3-1 MOS场效应管(北邮)

在vDS由零增大时，S源区(N+ 区）的多数载流子(自由电子)漂移过 导电沟道,
流向D漏区，形成电流 iD 。
vDS>0使栅、漏极间电压vGD=( vGS-vDS )＜vGS，使得导电沟道靠近漏极D
一侧吸引的电子少于源极S一侧。使导电沟道呈楔型状。
在导电沟道处于贯通的情况下，漏极电流 iD 与漏源电压vDS 呈二次函数关系。
夹断点向S源区方向移动。沟道长度有所缩短，源S、漏D间的耗尽区有所增长。
在vDS的作用下，自由电子由源区沿沟道向漏区方向运动，到达耗尽层夹断区， 被耗尽层内电场作用继续向漏区方向漂移，形成漏极电流iD 。
预夹断后再增加vDS ，vDS主要降在夹断沟道的、呈高电阻的耗尽层部分， 在剩余的沟道部分上的电场强度增加不多，因而，当vDS增大时， 电流 iD 基本不变，略有增加。此状态对应输出特性曲线的饱和区。
vGS=定值(较小)
vDS
vDS
vGS
iD
S N＋
G
D
N＋
P型衬底
12
(2) 可变电阻区
iD
可
（近似线形区）、(三极管区)
变 电
阻
导电沟道形成、楔形、预夹断前。 区
饱和区
vGS=定值
(较大) 击 穿 区
vGS＞Vth , vGD＞Vth , vDS＜vGS-Vth
0
iD
=
kp 2
W L
[2(vGS
源极S 栅极G
漏极 D
铝
SiO2绝缘层
t 厚度 ox
耗尽层
N+
L
P 型衬底
衬底
N+
沟 W宽道 度
B 衬底极
沟道 长度
沟道长度 L 和SiO2绝缘层厚度tox是MOS管的两个重要指标。
MOS技术发展的一个重要方面，就是在保证MOS管的性能的条件下而 一代一代地减小这两个尺寸。
目前MOS管的制作工艺水平可使沟道长度 L 短至 0.15μm 。 SiO2绝缘层厚度tox 可达5 nm 。MOS集成电路可工作至GHz的频段。 4
第三章
场效应晶体管及其放大电路
3.1 MOS型场效应管
北京邮电大学 郭琳
2011. 11 修订
1
第三章 场效应晶体管及其放大电路
场效应晶体管是一种利用电场强度控制管导电特性的半导体器件。
场效应管的导电载流子为多数载流子，或者为自由电子或者为空穴，
而在双极型晶体管中多子和少子都参与导电过程。
与双极型晶体管相比较， 场效应的
一般，沟道长度 L 越短，沟道长度调制效应会越严重。
沟道长度调制效应 可类比双极型管的基区宽度调制效应。
沟道长度调制效应也可引入厄而利电压VA来描述。
vGS vDS
17
在饱和区工作状态的MOS管交流输出电阻 rds ：
仿双极型管，可引用厄而利电压 VA 描述沟道长度调制效应。
厄而利电压 VA的定义类比双极型管。
vGS越大于开启电压Vth ， D、S间的导电沟道就越厚， 沟道电阻也就越小。
vGS
–+
S
G
D
D iD
G +
vGS S
–
N＋
N＋
源 区
P型衬底
漏 区
7
(2) 漏源电压vDS的作用
耗
iD
尽
+层
D
G
+
vDS
vGS S
––
vDS iD
vGS
iD
可变 电阻区
0
B
vGS=vGSQ vDS
当 vGS>Vth、导电沟道形成后，保持vGS=VGSQ不变，在漏源间加电压vDS，
(vGS
−Vth)2(1+λ ⋅VDS
)
VDS↑
iD
当λ较小时：
iD
≈
kp 2
W L
(vGS
−Vth )2
IDQ
Q
输出电流与输入电压呈二次函数关系。 0 这是场效应管的特点。
vGS
Vth VGSQ
D iD
双极型管的输出电流与输入电压呈指数关系。
G
+
vGS S
–
微变跨导 gm：
在饱和区内：
iD
=
kp 2
漏 区
6
反型层导电沟道的形成：
当vGS增大到一定值 Vth 时，受电场作用运动到栅极板下方绝缘层下
的自由电子数量足够多，使在这一区域的P型半导体中出现一层
自由电子占多数的N型层，称之反型层。
这一N型反型层将源区和漏区的 N+区连接通，相当于一导电沟道。
反型层导电沟道刚形成时的vGS 称为开启电压 Vth 。
剩余 导电 沟道
vDS＞vGS-Vth
vGS
iD
S
G
D
这种现象称为：沟道长度调制效应。
N＋
N＋
沟道长度调制效应在输出特性曲线上的表现是：
随着vDS的增加，曲线略有上翘 。
P型衬底
夹断区
16
沟道长度调制因子λ ：
为描述沟道长度调制效应的严重程度，引入沟道长度调制因子λ
考虑了沟道长度调制效应后的饱和区电流关系式： iD 可
−Vth )vDS
− vDS 2 ]
=
−kp 2
WL {[vDS
−(vGS
−Vth)]2
−(vGS
−Vth)2}
vGS-Vth
vGS=定值 (较小)
vDS
vDS
vGS
iD
S
G
D
kp : 本征导电因子 kp=μnCox ,
μn : 导电沟道中的电子迁移率， Cox : 栅极氧化层单位面积电容。 W : 导电沟道宽度，
输入阻抗高 热稳定性好 噪声小 抗辐射能力强
体积小、集成度高， 耗电少
目前的
大规模集成 电路 大都由 场效应管 集成。
根据结构和工作原理， 场效应管可分类为 ：
绝缘栅场效应管（IGFET) 结型场效应管（JFET) 大功率场效应管，如VDMOS管，IGBT管 2
3.1 MOS 场效应管（绝缘栅场效应管 ）
W L
(vGS
−Vth )2(1+
λ
⋅VDS
)
当λ较小时：
iD
≈
kp 2
W L
(vGS
−Vth )2
定义：微变跨导gm：
gm
=
ΔiD ΔvGS
vDS =vDSQ
vGS =vGSQ
根据
iD
≈
kp 2
W L
(vGS
−Vth)2
D iD
G +
vGS S
–
VDS↑
iD
IDQ
Q
vGS
0
Vth VGSQ
当 vDS ＞vGS-Vth ，管进入饱和区状态。
vGS=定(较值小)
vDS
vDS= vGS-Vth
vGS
iD
S N＋
G
D
N＋
P型衬底 15
(3) 饱和区
iD
当 vDS ＞ vGS-Vth ，管进入饱和区状态。
可 变
电
( vGD= vGS- vDS <Vth )
在饱和区状态时再增大vDS ，
阻
iD 区
VA和 λ
都是对沟道长度调制效应的描述。在 λ
较小时：λ
iD
≈
1 VA
IDQ+△iD
+
D
饱和区
G
+
VGSQ
–
VDSQ+△vDS
S
–
ΔiD IDQ
rds -VA
0
r MOS管在饱和区工作状态的交流输出电阻 ds：
rds =
ΔvDS ΔiD
VGSQ VDSQ
= VA + VDSQ I DQ
≈ 1 + λVDSQ λ IDQ
L ： 导电沟道长度 。
iD vDS
0 vGS-Vth
N＋
N＋
P型衬底
13
可变电阻:
iD
可
iD
=
kp 2
W L
[2(vGS
−Vth )vDS
−vDS2]
变 电 阻 区
（ vGS>Vth ， vDS<vGS-Vth ）
饱和区
iD 是 vDS 的二次函数。
当 vDS 较小时，iD与vDS 呈近似线性关系：
预夹断对应输出特性曲线上的拐点。
阻
iD 区
饱和区
vGS(=较定大值)
击
穿
区
将 vGS-Vth= vDS 带入可变电阻区公式：
iD
=
kp 2
W L
[2(vGS
−Vth )vDS
− vDS 2 ]
0 vGS-Vth
得：
iD
=
kp 2
W L
(vGS
−Vth )2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
iD为vGS对应的输出特性曲线拐点处 的漏极电流。
以N沟道增强型MOS管为例
结构特点：
在一种类型的半导体衬底
上光刻扩散出两个高掺杂 的另一类型的区域作为
源极S 和漏极D ，
在源漏极之间的衬底上生 成一层二氧化硅绝缘层， 再在其上蒸发出一层金属
铝作为栅极 G 。
源极
S
栅极
G
漏极
D
铝 SiO2绝缘层
金属 Metal
氧化层 Oxide 半导体 Semiconductor
5
3.1.1 N沟道增强型 MOS场效应管