第六章1-MOSFET-06
半导体器件物理--薄膜晶体管(TFT) ppt课件
BTS(bias temperature stress)：VG=VD=30 V, T=55 oC;
应力作用产生缺陷态，引起C-V曲线漂移. 16 ppt课件
6. p-Si TFF的改性技术 （1）非晶硅薄膜晶化技术-----更低的温度、更大的晶粒, 进一步提高载流子迁移率. （2）除氢技术----改善稳定性. （3）采用高k栅介质----降低阈值电压和工作电压. （4）基于玻璃或塑料基底的低温工艺技术(<350 oC).
对于恒定的VDS,VGS越大,则
沟道中的可动载流子就越多,
沟道电阻就越小,ID就越大.
即栅电压控制漏电流.
对于恒定的VGS,当VDS增大时，沟道厚度从源极到漏极逐渐变 薄, 引起沟道电阻增加,导致IDS增加变缓.当VDS＞VDsat时,漏极 被夹断,而后VDS增大，IDS达到饱和.
8 ppt课件
TFT的工作原理
低载流子 迁移率
稳定性和 可靠性
TFT发展过程中遭遇 的关键技术问题？
低成本、大面 积沉膜
低温高性能半 导体薄膜技术
挑战：在玻璃或塑料基底上生长出单晶半导体薄膜！
5 ppt课件
TFT的种类
按采用半导体材料不同分为： 硅基:非晶Si-TFT,多晶硅-TFT
无机TFT 化合物:CdS-TFT,CdSe-TFT 氧化物:ZnO-TFT
V
th)V
d
1 2
V
2 d
]
(V d V g V th) …….（3）
当Vd<<Vg时,(3)式简化为I d
W L
Ci (V g V th)V d
在饱和区(Vd>Vg-Vth),将Vd＝Vg-Vth代入(3)式可得：
集成电路原理第六章S知识分享
VGG为固定偏置，则 vg2=0
vgs2 vg2 vs2 vs2
vbsvs2
i0gd2s(v0vs2)gm 2( vs2)gm2b (s vs2)
vs2ri0
（6-3）
图6-3
接电阻增加输出电阻 的结构与等效电路
2020/10/19
而饱和区衬底跨导
gm
b2sviDBSS
假设：VDD=10V，VBV=6.5V，rz=100，R=35k，则此基准电压源的灵敏 度为0.0044。
2020/10/19
3、CMOS带隙基准源
CMOS带隙基准源电路见 图6-13，此结构实现了一种较 为精确的基准电压源。主要利 用了MOSFET的亚阈区工作时电 流的正温度系数特性与BJT的 BE结导通电压VBE的负温度特 性相互补偿，达到恒定的基准 电压输出。
模拟集成运算放大器电路分层说明
2020/10/19
10Bits 105MSPS 3V ADC 原理图
2020/10/19
无缓冲二级CMOS运放电路
电流镜 源耦合对 偏置电路
共源放大器
2020/10/19
多路电流放大器
6.2.1 电流源与电流沉（Current Source and Sink） 所谓电流源或电流沉，是指一种在任何时间内，其电流值
2020/10/19
6.2.3 基准源
理想的基准电压源或电流源应不受电源和温度变化的影响。 “基准”即是强调基准源的输出数值比一般电源的数值有更高 的精度和稳定性。通常基准与其连接的负载有关，可用缓冲放 大器使其和负载隔开，同时保持良好的性能。
1、简单的电压分压器
VREFVDD
R2 R1 R2
半导体器件物理(第六章)_93140777
半导体器件物理进展第六章其它特殊半导体器件简介Introduction to other Special Semiconductor Devices本章内容提要：LDMOS、VDMOS等高压功率器件 IGBT功率器件简介SOI器件与集成电路电荷耦合器件的原理与应用1. LDMOS、VDMOS功率器件（1）MOSFET作为功率器件的优势：MOSFET为多子（多数载流子）器件，电流温度系数为负值（由迁移率随温度的变化引起），不会发生双极型功率器件的二次击穿现象（由Iceo，β随温度的升高而引起）；没有少子（少数载流子）的存贮效应，开关响应速度较快；栅极输入阻抗较高，所需的控制功率较小；具有一定的功率输出能力，可与控制电路集成在一起，形成Smart Power IC，例如LCD显示器的高压驱动电路（Driver）。
（2）MOSFET的击穿特性：（A）导通前的击穿：源漏穿通：早期的解释：随着源漏电压增大，→源漏耗尽区不断展宽，直至相碰到一起，→导致发生源漏穿通效应（这里仍然采用的是平面PN结耗尽区的概念，尽管可能不是十分准确）；目前的理解：由于DIBL效应引起的源漏穿通，与器件的沟道长度及沟道掺杂分布有关，其特点是（与PN结的击穿特性相比）击穿特性的发生不是非常急剧，换句话说，器件的击穿特性不是十分陡直的硬击穿，而是比较平缓的软击穿特性。
漏端PN结击穿：比单纯的非MOSFET漏区的PN结击穿电压要低（原因：受场区离子注入、沟道区调开启离子注入等因素的影响），由于侧向双极型晶体管的放大作用，使得BV PN 有所下降（类似BV CEO 小于BV CBO ），不同点在于MOS器件的衬底（相当于BJT器件的基区）不是悬空的，而是接地（只是接地电阻可能偏大），这种击穿特性的特点是雪崩电流的发生比较急剧，发生雪崩效应之前的反向电流也很小。
（B ）导通后的击穿：主要是由于侧向双极型晶体管效应所导致，特别是由于器件衬底电流的影响，将使源衬PN 结出现正偏现象，致使侧向双极型晶体管效应更为严重。
MOSFET结构及其工作原理详解
MOSFET结构及其工作原理详解MOSFET（Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor）是一种具有金属-氧化物-半导体结构的场效应晶体管。
它是当今集成电路中最重要的器件之一，广泛应用于数字电路、模拟电路和电源管理等领域。
MOSFET的结构由基底区、栅极和漏源区组成。
其中基底区是一个高纯度的硅片，上面覆盖着一层极薄的氧化物（通常是二氧化硅）。
栅极则是一个通过绝缘物质电隔离的金属电极，漏源区则分别用P型和N型的材料制作。
栅极和漏源区之间通过一条被控制的通道连接。
1.静态工作原理：在静态情况下，当栅极与漏源区之间无电压时，MOSFET处于关断状态。
这是因为漏源区之间的田径型结构形成了一个PN 结，使得电流无法从漏源区流过。
此时，基底区中的悬浮载流子数量较少。
2.接近开通工作原理：当在栅极上施加正向电压时，栅极电场会穿透氧化物并影响到基底区。
如果电压足够高，栅极电场将吸引基底区中的自由电子，从而形成了一个电子通道。
这使得电流可以从漏源区流经该通道。
此时，MOSFET被激活，处于导通状态。
3.饱和工作原理：当在栅极上施加较高的电压时，栅源电场将吸引漏源区的电子，从而增加通道中的电流。
当通道已经完全饱和时，进一步增加栅极电压将不会对电流产生更大的影响。
4.阈值电压：在MOSFET导通之前，必须施加足够的电压使得栅极电场能够穿透氧化物并影响到基底区。
这个电压被称为阈值电压。
栅极电压低于阈值电压时，MOSFET处于关断状态。
MOSFET通过调控栅极电压来控制漏源区之间的电流流动。
当栅极电压高时，通道电阻变小，电流流动更容易；当栅极电压低时，通道电阻增大，电流流动受阻。
这使得MOSFET可以用来实现数字信号的放大、开关和逻辑门等功能。
总的来说，MOSFET是一种基于栅极电压调控的场效应晶体管，利用栅极电场来控制通道中的载流子，从而实现对电流流动的控制。
它具有体积小、功耗低、开关速度快等优点，是现代电子器件中不可或缺的一部分。
MOSFET基本参数与原理
MOSFET基本参数与原理MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）是一种常见的半导体器件，它是现代电子设备中最重要的元件之一、MOSFET具有高频响应、低功耗、容易集成化等优点，广泛应用于数码电子芯片、功率电子、通信设备和计算机等领域。
MOSFET最基本的结构是由金属、氧化物和半导体组成。
其中金属是用来提供电子输运的区域，氧化物用来绝缘，半导体是用来控制电流的。
MOSFET的基本原理是通过调节栅极电压，改变栅极和源极之间的电场，从而改变源极和漏极之间的电流。
MOSFET的主要参数有漏极电流(ID)、漏极到源极的导通电阻(RDS(ON))、栅极到源极的电压范围(VGS(th))等。
其中，漏极电流是指在给定的栅极电压下，从源极到漏极的电流。
RDS(ON)是指MOSFET导通时的电阻，它决定了MOSFET的功耗和效率。
VGS(th)是指MOSFET导通开始的栅极电压。
MOSFET有两种工作模式，分别是增强型和耗尽型。
增强型MOSFET是最常见的类型，当栅极电压高于VGS(th)时，MOSFET导通。
耗尽型MOSFET与增强型相反，当栅极电压高于VGS(th)时，MOSFET截断。
MOSFET的工作原理涉及到PN结和电场效应。
在MOSFET中，半导体中的p型区域和n型区域形成PN结，形成了pn结的两侧分别称为源极和漏极，栅极通过绝缘层与半导体隔离。
当栅极电压高于阈值电压时，栅极和半导体形成了电场，这个电场影响了源极和漏极之间的导通情况。
MOSFET的导通控制是由栅极电压决定的。
当栅极电压高于阈值电压时，栅极和半导体之间形成了反向电场，摧毁了原有的电场，导致漏极和源极之间的电流增加，MOSFET导通。
相反，当栅极电压低于阈值电压时，栅极和半导体之间形成了正向电场，阻止了电流的通过，MOSFET截断。
MOSFET作为一种电压控制的器件，具有许多优点。
第6章MOSFET北大微电子课件-精品文档59页
第6章 MOSFET
主要内容
MOS结构与特性 MOSFET结构与特性 MOSFET工作原理
I-V特性 交流特性
引言 MOSFET
引言 特点 单极器件、多子器件 电压控制器件 噪声低 制作工序少，隔离容易
MOSFET
W
B
II
n
n
e Ic
I
r
I
E
C
II
pI C
的电场，表面出现耗尽层；VG
Eds
增加，半导体表面出现反型层。
P -S i 衬 底
Id s
当VDS ≠ 0，形成漏源电流IDS。
VT： VGS使半导体表面达到强反型时电压。VGS＞VT，表面出现导 电通道。 VDS一定，VGS越大，沟道越厚，导电电子越多，沟道电流越大。
6.2 MOSFET的基本结构及工作原理
电子
反 型 层 耗尽
层
P型半导体
金属 氧化绝 缘层
6.1 MOS结构及其特性
MOS电容 氧化层电容
Cox
0 s tox
表面层电容 总电容
Cs
0 s xd
1 C MOS 1 1
Cox Cs
6.2 MOSFET的结构及其特性
1 MOSFET的基本结构 构成：半导体衬底、氧化层、金属栅极、源／漏扩散
QB Qn
6.3 MOSFET的阈值电压
6.3.4 理想状态MOSFET的阈值电压
1
VOX
QB COX
2 s0qN AVS
COX
2
栅 电 极
栅 氧 化 层
COX
OX 0
tOX
第六章1MOSFET06
沟道中任一点的电流： Jn (x, y)= - qn(x, y)u(x, y)
x
y 假设
•正常工作区 nMOS VDS 常0,VBS 0
时 空穴电流Jp可以忽略
•Jn只沿y向流动
•Gn＝Rn＝0，任一点的总电流连续
•迁移率为常数
沟道中任一点的电流：
缓变沟道近似：1D MOSFET模型的关键，只适合于长沟器件
需要2D分析、边缘效应不可忽略 VDS>VDSAT 后IDS不饱和 VT漂移 S上升 强电场效应
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
一、短沟效应
Short Channel Effect SCE 现象
•Vt roll off •DIBL效应 •源漏穿通 •反常的短沟效应
界面的影响
载流子的屏蔽作用使
库仑散射：界面电荷、 电离杂质
迁移率随Qinv（Vg） 增加而增加。
表面粗 糙散射
栅压引起有效迁移率 的退化。
Vg大后，纵向电场 Evertical增加，使载流 子更加频繁地与表面 接触（散射），迁移 率降低。
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
•沟道由异质结中的2DEG形成 •S/D与沟道区为同种类型的半 导体 •常开器件，加栅压使关断
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
第一节 长沟MOSFET
一、MOSFET的结构、能带 二、阈值电压 三、 I－V特性的模型
1. pao－sah 方程 2. 缓变沟道近似 3. 其他源漏电流模型 四、亚阈特性 五、衬偏效应 六、沟道尺度调制效应
MOSFET教程
MOSFET教程MOSFET是Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor的缩写，是一种常用的电子器件。
它是一种由金属-氧化物-半导体结构组成的场效应晶体管，它的特点是高频特性好、占用面积小、输入电阻高、工作电压低等。
MOSFET广泛应用于各种电子设备和电路中，如功率放大、开关、逻辑门等。
MOSFET的结构由P型或N型半导体基片构成，其中夹着一层非晶态或多晶态氧化铝或氮化硅形成的绝缘层。
绝缘层上覆盖有金属结构作为栅极，这个金属结构是通过一两个小孔与下面的半导体相连接。
这样，当栅极电压改变时，可以通过改变栅电压控制半导体中的电流。
MOSFET有四个主要电极：栅极(Gate)，漏极(Drain)，源极(Source)，和衬底(Substrate)。
栅极用于控制器件的导通和截止，漏极和源极用于连接外部电路的通路，衬底则提供基片极性。
根据栅极电压与漏极电压之间的关系，MOSFET可以分为三种工作区：截止区、线性区和饱和区。
当栅极电压低于阈值电压时，MOSFET处于截止区。
此时，MOSFET的导通能力非常小，几乎没有漏极电流。
这种特性使得MOSFET在开关电路中特别有用。
当栅极电压在阈值电压和漏极电压之间时，MOSFET处于线性区。
此时，MOSFET的电流与栅极电压成正比，使得MOSFET可以在放大器电路和线性增强器中使用。
当栅极电压高于漏极电压时，MOSFET处于饱和区。
在饱和区，MOSFET的电流几乎不受栅极电压的影响，因此可以作为开关电路中的高电流驱动器使用。
在实际应用中，选择正确的MOSFET非常重要。
根据应用需求，可以选择不同类型的MOSFET，如N沟道MOSFET和P沟道MOSFET。
此外，还可以选择不同的封装形式，如DIP、SMD或TO-220等。
在使用MOSFET时，还需要考虑一些特殊的电路设计技巧。
例如，在开关电路中，要合理选择电阻分压电路、滤波电容或磁珠等来保护MOSFET免受过大电压或电流的侵害。
半导体器件物理第六章--MOSFET
（6-2-24）
C ⎡ ⎛ 2C = ⎢1 + ⎜ Co ⎣ ⎝ qN a ∈S
⎞ ⎤ ⎟ VG ⎥ ⎠ ⎦
− 12
⎡ ⎤ 2 ∈0 V = ⎢1 + 2 G⎥ ⎣ qN a ∈S xo ⎦
2
− 12
（6-2-2 5）
归一化电容 C C 0 随着外加偏压 VG 的增加而减小. 反型区（ VG >0）
2010-1-5
科学出版社 高等教育出版中心
9
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
图6-4 几种偏压情况的能带和电荷分布
2010-1-5
科学出版社 高等教育出版中心
10
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
载流子耗尽 单位面积下的总电荷为
QS = QB = − qN a x d
2 qN a xd ψS = 2 ∈s
13
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
xdm 4ε sφ f 2ε sψ si = = qN a qN a
（6-1-21） （6-1-22）
QB = −qN a xdm
总表面空间电荷
QS = QI + QB = QI − qN a xdm
（6-1-23）
QI为反型层中单位面积下的可动电荷即沟道电荷：
2010-1-5
பைடு நூலகம்
（6-2-4）
科学出版社 高等教育出版中心
20
6.2 理想MOS电容器
则
1 1 1 = + C Co CS
（6-2-5）
Co =绝缘层单位面积上的电容，
C S =半导体表面空间电荷区单位面积电容。
C 1 = Co 1 + Co CS
剖析MOSFET物理结构、工作原理及失效
第一章MOSFET简介MOSFET是英文MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor的缩写，译成中文是“金属氧化物半导体场效应管”。
它是由金属、氧化物(SiO2或SiN)及半导体三种材料制成的器件。
即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）场效应晶体管。
从目前的角度来看MOSFET的命名，事实上会给人得到错误的印象。
因为MOSFET里代表“metal”的第一个字母M在当下大部分同类的元件里是不存在的。
早期MOSFET的栅极（gate electrode）使用金属作为其材料，但随著半导体技术的进步，现代的MOSFET栅极早已用多晶硅取代了金属。
今日半导体元件的材料通常以硅（silicon）为首选，但是也有些半导体公司发展出使用其他半导体材料的制程，当中最著名的例如IBM使用硅与锗（germanium）的混合物所发展的硅锗制程（silicon-germanium process, SiGe process）。
而可惜的是很多拥有良好电性的半导体材料，如砷化镓（gallium arsenide,GaAs），因为无法在表面长出品质够好的氧化层，所以无法用来制造MOSFET元件。
MOS场效应管从沟道类型上看，有N沟道（Channel）和P沟道之分，从工作方式上又分为增强型（Enhancement MOS，或EMOS）和耗尽型（Depletion MOS,或DMOS）两类，于是就有了四种MOSFET：①增强型N沟道MOS（E-NMOSFET）；②耗尽型N沟道MOS（D-NMOSFET）；③增强型P沟道MOS（E-PMOSFET）；④耗尽型P沟道MOS（D-PMOSFET）第二章开关特性和工作原理一：MOSFET电路符号及开关特性MOSFET可建模成一个处于O P E N或C L O S E D状态的简单的开关；它的动作与接通和关闭房间内的电灯开关非常类似，除了它是用逻辑信号控制电子对应物这一点不同外！图1 NMOS 图2 PMOS上图表示的是NMOS和PMOS的电路符号。
第六章1-MOSFET-06
阈值电压的确定 固定电压法： Ids＝10－7W/L (A)
存在的问题？
跨导增量法：低漏压时， 跨导微分dgm/dVgs的最大 点所对应的栅压。
存在的问题？
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
三、I－V特性
目的： IDS－VG、VS、VD、VB之间的关系
第五章 MOSFET
第一节 长沟MOSFET 第二节 短沟MOSFET 第三节 MOSFET模型 第四节 MOSFET的缩小 第五节 MOSFET的设计
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
原 栅漏交叠 因 漏端存在强场
带间隧穿
Band－to －band tunneling
可能存在陷阱辅助 的隧穿
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
MOSFET中的迁移率
场效应迁移率，有效迁移率
Effective mobility，与半导体 材料的迁移率（体迁移率） 有区别
C ox VgsV t0Vsb(1)V(y)
代入Ids，积分
ID Sn W L C o x V G V T (1)V 2 D S V D S
d I ds dVds
Vdsat
0
Vdsat
Vgs Vt
1
ID SnW 2L C ox
Sah 方程， Square law model
忽略沟道中耗尽层厚度的变化
Q i C o x [ V g s V f b 2 B 2 B V y V y ]
模电第06章模拟集成电路(康华光)
RC IC2 IB2
RB2
+VCC
RB1
VCC VBE 1 VBE 1 I B1 I B 2 RB 2 RB1 IC1＝IC2＝ 1 IB1
VCE1＝VCE2＝ VCC －IC1 RC
(2)差模动态分析 目的:求 Avd ,Rid, Ro , KCMR
（1-18）
动态分析(双入双出) +VCC RB2 RC RC RB2 vi 从两输入端之 RL 间输入信号; RB1 RB1 + vo – T2 T1 vo从两管集电极 输出电压; vi1 – – vi2 + 差模信号 + 相当于: + vi – vi1=-vi2=vi/2 小信号电路： +
RC // RL 差模电 A =v /v = 1 vd o i 2 ( rbe RB 2 ) RB1 r 压增益: be
RB 2
差模输入电阻:Rid=2(RB1 +RB2 //rbe) 输出电阻:Ro=RC
（1-23）
(3)共模动态分析 RB2 RC 目的:求Avc ,KCMR 零漂信号相当于在 RB1 T1 两个输入端加入了 共模信号。 + vi1 – 当有零漂时: + vic vi1=vi2=vic 这时共模电压增益？ 共模小信号电路如图：
IREF IC1
VCC
R 2IB
IC2=Io
T2
T1
(2)镜像电流源的作用 作用1:静态时可作为恒流源 ∵当 较大时, IB可以忽略:
-VEE
VCC VBE ( VEE ) Io＝IC2≈IREF＝ R
当VCC,VEE ,R 恒定时, 输出电流Io 恒定
（1-2）
作用2:动态时可作为动态电阻
半导体物理-第六章(教材PPT)-刘恩科
六、推导爱因斯坦关系式（5分）：
推导爱因斯坦关系式
Dn k0T
n q
证：热平衡时，漂移和扩散产生的电流相等，有：
n0 (x)n E
Dn
dn0 (x) dx
(1)
E dV (x) dx
（2）
又 所以：
n0 (x)
Nc
exp[
EF
qV (x) k0TEc]dn0 Nhomakorabeax) dx
证：因为
Dn
K0T q
n, Dp
k0T q
p ,np0
ni2 p p0
,
pn0
ni2 nno
i qni ( n p )
所以： J s
k 0Tni2 [
n Ln Pp0
p ] L p nn0
k
0
2 i
q
np [ 1 (n p )2 Ln p
1 ]
Lp n
k
0Tb
2 i
[
1
1]
q(1 b)2 Ln p Lp n
第六章 PN结
6.1 热平衡条件下的PN 结 6.2 PN结的伏安特性
本章重点：PN结的形成 PN结的性质
• PN结是同一块半导体晶体内P型区和N型区之间的边界 • PN结是各种半导体器件的基础，了解它的工作原理有助于
更好地理解器件
• 典型制造过程：合金法、扩散法
6.1 热平衡条件下的PN 结
突变结: 浅结、重掺杂（<1um）
q n0 (x) k0T
dV (x) dx
(3)
第六章-MOSFET
第六章 MOSFET
MOS场效应晶体管
1
引言 一、FET(Field-Effect Transistor)
二、场效应器件类型: 场效应晶体管
结型场效应 晶体管 （JFET）
Junction FET
金属－半导体场 效应晶体管 （MESFET）
Metal-Semiconductor
反型、形成导电沟道时的 栅源电压, 以VT表示
VT VOX VS VFB
VOX : 栅电压VG 降落在 SiO2 绝缘层上的部分 S VS : 栅电压VG 降落在半导体表面的部分 VFB : 平带电压
D G
P-Si 衬底
Eds Ids
30
6.3 MOSFET的阈值电压
6.3.2 平带电压 实际MOS结构: 1、金半的接触电势差 Vms 0 2、二氧化硅绝缘层电荷 Qox 0
COX
COX
COX
OX 0
tOX
栅 电 极
栅 氧 化 层
P型半导体
QG
QO
X
QB Qn
栅氧化 层厚度
35
6.3 MOSFET的阈值电压 6.3.4 理想状态MOSFET的阈值电压
VG Vox VS
VS
2 F
2kT ln q
NA ni
1
VT
QBmax Cox
2F
2 qN A 2F
Cox
D G
S VDS<0
转移特性
输出特性
ID +
VT VGS
-
0
+
VT<0
0
ID
VT>0
VT
VGS
-
MOSFET管开关电路基本知识总结
MOSFET管开关电路基本知识总结第一篇：MOSFET管开关电路基本知识总结一直以来模拟电路就学的不好,好不容易把三极管了解完了,就一直没敢碰MOSFET了,没想到两年后还是会遇到,不过有一句话倒是很不错,就是技术这个东西不能太深入,否则你会发现其实都很简单.(一)MOSFET管的基本知识MOSFET是利用半导体表面的电场效应进行工作的,也称为表面场效应器件.它分为N沟道和P沟道两类,其中每一类又可分为增强型和耗尽型两种,所谓耗尽型就是当VGS=0时,存在导电沟道,ID≠0,所谓增强型就是VGS=0时,没有导电沟道,即ID=0.以上是N沟道和P沟道MOS管的符号图, 其相关基本参数:(1)(2)开启电压Vth,指栅源之间所加的电压, 饱和漏电流IDSS,指的是在VGS=0的情况下,当VDS>|Vth|时的漏极电流称为饱和漏电流IDSS(3)(4)最大漏源电压VDS 最大栅源电压VGS(5)直流输入电阻RGS 通常MOS管的漏极D与源极S与以互换,但有些产品出厂时已将源极与衬底连在一起,这时源极与漏极不能对调,使用时应该注意.下面以FDN336P的一些主要参数为例进行介绍: 上表指出其源极与漏极之间的电压差为20V,而且只能是S接正极,D接负极栅极与源极之间的最大电压差为8V,可以反接.源极最大电流为1.3A,由S->D流向,脉冲电流为10A这是表示在VGS=0时,VDS=-16V时的饱和漏电流，上图表示其开启电压为1.5V,并指出了其DS间导通电阻值.(二)MOSFET做开关管的知识一般来讲,三极管是电流驱动的,MOSFET是电压驱动的,因为我是用CPLD来驱动这个开关,所以选择了用MOSFET做,这样也可以节省系统功耗吧,在做开关管时有一个必须注意的事项就是输入和输入两端间的管压降问题,比如一个5V的电源,经过管子后可能变为了4.5V,这时候要考虑负载能不能接受了,我曾经遇到过这样的问题就是负载的最小工作电压就是5V了,经过管子后发现系统工作不起来,后来才想起来管子上占了一部分压降了,类似的问题还有在使用二极管的时候(尤其是做电压反接保护时)也要注意管子的压降问题开关电路原则a.BJT三极管Transistors 只要发射极e 对电源短路就是电子开关用法N管发射极E 对电源负极短路.(搭铁)低边开关;b-e 正向电流饱和导通P管发射极E 对电源正极短路.高边开关;b-e 反向电流饱和导通b.FET场效应管MOSFET 只要源极S 对电源短路就是电子开关用法N管源极S 对电源负极短路.(搭铁)低边开关;栅-源正向电压导通P管源极S 对电源正极短路.高边开关;栅-源反向电压导通总结: 低边开关用 NPN 管高边开关用 PNP 管三极管 b-e 必须有大于 C-E 饱和导通的电流场效应管理论上栅-源有大于漏-源导通条件的电压就就OK假如原来用 NPN 三极管作 ECU 氧传感器加热电源控制低边开关则直接用 N-Channel 场效应管代换;或看情况修改下拉或上拉电阻基极--栅极集电极--漏极发射极--源极上面是在一个论坛上摘抄的,语言通俗,很实用，这是从方佩敏老师写的文章里摘抄的一个开关电路图, 用PMOSFET构成的电源自动切换开关在需要电池供电的便携式设备中，有的电池充电是在系统充电，即充电时电池不用拔下来。
器件物理MOSFETPPT
xd
(
2
s
s
)
1 2
qN A
最大耗尽层宽度
xdm
( 4 s Fp
qN A
1
)2
6.2 理想MOS电容器
6.2 理想MOS电容器
教学要求 1.导出公式（6－2-24）、（6-2-25）。 2..了解电荷QI的产生机制 3.了解积累区、耗尽区、反型区和强反型情况下，MOS电容的变 化规律及影响MOS电容的主要因素
反型条件:
s f
强反型条件； s 2 f
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷 区
s 2 f
电荷块图
能带图
耗尽和反型转折点
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
5.VG>VT时, 表面少数载流子浓度超过多数载流子 浓度，这种情况称为“反型”。
电荷块图
反型
能带图
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
6.2 理想MOS电容器
MOS中无直流电流流过，所以MOS电容中最重 要的特性就是C-V特性，把理想C-V特性曲线和 实测C-V曲线比较，可以判断实际MOS电容与 理想情况的偏差。而且在MOS器件制备中，M OS电容的C-V特性检测也常作为一种常规的工 艺检测手段。
6.2 理想MOS电容器
MOS系统单位面积的微分电容
由掺杂浓度和氧化层厚度确定
6.2 理想MOS电容器
耗尽区（ VG<0） (以n衬底为例）
栅上有-Q电荷，半导体中有+Q 的受主杂质ND+，ND+的出现是 由于多子被排斥，因此器件工 作与多子有关，仍能在10-10-1013秒内达到平衡，交流信号作 用下，耗尽层宽度在直流值附 近呈准静态涨落，所以MOS电 容看作两个平板电容器的串联。
第六章 MOSFET
D S G
26
6.2.2、MOSFET的基本类型
2种分类方法：
沟道中导电的 载流子类型 N沟道 （P型衬底） P沟道 （N型衬底） 强反型时，导电沟道中 的电子漂移运动形成电 流 强反型时，导电沟道中 的空穴漂移运动形成电 流 VG＝0时，无导电沟道 VG＝0时，有导电沟道 耗尽型 增强型 Enhancement mode
电路符号
G
D B S G
D B S G
D B S G
D
B S
28
*耗尽型的阈值电压指沟道消失时的VGS
6.2 MOSFET的基本结构及工作原理 6.2.3、 MOSFET的基本工作原理
29
6.2 MOSFET的基本结构及工作原理 6.2.3、 MOSFET的基本工作原理
基于“表面场效应”原理。 在垂直于半导体表面的电场作用下，半导体表面层中的 载流子浓度发生变化，导致表面层导电能力的改变。
(导电沟道是反型层，故与衬底的类型是相反的)
增强型
VGS＝0时，是 否有导电沟道
共有四种类型
耗尽型 Depletion mode
27
6.2.2、MOSFET的类型
类型 衬底 S、D区 沟道载流子 VDS IDS方向 VT N沟道MOSFET 耗尽型 增强型 P型 n＋ 电子 >0 DS <0 >0 P沟道MOSFET 耗尽型 增强型 N型 p＋ 空穴 <0 SD >0 <0
理想MOS 施加偏压后的几种表面状态
9
*强反型：半导体表面积累的少子浓度等于甚至超过
体内多子浓度的状态
ns p p 0 EF Eis qV ns ni exp s kT Eis Eip EF p p 0 ni exp kT EF Eis Eip EF
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
薄层电荷模型 charge sheet model
假设反型层电荷厚度 为0，其上没有压降
代入Ids的 积分
没有了双重积分，源漏处的s仍需要迭代求解，无解析解。同时有漂移， 扩散项，适合所有工作区有效，计入了体效应（Vsb的影响）。
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
体电荷模型 bulk charge model SPICE Level＝2
忽略扩散电流，假设反型后表面势钳位在2B－只适合于强 反型！ 线性区
S02BVsb
SL2BVdb
Q i C o x [ V g s V f b 2 B 2 B V y V y ]
假设： 电场沿y方向的变化<<沿x方向的变化
2D 泊松方程 x22 y22 xS,y
2 2 x 2 y 2
1D 泊松方程
2 x, y
x2
S
结果：MOS电容中得到的Qs与表面势的关系仍适用，只是需 要考虑随y的变化
成立条件：沟道内的绝大部分，除漏附近和夹断区
IDS nW LoC xVGVTVDS V2 2DSVDS<VG-VT
IDSnW 2LoC xVGVT2
VDS>VG-VT
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
包含体效应的 Sah 方程
Q invC ox VgsV t0V(y)(VsbV(y))
影响Vt的因素
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
阈值电压的确定 饱和区： 在饱和区测ID-VG ，画sqrt(ID) － VG－ 外推 VT
存在的问题？
线性区： 在线性区测ID-VG ，画ID－ VG－外推 VT
存在的问题？
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
原因：载流子与界面散射， 受界面电荷、界面粗糙的影 响，纵向电场一定强时，载 流子的输运主要受界面散射 的影响.
Echannel Evertical
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
界面的影响
载流子的屏蔽作用使
库仑散射：界面电荷、 电离杂质
迁移率随Qinv（Vg） 增加而增加。
•沟道由异质结中的2DEG形成 •S/D与沟道区为同种类型的半 导体 •常开器件，加栅压使关断
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
第一节 长沟MOSFET
一、MOSFET的结构、能带 二、阈值电压 三、 I－V特性的模型
1. pao－sah 方程 2. 缓变沟道近似 3. 其他源漏电流模型 四、亚阈特性 五、衬偏效应 六、沟道尺度调制效应
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
一、短沟效应
Short Channel Effect SCE 现象
Pao－Sah 方程
爱因斯坦关系
同时有漂移，扩散项
Qi
q n(x,
0
y)dx
f
q
s
n(,V(y))
dx
d
d
f
q
n(,V(y)) d
s
Ex
沿x方向求解关 于MOS结构的 泊松方程
双重积分，s的 隐含方程，只有数 值解。同时有漂移， 扩散项，适合所有 工作区有效。
代入Ids，积分
I d s C L o x W V g V tV d s 1 2 V d s 2 3 2 2 B V d s 3 /2 2 B 3 /2
饱和区
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
Sd(dlo G IV Dg)S2.3dldnIG V DSV/de c
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
沟长调制效应 CLM
ID S2 (L nW C D oL x)VGVT2/(1)
饱和后，夹断区长度DL随VDS继续增加，使有效沟长 Leff＝L－DL减小， Ids随VDS继续增加
各种各样的场效应晶体管
MOSFET
•S/D与沟道区为同种类型的 半导体
•栅为MS接触 •常开器件，加栅压使关断 •存在Ig
•S/D与沟道区为不同种类型 的半导体
•栅为MOS接触 •由栅压感应形成沟道 •Ig很小 •四端器件
各种各样的场效应晶体管
•S/D与沟道区为同种类型的 半导体
•常开器件，加栅压使关断
Vgs
(Vt0
Cdep Cox
Vsb)
定义Qinv＝0时的Vgs为 Vt（sb）
体 因 子 Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
均匀掺杂： 掺杂浓度对阈值 电压的影响
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
C ox VgsV t0Vsb(1)V(y)
代入Ids，积分
ID Sn W L C o x V G V T (1)V 2 D S V D S
d I ds dVds
Vdsat
0
Vdsat
Vgs Vt
1
ID SnW 2L C ox
MOSFET的工作过程及I－V特性
IDS
亚 阈
饱和
VG－Vt
线性
Vt
V
二、阈值电压
MOS中经典强反型条件：
反型VT－VG相对于源端VS的 MOSFET中的VT必须考虑Vsb的影响
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
计入VSB 均匀掺杂
反型VT－VG相 对于源端VS的
V GV T 2/(1)
Institute of Microelectronics
PKU
Liu Xiaoyan
亚阈特性 Vgs<Vt, 弱反型，扩散电流，分区模型中忽略漂移项
弱反 型
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
亚阈斜率 Subthreshold swing Ids改变一个数量级所需要的栅压
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
长沟MOSFET的特点 •沟道长度 L>> 源空间电荷区＋漏空间电荷区 •可以将长沟器件处理为一维问题 •可以忽略沟道四周的边缘效应
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
阈值电压的确定 固定电压法： Ids＝10－7W/L (A)
存在的问题？
跨导增量法：低漏压时， 跨导微分dgm/dVgs的最大 点所对应的栅压。
存在的问题？
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
三、I－V特性
目的： IDS－VG、VS、VD、VB之间的关系
GIDL效应 Gate-Induced Drain Leakage (GIDL)
现象
Vg＝0，Vds＝ Vdd时，Ids的反 常增加。泄漏电 流。
反偏pn结
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
GIDL效应 Gate-Induced Drain Leakage (GIDL)
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
等效纵向电场
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
减小tox，Eeff增大，迁移 率下降，器件特性退化
MOSFET的能带
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
参考点： 平带VFB－VG相对于VB的 反型VT－VG相对于源端VS的
Vbi＋VBS
VBS不为0时，VB相当于 增加了反偏电压VR＝VB
Vbi＋VBS＋ VDS
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
MOSFET的阈值电压
2oSiqNA 体效应参数 V1/2
CoIxnstitute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
另外一种定义
两部分电容 Cox 和Cdep对反型电 荷的贡献
Qinv Cox Vgs Vt0 CdepVsb
Cox
表面粗 糙散射
栅压引起有效迁移率 的退化。
Vg大后，纵向电场 Evertical增加，使载流 子更加频繁地与表面 接触（散射），迁移 率降低。
Institute of Microelectronics PKU Liu Xiaoyan
普适的迁移率曲线/关系 Universal mobility curve
沟道中任一点的电流： Jn(x,y)=-q n(x,y)u(x,y)
x
y 假设
•正常工作区 nMOS VDS 常0,VBS 0
时 空穴电流Jp可以忽略