏扩散区连成一体，形成从漏极到源极的导电沟道。
《MOS场效应管》课件
五、MOSFET的应用
MOSFET的基本应用
MOSFET广泛应用于放大器、开关电路、电 源管理和通信系统等领域。
MOSFET的开关电路
MOSFET用作开关可以实现快速开关和低功 耗。
MOSFET的功率放OSFET的数字电路
MOSFET可用于构建各种数字电路，如逻辑 门、存储器和微处理器。
2
MOSFET的特性曲线
特性曲线展示了MOSFET的电流和电压之间的关系，包括输出特性和传输特性等。
3
MOSFET的工作点计算
工作点计算帮助确定MOSFET的偏置电压和工作状态，以实现所需的电流和增益。
4
MOSFET的失真
失真是指MOSFET输出信号与输入信号之间的扭曲。了解失真有助于设计更稳定的电 路。
MOSFET是现代电子技术中的关键器件，推动了电子产品的发展和进步。
MOSFET的应用前景
MOSFET的应用前景广阔，将在各个领域继续发挥重要作用。
MOSFET的未来发展
MOSFET将不断追求更高的性能和更多的应用，拓展其未来的发展空间。
六、MOSFET的优缺点
MOSFET的优点
MOSFET具有高输入电阻、 低噪音、低功耗和快速响应 等优点。
MOSFET的缺点
MOSFET的缺点包括漏电流、 电压依赖性和温度特性等。
MOSFET与BJT比较
MOSFET与双极性晶体管 (BJT)相比，具有更高的输入 阻抗和更好的高频性能。
七、MOSFET的未来发展
MOSFET的种类
常见的MOSFET包括N沟道MOSFET和P沟道MOSFET，它们的工作原理和特性略有不同。
二、MOSFET的基本结构
MOSFET的结构图
MOS场效应管特性与参数测试实验电路设计
MOS场效应管特性与参数测试实验电路设计曹钟林【摘要】场效应管(简称FET)是一种由输入电压来控制其输出电流大小的半导体器件,是电压控制器件,其输入电阻非常高,输入端基本不取电流.由于金属-氧化物-半导体场效应管(简称MOSFET)栅极和沟道之间的绝缘层易被电压击穿,特别是栅源之间的耐压只有几十伏,外部静电电压极易造成栅源极间击穿损坏.文章针对MOSFET 在实验教学测量、测试过程中容易损坏的问题,根据MOSFET工作特性及测试要求,设计出较为便捷和安全可靠的MOSFET实验教学电路.【期刊名称】《无锡商业职业技术学院学报》【年(卷),期】2016(016)003【总页数】4页(P86-89)【关键词】场效应管;MOS;测试;参数;保护【作者】曹钟林【作者单位】无锡商业职业技术学院,江苏无锡 214153【正文语种】中文【中图分类】TN386.1（一）场效应管概述场效应管是一种电压控制电流的半导体器件，外形与封装基本类同三极管。
场效应管有三个电极，分别为栅极（gate）G，源极（source）S和漏极（drain）D。
概括地说，场效应管施加不同的栅源电压UGS和漏源UDS可以使场效应管工作在不同区域，即可变电阻区、恒流区、夹断区和击穿区。
如场效应管用于电压放大，管子工作应在恒流区，一般通过外部电路为场效应管建立合适的工作偏置电压，即给场效应管设置合适的静态偏置电压UGS和UDS，分压式偏置电路（见图1）是常见的方式。
需要指出的是场效应管应避免工作在击穿区。
（二）场效应管的管型特征辨识场效应管的管型有六种:N沟道结型场效应管（符号见图2）、P沟道结型场效应管（符号见图3）、N沟道增强型MOS场效应管（符号见图4）、P沟道增强型MOS场效应管（符号见图5）、N沟道耗尽型MOS场效应管（符号见图6）、P沟道耗尽型场效应MOS管（符号见图7）。
根据场效应管符号的辨识管型方法:栅极和沟道之间有电接触为结型，栅极和沟道之间没有电接触则为MOS型。
MOS场效应管的特性
阈值电压VT
在工艺确定之后，阈值电压VT主要决 定于衬底的掺杂浓度： P型衬底制造NMOS，杂质浓度越大，需 要赶走更多的空穴，才能形成反型层， VT 值增大，因而需要精确控制掺杂浓度 如果栅氧化层厚度越薄，Cox越大，电荷的 影响就会降低。故现在的工艺尺寸和栅氧 化层厚度越来越小
当器件尺寸还不是很小时，这个ΔW影响还 小，但是器件缩小时，这个ΔW就影响很大
迁移率的退化
MOS管的电流与迁移率成正比，一般假定μ 为常数
实际上， μ并不是常数，它至少受到三个因 素的影响
温度 垂直电场 水平电场
特征迁移率μ0
电场强度
电场强度增加时，迁移率是减小的 电场有水平分量和垂直分量，因而迁移率
沟道很短、很窄，边沿效应对器件特性产 生很大的影响，最主要的是阈值电压减小
短沟道效应
短沟道效应
狭沟道效应引起的阈值电压的变化
沟道太窄，W太小，那么栅极的边缘电场也 引起Si衬底中的电离化，产生附加的耗尽层， 因而增加阈值电压
狭沟道效应
C ox
ox A tox
oxW L tox
Vgs增加达到VT值
C ( 1 1 )1达到最小值 Cox CSi
Vgs继续增加
C Cox
MOS管电容变化曲线
MOS电容计算
VGS<VT
沟道未建立，MOS管源漏沟道不通 Cg＝Cgs＋Cox Cd＝Cdb
VGS>VT
MOS电容是变化的 MOS电容对Cg和Cd都有贡献，贡献大小取决于
-电压特性不变，Dennard等人提出了等比例缩小规律 等比例缩小规律即器件水平和垂直方向的参数以及电压按
mos场效应管工作原理
mos场效应管工作原理场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。
一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。
它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～10 9Ω）、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。
MOS场效应管即金属-氧化物-半导体型场效应管，英文缩写为MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-E ffect-Transistor），属于绝缘栅型。
其主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层，因此具有很高的输入电阻（最高可达1015Ω）。
它也分N沟道管和P沟道管，符号如图1所示。
通常是将衬底（基板）与源极S接在一起。
根据导电方式的不同，MOSFET又分增强型、耗尽型。
所谓增强型是指：当VGS=0时管子是呈截止状态，加上正确的VGS后，多数载流子被吸引到栅极，从而“增强”了该区域的载流子，形成导电沟道。
耗尽型则是指，当VGS=0时即形成沟道，加上正确的VGS时，能使多数载流子流出沟道，因而“耗尽”了载流子，使管子转向截止。
以N沟道为例，它是在P型硅衬底上制成两个高掺杂浓度的源扩散区N+和漏扩散区N+，再分别引出源极S和漏极D。
源极与衬底在内部连通，二者总保持等电位。
图1（a）符号中的前头方向是从外向电，表示从P型材料（衬底）指身N型沟道。
当漏接电源正极，源极接电源负极并使VGS=0时，沟道电流（即漏极电流）ID=0。
随着VGS逐渐升高，受栅极正电压的吸引，在两个扩散区之间就感应出带负电的少数载流子，形成从漏极到源极的N型沟道，当VGS大于管子的开启电压VTN（一般约为+2V）时，N沟道管开始导通，形成漏极电流ID。
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5.6 MOSFET尺寸按比例缩小
5.7 MOS器件的二阶效应
Science and Technology of Electronic Information
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
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。
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)
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
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，
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
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。
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
(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。
′ = 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
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
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
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。