半导体器件知识点归纳三

四、MOSFET

1、分类

FET：JFET、MESFET、IGFET(MOSFET)

MOSFET：增强型NMOS、增强型PMOS、耗尽型NMOS、耗尽型PMOS，增强与耗尽由阈值电压决定，常用为增强型器件。

2、结构

四端：G（栅）、D（漏）、S（源）、B（衬底），源区和漏区之间为沟道，栅极电压控制沟道的导通与关闭，源极和漏极电压控制沟道电流的大小。

3、工作原理

NMOS：栅压小于阈值电压，沟道关闭；栅压大于等于阈值电压时，沟道导通，沟道电流随漏源电压增大而增大，直到饱和；

PMOS：栅压大于阈值电压，沟道关闭；栅压小于等于阈值电压时，沟道导通，沟道电流随源漏电压增大而增大，直到饱和。

4、工作区间（定性讨论）

在栅源电压（V GS）大于阈值电压（V T）的情况下

线性区：源漏电压（V DS）很小，漏极电流（I D）与V DS成线性关系；

饱和区：V DS逐渐增大到一定值时，I D达到一个饱和值，不再随V DS增大而增大；

击穿区：V DS继续增大，达到漏源击穿电压BV DS，导致I D急剧增加。

5、阈值电压

具体定义、原理、公式推导参看书上，通过公式可以总结出影响阈值电压的几个因素，对于阈值电压的理解非常重要，阈值电压的大小关系到器件的工作状态及电压范围，器件设计和电路设计中都是一个及其重要的参数。

用NMOS简单概括一下：NMOS衬底为P型半导体，源漏区分别是N型掺杂，栅极为0电压时，沟道跟衬底一样，是P型，不存在导电电子，没有电流产生；当栅极电压为正并逐渐增大时，正电压会排斥沟道空穴向衬底方向移动，同时吸引衬底电流流向沟道，使得沟道电子越来越多，最终导致沟道类型发生反型；当栅极电压达到一个被称之为阈值电压的值时，沟道发生强发型，沟道电子在漏源电压作用下由源区向漏区移动，产生电流，即器件开启。

PMOS的机理可以类似分析，只是需要注意PMOS沟道导电的是空穴。

在定性理解机理的基础上一定按照书上的推导定量的得到阈值电压的公式，并且记住，再次强调，这一点非常重要。

6、衬底偏置效应（体效应）

一般情况下，NMOS的源极跟衬底相连，并且接芯片的最低电位，但是在实际电路中，由于设计需要，往往会出现源极接到了一个比衬底高的电位上，源极电压会吸引沟道电子移向源极，从而使沟道电子变少，要使沟道达到强反型，就需要更大的栅极电压，这就是阈值电压的增大。

同理，对于PMOS，源极一般与PMOS管的体（N阱）相连，接芯片最高电位，实际设计中会有源极接到比体要低一些的电位上，会吸引沟道中的空穴移向源极，同样导致沟道空穴变少，要是沟道达到强发型，就需要更低的栅极电压，即阈值电压减小，阈值电压的绝对值也是增大的。

7、直流电流电压方程（定量讨论）

直流电流电压方程显示的输出特性即是对工作区间的定量讨论。

前提条件（V GS>V T器件导通）

线性区：0

1)[(2DS DS T GS OX D V V V V L W C I --=

μ； 饱和区：V Dsat

这两个公式是MOSFET 器件最重要的公式，特别是饱和区公式，是一切放大电路设计的根本，电路设计中会反复用到。

8、有效沟道长度调制效应

用NMOS 举例：沟道中从源区到漏区电位逐渐增大，将沟道电位等于)(T GS Dsat V V V -=的点称为夹断点，从之前的讨论中可以知道，器件刚进入饱和区时（漏源电压等于Dsat V ），夹断点处于漏极，随着漏源电压的继续增大，沟道内各处电位也响应增大，于是电位等于Dsat V 的点（夹断点）会逐渐向源极移动。

有效沟道长度是指沟道内源极到夹断点之间的长度，从以上讨论可知，有效沟道长度会随着漏源电压的增大而减小，这就是有效沟道长度调制效应。考虑有效沟道调制效应时，饱和区的电流电压方程中的沟道长度L 应该替换成有效沟道长度L eff ，即

2)(21T GS eff

OX D V V L W C I -=μ，L eff 可以由有效沟道长度调制因子λ确定，)1(DS eff V L L λ-=，所以

)1()(21)()1(2122DS T GS OX T GS DS OX D V V V L

W C V V V L W C I λμλμ+-≈--=，可以看到，此时漏极饱和电流不再是常数，而是随着V DS 的增大略微增大，即实际意义上漏极电流并不饱和。

9、漏区静电场反馈作用

这是漏极电流不饱和的另一个原因，具体机理参看书上。

总结一下导致漏极电流不饱和的原因：

衬底掺杂中等或较高浓度时，以有效沟道长度调制效应为主；

衬底掺杂浓度较低时，以漏区与沟道间静电耦合为主。

10、亚阈值区

之前讨论时认为V GS

定义沟道区处于本征态，即刚好还没有开始反型时的栅源电压为本征电压V i ，那么可以把V i

记住一点，亚阈值区的漏极电流与栅源电压是呈指数关系的，具体的公式可以不用去推导和记忆，记住这个结论即可：])(exp[nkT

V V q I T GS Dsub -∝。 对于亚阈值区，还有个重要的参数就是栅源电压摆幅S ，具体定义和公式参看书上，公式需要记住，并且通过公式总结对其影响的因素有哪些，如何影响。