场效应晶体管MOSFET
场效应管和mos管的区别
功率场效应晶体管MOSFET1.概述MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），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）的场效应晶体管。
功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称功率MOSFET（Power MOSFET）。
结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）。
其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。
2.功率MOSFET的结构和工作原理功率MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。
按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。
2.1功率MOSFET的结构功率MOSFET的内部结构和电气符号如图1所示；其导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。
导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET （Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。
按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET），本文主要以VDMOS 器件为例进行讨论。
mosfet半导体场效应晶体管mos管
主题：mosfet半导体场效应晶体管mos管一、介绍mosfet半导体场效应晶体管的基本概念mosfet（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor），即金属-氧化物-半导体场效应晶体管，是一种广泛应用于集成电路的半导体器件。
它由一段导电性较好的半导体材料形成的栅极和绝缘层构成，其结构与普通的晶体管有明显的不同，能够更好地控制电流。
二、mosfet半导体场效应晶体管的工作原理mosfet的工作原理主要包括局部场效应和接近场效应两种。
在局部场效应下，由于外加电压改变了栅极电场，从而控制了导通道的电荷密度；而在接近场效应下，则是通过改变栅极与半导体之间的电荷耦合来控制导通道。
这些原理使得mosfet在电子器件中大放异彩，成为了当今电子工业中不可或缺的一部分。
三、mosfet半导体场效应晶体管的特点和优势1. 高输入电阻：由于mosfet的栅极与通道之间的绝缘层，其输入电阻远高于普通晶体管，可降低输入功率。
2. 低输入电流：mosfet的控制方式与普通晶体管不同，可以通过改变栅极电场来控制电流，因此输入电流较低。
3. 低噪声：由于mosfet的工作原理，其本身产生的噪声很小，能够更好地保持信号的清晰度。
4. 大功率放大：mosfet在电子器件中功率放大的性能较好，能够适用于不同功率的应用场景。
四、mosfet半导体场效应晶体管的应用范围1. 集成电路：mosfet因为其体积小、功耗低、性能高等特点，被广泛应用于各类集成电路中，如微处理器、存储器等。
2. 功率放大器：mosfet在功率放大器中的应用也非常广泛，其高功率放大、低噪声等特点使得其成为了功率放大器的首选器件。
3. 波形整形电路：由于mosfet对信号的响应速度很快，能够在一定程度上实现波形的整形和放大，因此也被应用在波形整形电路中。
4. 逻辑电路：mosfet的工作原理使得其在逻辑电路中有较好的应用效果，能够实现快速开关和逻辑运算等功能。
mosfet导通条件
mosfet导通条件
MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）的导通条件如下：
1. N沟道型MOSFET（NMOS）：当栅极-源极电压大于或等于临界电压（门源电压大于或等于阈值电压），且栅极电压相对于源极电压是正的（P类型半导体栅极电压高于N型半导体源极电压），沟道形成并允许电流通过。
2. P沟道型MOSFET（PMOS）：当栅极-源极电压小于或等于临界电压（门源电压小于或等于阈值电压），且栅极电压相对于源极电压是负的（N型半导体栅极电压低于P型半导体源极电压），沟道形成并允许电流通过。
总之，MOSFET的导通条件取决于栅极电压与源极电压之间的关系，并且受到阈值电压的影响。
半导体技术之-MOSFET场效应晶体管
占多
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栅源电压VGS 称为开启电压 (VGS(th) 简写为：Vth )
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
–+
导电沟道
S N＋
G
D
N＋
源 区
P型衬底
电子到达栅极下受到 绝缘层 阻挡，与绝缘层下的空穴复合，使栅 极板下方绝缘层下的P型半导体中出现一层负离子耗尽层。
D
iD=0
B G
vDS
vGS
S
0<vGS<Vth
vGS
–+
耗尽层
S
G
D
N＋
N＋
漏
源
区
区
P型衬底
6
栅源电压vGS的作用
3 vGS ≥ Vth —— 反型层导电沟道的形成：
当VGS增大到一定值VGS(th) 时，受电场作用运动到栅极板下方绝缘层下的 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
分，在剩余的沟道
部分上的电场强度 增加不多，电流 iD 0 基本不变（略有增
加）。
iD
vDS=vGS-Vth
vGS↑ vGS=vGSQ
vDS
B
预夹断后，如栅源电压vGS增大， 使沟道的厚度增加，夹断点向漏极D 极方向后退，沟道电阻减小，电流 iD 随之增大。
－
vGD<Vth D
G＋
iD>0
B
vDS> vGS-Vth
G
+
vGS >Vth
场效应管和mos管的区别综述
2.3.1静态特性；其转移特性和T的转移特性，ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs
MOSFET的漏极伏安特性（输出特性）：截止区（对应于GTR的截止区）；饱和区（对应于GTR的放大区）；非饱和区（对应于GTR的饱和区）。电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。
开通时间ton—开通延迟时间与上升时间之和。
关断延迟时间td(off) —up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小为零的时间段。
下降时间tf— uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGS<UT时沟道消失，ID下降到零为止的时间段。
关断时间toff—关断延迟时间和下降时间之和。
首先MOSFET结构中所附带的本征二极管具有一定的雪崩能力。通常用单次雪崩能力和重复雪崩能力来表达。当反向di/dt很大时，二极管会承受一个速度非常快的脉冲尖刺，它有可能进入雪崩区，一旦超越其雪崩能力就有可能将器件损坏。作为任一种PN结二极管来说，仔细研究其动态特性是相当复杂的。它们和我们一般理解PN结正向时导通反向时阻断的简单概念很不相同。当电流迅速下降时，二极管有一阶段失去反向阻断能力，即所谓反向恢复时间。PN结要求迅速导通时，也会有一段时间并不显示很低的电阻。在功率MOSFET中一旦二极管有正向注入，所注入的少数载流子也会增加作为多子器件的MOSFET的复杂性。
2.功率MOSFET的结构和工作原理
功率MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。
功率场效应晶体管(MOSFET)基本知识.
功率场效应晶体管(MOSFET)基本知识功率场效应管(Power MOSFET)也叫电力场效应晶体管，是一种单极型的电压控制器件，不但有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点。
由于其易于驱动和开关频率可高达500kHz，特别适于高频化电力电子装置，如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空航天以及汽车等电子电器设备中。
但因为其电流、热容量小，耐压低，一般只适用于小功率电力电子装置。
一、电力场效应管的结构和工作原理电力场效应晶体管种类和结构有许多种，按导电沟道可分为P沟道和N沟道，同时又有耗尽型和增强型之分。
在电力电子装置中，主要应用N沟道增强型。
电力场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅MOS管相同，但结构有很大区别。
小功率绝缘栅MOS管是一次扩散形成的器件，导电沟道平行于芯片表面，横向导电。
电力场效应晶体管大多采用垂直导电结构，提高了器件的耐电压和耐电流的能力。
按垂直导电结构的不同，又可分为2种：V形槽VVMOSFET和双扩散VDMOSFET。
电力场效应晶体管采用多单元集成结构，一个器件由成千上万个小的MOSFET组成。
N沟道增强型双扩散电力场效应晶体管一个单元的部面图，如图1(a)所示。
电气符号，如图1(b)所示。
电力场效应晶体管有3个端子：漏极D、源极S和栅极G。
当漏极接电源正，源极接电源负时，栅极和源极之间电压为0，沟道不导电，管子处于截止。
如果在栅极和源极之间加一正向电压UGS，并且使UGS大于或等于管子的开启电压UT，则管子开通，在漏、源极间流过电流ID。
UGS超过UT越大，导电能力越强，漏极电流越大。
二、电力场效应管的静态特性和主要参数Power MOSFET静态特性主要指输出特性和转移特性，与静态特性对应的主要参数有漏极击穿电压、漏极额定电压、漏极额定电流和栅极开启电压等。
1、静态特性（1）输出特性输出特性即是漏极的伏安特性。
特性曲线，如图2(b)所示。
MOSFET工作原理
MOSFET工作原理MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）是一种重要的电子器件，广泛应用于现代电子技术中。
它的工作原理是基于半导体材料中的电子和空穴的运动，通过控制栅极电压来调节导电能力。
本文将介绍MOSFET的工作原理，并探讨其在电子领域中的应用。
MOSFET的基本结构由源极、漏极和栅极组成。
源极和漏极之间的区域称为沟道，沟道中的电子和空穴的运动决定了MOSFET的导电能力。
栅极位于沟道上方，通过调节栅极电压可以改变沟道中的电荷密度，从而控制电流的流动。
当栅极电压为零时，MOSFET处于截止状态，沟道中没有电荷，电流无法通过。
当栅极电压为正值时，栅极和沟道之间形成正电荷，吸引电子进入沟道，形成导电通道。
这种状态称为增强型MOSFET，因为栅极电压增强了导电能力。
另一种情况是当栅极电压为负值时，栅极和沟道之间形成负电荷，排斥电子进入沟道，导致沟道中没有电子，也无法形成导电通道。
这种状态称为耗尽型MOSFET，因为栅极电压使得导电能力减弱。
MOSFET的工作原理可以通过场效应来解释。
栅极电场对沟道中的电子和空穴施加力，改变它们的能量。
当栅极电压为正值时，电子被吸引到沟道，形成导电通道。
当栅极电压为负值时，电子被排斥，导致导电能力减弱。
因此，MOSFET的导电能力可以通过调节栅极电压来控制。
MOSFET在电子领域中有着广泛的应用。
首先，它可以作为开关来控制电流的通断。
通过改变栅极电压，可以使MOSFET处于截止或者导通状态，从而实现电路的开关功能。
这种特性使得MOSFET成为数字电路和逻辑门电路中的重要组成部份。
此外，MOSFET还可以作为放大器来放大电信号。
通过调节栅极电压，可以改变沟道中的电荷密度，从而调节电流的大小。
这使得MOSFET可以放大输入信号，并输出放大后的信号。
这种特性使得MOSFET在音频放大器和射频放大器中得到广泛应用。
除了开关和放大器，MOSFET还可以用于摹拟电路中的电压调节。
第八章 MOS场效应晶体管
VT
MS
TOX
OX
QOX
TOX
OX
QAD 2FB
e) 氧化层中的电荷面密度 QOX
QOX 与制造工艺及晶向有关。MOSFET 一般采用（100） 晶面，并在工艺中注意尽量减小 QOX 的引入。在一般工艺条 件下，当 TOX = 150 nm 时：
QOX 1.8 ~ 3.0 V COX
以VGS 作为参变量，可以得到不同VGS下的VDS ～ID 曲线族， 这就是 MOSFET 的输出特性曲线。
非
饱
饱
和
和
区
区
将各条曲线的夹断点用虚线连接起来，虚线左侧为非饱和区， 虚线右侧为饱和区。
5、MOSFET的类型 P 沟 MOSFET 的特性与N 沟 MOSFET 相对称，即： (1) 衬底为 N 型，源漏区为 P+ 型。 (2) VGS 、VDS 的极性以及 ID 的方向均与 N 沟相反。 (3) 沟道中的可动载流子为空穴。 (4) VT < 0 时称为增强型（常关型），VT > 0 时称为耗尽型
MS
QOX COX
K
2FP VS VB
1
2 2FP VS
注意上式中，通常 VS > 0，VB < 0 。 当VS = 0 ，VB = 0 时：
VT
MS
QOX COX
K
2 FP
1 2
2FP
这与前面得到的 MOS 结构的 VT 表达式相同。
同理可得 P 沟 MOSFET的 VT 为：
电势差，等于能带弯曲量除以 q 。COX 表示单位面积的栅氧化
层电容，COX
OX
TOX
，TOX 为氧化层厚度。
(3)实际 MOS结构当 VG = VFB 时的能带图
电力场效应晶体管(MOSFET)
图1-42 电力电子器件分类“树”
分类：DATASHEET
(4) 极间电容
——极间电容CGS、CGD和CDS
本章小结
主要内容
全面介绍各种主要电 力电子器件的基本结 构、工作原理、基本 特性和主要参数等。
集中讨论电力电子器 件的驱动、保护
电力电子器件类型归纳
单极型：电力MOSFET和 SIT
双极型：电力二极管、晶闸 管、GTO、GTR和SITH
复合型：IGBT和MCT
1 电力场效应晶体管
电力MOSFET的结构
小功率MOS管是横向导电器件。 电 力 MOSFET 大 都 采 用 垂 直 导 电 结 构 ， 又 称 为 VMOSFET（Vertical MOSFET）。 按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电 的 VVMOSFET 和 具 有 垂 直 导 电 双 扩 散 MOS 结 构 的 VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。 这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。
非饱和区之间来回转换。
10
漏源极之间有寄生二极管，漏源 0 极间加反向电压时器件导通。
2
UT
46 UGS/V
8
a)
20
UGS=6V
10
UGS=5V
UGS=4V
功率场效应晶体管(MOSFET)的工作原理、特性及主要参数
功率场效应晶体管（MOSFET）的工作原理、特性及主要参数功率场效应晶体管（Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）。
其特点是：属于电压型全控器件、栅极静态内阻极高（109Ω）、驱动功率很小、工作频率高、热稳定性好、无二次击穿、安全工作区宽等；但MOSFET的电流容量小、耐压低、功率不易做得过大，常用于中、小功率开关电路中。
MOSFET的结构和工作原理1.MOSFET的结构MOSFET和小功率MOS管导电机理相同，但在结构上有较大的区别。
小功率MOS管是一次扩散形成的器件，其栅极G、源极S和漏极D在芯片的同一侧。
而MOSFET主要采用立式结构，其3个外引电极与小功率MOS管相同，为栅极G、源极S和漏极D，但不在芯片的同一侧。
MOSFET的导电沟道分为N沟道和P沟道，栅偏压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型，栅偏压大于零（N沟道）才存在导电沟道的称为增强型。
MOSFET的电气符号如图1所示，图1（a）表示N沟道MOSFET，电子流出源极；图1（b）表示P沟道MOSFET，空穴流出源极。
从结构上看，MOSFET还含有一个由S极下的P区和D极下的N区形成的寄生二极管，该寄生二极管的阳极和阴极就是MOSFET的S极和D极，它是与MOSFET不可分割的整体，使MOSFET无反向阻断能力。
图1中所示的虚线部分为寄生二极管。
图1 MOSFET的电气符号2.MOSFET的工作原理（1）当栅源电压uGS=0时，栅极下的P型区表面呈现空穴堆积状态，不可能出现反型层，无法沟通漏源极。
此时，即使在漏源极之间施加电压，MOS管也不会导通。
MOSFET结构示意图如图2（a）所示。
图2 MOSFET结构示意图（2）当栅源电压uGS＞0且不够充分时，栅极下面的P型区表面呈现耗尽状态，还是无法沟通漏源极，此时MOS管仍保持关断状态，如图2（b）所示。
mosfet参数定义参考标准
MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）是一种重要的场效应晶体管。
其参数通常可以根据不同的标准来定义和测量。
以下是一些常见的 MOSFET 参数及其定义的参考标准：
1. **门极电压（Gate-Source Voltage）**：指 MOSFET 的门极和源极之间的电压。
常用标准包括 JEDEC（联合电子设备工程委员会）和IEEE（电气和电子工程师协会）规定的测试标准。
2. **漏极电流（Drain Current）**：在给定的门极电压和漏极电压下，流经 MOSFET 的电流。
一般使用特定电压和温度条件下的测试来定义。
3. **漏极-源极电压（Drain-Source Voltage）**：MOSFET 的漏极和源极之间的电压。
通常使用最大额定值来定义。
4. **漏极-源极饱和电压（Drain-Source On-State Voltage）**：MOSFET 在导通状态时的漏极-源极电压。
这个参数可以通过静态或动态测试来确定。
5. **漏极-源极电阻（Drain-Source On-State Resistance）**：MOSFET 在导通状态时的等效电阻。
常见的标准测试条件包括特定的电流和温度。
6. **截止频率（Cutoff Frequency）**：MOSFET 的截止频率是指其在放大器应用中的最大可靠工作频率。
这个参数通常用于高频应用。
这些参数的定义和测量可以根据不同的制造商、应用需求或标准组织的规定而有所不同。
例如，制造商可能会使用自己的测试条件和定义，而行业标准通常由诸如JEDEC、IEEE、IEC（国际电工委员会）等组织所制定。
mosfet工艺类型
MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种常见的半导体器件，用于放大和开关电子信号。
以下是一些常见的 MOSFET 工艺类型：
1. 平面工艺：这是最基本的 MOSFET 工艺类型，其中晶体管的沟道是在硅片的平面上形成的。
这种工艺简单且成本低，但在高频率下性能有限。
2. 鳍式场效应晶体管（FinFET）工艺：在这种工艺中，晶体管的沟道是由硅片上的薄鳍片形成的。
这种结构可以提高晶体管的性能，特别是在高频率下。
3. 纳米线晶体管（NanoWire FET）工艺：在这种工艺中，晶体管的沟道是由硅片上的纳米线形成的。
这种结构可以进一步提高晶体管的性能，但制造工艺更为复杂。
4. 垂直 MOSFET（VMOS）工艺：在这种工艺中，晶体管的沟道是垂直于硅片表面的。
这种结构可以提高晶体管的功率处理能力，但在高频率下性能有限。
5. 双重扩散 MOSFET（DMOS）工艺：在这种工艺中，晶体管的沟道是通过两次扩散过程形成的。
这种结构可以提高晶体管的功率处理能力和开关速度。
这些是一些常见的 MOSFET 工艺类型，每种工艺类型都有其独特的优缺点，适用于不同的应用场景。
随着技术的不断发展，新的 MOSFET 工艺类型也在不断涌现。
电力场效应晶体管(MOSFET)
跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力。
电力电子器件概述
7 极间 电容
MOSFET的三个电极之间分别存 在极间电容CGS、CGD和CDS。
一般生产厂家提供的是漏源极短路的输入电容Ciss、 共源极输出电容Ccss和反向转移电容Crss。它们之 间的关系是：
Ciss=CGS+CGD Crss=CGD Ccss=CDS+CGD
场效应管能承受的最高工 作电压，是标称MOSFET 额定电压的参数。
通常选UDS为实际工作电压的2~3倍。
2 漏极直流 电流ID和 漏极脉冲 电流幅值 IDM
3
通态 电阻 Ron
电力电子器件概述
在规定的测试条件下，最大 漏极直流电流、漏极脉冲电 流的幅值，是标称MOSFET额 定电流的参数。
在一定栅源电压下，MOSFET 从可变电阻区进入饱和区时的 直流电阻值。
一次开通、关断损耗分别为Pon、Poff，则有
开关损耗： PS=(Pon+Poff)ƒ
通态损耗： PC=RonID²
断态损耗： PL=0
应用高频开关
MOSFET内部发热功率 : PD≈PS+P注C 意开关损耗
使用时应限制器件的功耗，使PD>PDmax，并提供
良好的散热条件使器件温升不超过额定温升。
电力电子器件概述
过式 Ps=1/2UdI0fs(tc(on)+tc(off)) 可知，此时可以具有很 高的开关速度。
❊300~400V等级的MOSFET仅仅当开关频率超出
30~100kHZ时才与双极晶体管差不多。
❊低电压时多选择MOSFET。
电力电子器件概述
❊当额定电压超过1000V，但额定电流比较小时，
功率场效应晶体管(MOSFET)基本知识.
功率场效应晶体管(MOSFET基本知识功率场效应管(Power MOSFET)也叫电力场效应晶体管，是一种单极型的电压控制器件，不但有自关断能力，而且有驱动功率小，开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点。
由于其易于驱动和开关频率可咼达500kHz，特别适于咼频化电力电子装置，如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空航天以及汽车等电子电器设备中。
但因为其电流、热容量小，耐压低，一般只适用于小功率电力电子装置。
一、电力场效应管的结构和工作原理电力场效应晶体管种类和结构有许多种，按导电沟道可分为P沟道和N沟道，同时又有耗尽型和增强型之分。
在电力电子装置中，主要应用N沟道增强型。
电力场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅MOS管相同，但结构有很大区别。
小功率绝缘栅MOS管是一次扩散形成的器件，导电沟道平行于芯片表面，横向导电。
电力场效应晶体管大多采用垂直导电结构，提高了器件的耐电压和耐电流的能力。
按垂直导电结构的不同，又可分为2种：V形槽VVMOSFET和双扩散VDMOSFET。
电力场效应晶体管采用多单元集成结构，一个器件由成千上万个小的MOSFET 组成。
N沟道增强型双扩散电力场效应晶体管一个单元的部面图，如图1(a)所示。
电气符号，如图1(b)所示。
r # /(b)电吒粹号图I Power MOSFET的结构和电气符号电力场效应晶体管有3个端子：漏极D、源极S和栅极G。
当漏极接电源正, 源极接电源负时，栅极和源极之间电压为0，沟道不导电，管子处于截止。
如果在栅极和源极之间加一正向电压UGS，并且使UGS大于或等于管子的开启电压UT，贝U 管子开通，在漏、源极间流过电流ID。
UGS超过UT越大，导电能力越强，漏极电流越大。
二、电力场效应管的静态特性和主要参数Power MOSFET静态特性主要指输出特性和转移特性，与静态特性对应的主要参数有漏极击穿电压、漏极额定电压、漏极额定电流和栅极开启电压等。
半导体基础 7.1场效应晶体管-MOSFET
南京大学第三部分 场效应晶体管半导体器件基础第七章：MOSFET一、MOSFET简介 二、MOS电容 三、MOSFET定性分析 四、MOSFET定量分析电子科学与工程学院MOSFET与BJT半导体器件基础 南京大学电子科学与工程学院2014/4/9一、MOSFET简介半导体器件基础（1）基本概况 晶体管的分类：双极型晶体管（少子与多子参与导电） 单极型晶体管（电流由多数载流子输运）。
硅平面工艺和外延技术的发展，实现了对器件尺寸的较精确的控制。
对硅—二氧化硅界面特性的研究及表面态密度的控制，使场效应管得到了显著的发展。
南京大学电子科学与工程学院器件比较半导体器件基础电压控制器件(MOSFET)利用加在栅极与源极之间的电压来控制输出 电流。
饱和区工作电流IDSS会随VGS而改变。
电流控制器件(BJT)利用基极电流控制集电极电流。
南京大学电子科学与工程学院1场效应管的分类：半导体器件基础表面场效应管（绝缘栅场效应管IGFET和MOS场效应管）。
结型场效应管（JFET），使用PN结势垒电场控制导电能力的体内场效应管。
薄膜场效应管（TFT）采用真空蒸发工艺制备在绝缘衬底上。
结构与原理类 似表面场效应管。
南京大学电子科学与工程学院半导体器件基础2014/4/9半导体器件基础性能比较输入阻抗高：（103-106与109-1015）。
噪声系数小。
多子输运电流，不存在散粒噪声和配分 噪声。
功耗小，可用于制造高密度的半导体集成电路。
温度稳定性好。
多子器件，电学参数不易随温度而变 化（n与）。
抗辐射能力强：双极型晶体管的下降（非平衡少子的 寿命降低），而场效应管的特性变化小（与载流子寿命 关系不大）。
其它：工艺卫生要求较高，速度较低。
南京大学电子科学与工程学院半导体器件基础南京大学电子科学与工程学院南京大学电子科学与工程学院2南京大学集成电路工艺的演变半导体器件基础•10 µm — 1971 •6 µm — 1974 •3 µm — 1975 •2 µm — 1979•1.5 µm — 1982 •1 µm — 1985•800 nm (0.80 µm) — 1989 •600 nm (0.60 µm) — 1994 •350 nm (0.35 µm) — 1995 •250 nm (0.25 µm) — 1998 •180 nm (0.18 µm) — 1999 •130 nm (0.13 µm) — 2000•90 nm — 2002 •65 nm — 2006 •45 nm — 2008 •32 nm — 2010 •22 nm — approx. 2011 •16 nm — approx. 2013 •11 nm — approx. 2015电子科学与工程学院2）P沟耗尽型：半导体器件基础在零偏栅极电压下，半导体表面存在P型沟道（采用B离子注 入的方法）。
场效应管和mos管的区别综述
功率场效应晶体管MOSFET1.概述MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），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）的场效应晶体管。
功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称功率MOSFET（Power MOSFET）。
结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）。
其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。
2.功率MOSFET的结构和工作原理功率MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。
按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。
2.1功率MOSFET的结构功率MOSFET的内部结构和电气符号如图1所示；其导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。
导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET （Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。
按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET），本文主要以VDMOS 器件为例进行讨论。
MOS 场效应晶体管
工作原理
mosfet通过在金属-氧化物-半导 体结构上施加电压，控制电子流动， 实现信号放大和开关作用。
结构
mosfet由栅极、源极、漏极和半导 体层组成，具有对称的结构。
mos 场效应晶体管的应用
集成电路
mosfet是集成电路中的基本元件， 广泛应用于数字电路和模拟电路 中。
工作原理概述
电压控制
导电通道的形成与消失
mos场效应晶体管是一种电压控制器 件，通过在栅极施加电压来控制源极 和漏极之间的电流流动。
随着栅极电压的变化，导电通道的形 成与消失，从而控制源极和漏极之间 的电流流动。
反型层
当在栅极施加正电压时，会在半导体 表面产生一个反型层，使得源极和漏 极之间形成导电通道。
电压与电流特性
转移特性曲线
描述栅极电压与漏极电流之间关 系的曲线。随着栅极电压的增加， 漏极电流先增加后减小，呈现出
非线性特性。
跨导特性
描述源极电压与漏极电流之间关 系的曲线。跨导反映了mos场效
应晶体管的放大能力。
输出特性曲线
描述漏极电压与漏极电流之间关 系的曲线。在一定的栅极电压下， 漏极电流随着漏极电压的增加而
增加，呈现出线性特性。
Part
03
mos 场效应晶体管的类型与 特性
nmos 场效应晶体管
总结词
NMOS场效应晶体管是一种单极型晶体管，其导电沟道由负电荷主导。
详细描述
NMOS场效应晶体管通常由硅制成，其导电沟道由负电荷主导，因此被称为 NMOS。在NMOS中，电子是主要的载流子，其源极和漏极通常为n型，而衬 底为p型。
制造工艺中的挑战与解决方案
1 2 3
mosfet的基本结构
mosfet的基本结构MOSFET的基本结构MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）是一种常用的电子器件，广泛应用于集成电路和功率放大器等领域。
它通过调控电场效应来控制电流的流动，具有高电压和高频率特性。
本文将介绍MOSFET的基本结构及其工作原理。
MOSFET的基本结构由金属-氧化物-半导体三层组成。
它包括一个P 型或N型的半导体基底，上面覆盖着一个绝缘氧化层（氧化硅层），再覆盖一个金属电极（源极）和漏极。
根据半导体基底的类型，可以分为N沟道MOSFET（NMOS）和P沟道MOSFET（PMOS）两种类型。
NMOS的基本结构如下：在P型半导体基底上形成一个N型沟道，上面分别覆盖着氧化硅层和金属电极（源极和漏极）。
当施加正电压到源极时，形成一个正电压的电场效应，吸引负载电子进入N型沟道，从而形成导电通道；当施加负电压到源极时，电场效应消失，N型沟道关闭，导电通道断开。
PMOS的基本结构与NMOS相反：在N型半导体基底上形成一个P型沟道，上面分别覆盖着氧化硅层和金属电极（源极和漏极）。
当施加负电压到源极时，形成一个负电压的电场效应，吸引正载流子（空穴）进入P型沟道，从而形成导电通道；当施加正电压到源极时，电场效应消失，P型沟道关闭，导电通道断开。
MOSFET的工作原理是通过控制栅极电压来控制源极和漏极之间的电流流动。
当栅极电压为零时，MOSFET处于关闭状态，电流无法通过；当栅极电压施加正电压时，NMOS的电流流动从源到漏，PMOS的电流流动从漏到源；当栅极电压施加负电压时，NMOS的电流流动被阻塞，PMOS的电流流动从源到漏。
通过改变栅极电压的大小和极性，可以实现对电流的精确控制。
MOSFET具有许多优点，如体积小、功耗低、速度快、噪音低等，因此被广泛应用于各种电子设备中。
它可以用于放大电路、开关电路、模拟电路和数字电路等。
在集成电路中，MOSFET的微型尺寸和高集成度使得可以同时集成大量的晶体管，从而实现更复杂的功能。
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0.357eV
达到阈值时能带的弯曲量：
s (阈值）=2 f 2(0.357) 0.714eV 最后得到表面浓度为2 1018cm3时的能带弯曲量：
s (高于阈值）=0.714+0.138 0.852eV 这大约比阈值时的能带弯曲高20%
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半导体器件原理
例7.5 估算x方向运动的沟道电子两次碰撞之间的时间tx, 并与体硅中的平均自由时间进行比较.P322
L值 。
I D
Wlf
Q dV VDS
0
ch ch
L(1 lfVDS )
Lvsat
VDS VDSat
(1 lf VDS ) 2
Lvsat
L
lf VDS
vsat
(500cm2 /V • s) (2V ) 4106 cm / s
2.5m
ID (长沟模型）=1 lf VDS =13.9（0.18m）
ｔｘ
０
－ｑＴ ｄｔ＝ｍ＊ ｄｖ
０
ｖmax
ｔｘ＝ｍｑｖＴmax
ｍｖ２ max ２
＝３２kT
ｖmax＝
３kT ｍ
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ｔｘ＝ｑｍ＊Ｔ 3mkT＝0．34 10-1ｓ3
比体硅（2 1013s)小６倍
半导体器件原理
例7.9 已知一个n沟MOSFET， 源漏电压VDS=2V时，由 于速度饱和效应，使得未饱和电流减小到原来的1/2， 求
Vds )3/ 2
(2 B )3/ 2 ]}
线性区的电流电压特性
阈值电压Vt
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半导体器件原理
饱和区的电流电压特性
体效应系数：
VDS (VGS VT )
夹断和电流饱和
Qch( y) Co' x (Vgs VT Vch( y))
VGS VT Vch( y)
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电流饱和效应的说明
EC ( y) EC (0) qVch( y) EC (0) q[(VGS VT )
I D
W Q dV VDSat
lf 0
ch ch
L(1 V lf DSat )
Lvsat
VDS VDSat VDS VDSat
简单模型和考虑载流子速度饱和模型计算的电流电压曲线
饱和电压随沟道长度的变化
VDSat
vsat
lf
L[(1
2lf
(VGS VT ) )1/ 2 vsatL
1]
单个晶体管ID =10A/106 =10-11A
阈值时电流ID =10-6A/晶体管 所以VGS 在0到VT之间变化时电流变化5个数量级 S=80 mV/decade
VT 80 5mV 0.4V 一般取VDD 5VT 2V
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课堂练习
半导体器件原理
1。7.3 如图所示的晶体管，栅压要改变多 少才能使衬底反型？阈值电压是多少？假 设外加电压一半降在氧化层上，一半降在 半导体上。如果图中的的晶体管处于热平 衡态，那么这个器件是何种类型？
沟道长度效应的定性解释
lf
0
1 (VGS VT
Vch )
I Dsat
WCo' xlf L
(VGs
VT
VDSat 2
)VDSat
N沟MOSFET的低场迁移率随VGS的变化
纵向电场对电流的影响 相当于沟道长度变长
I D
Wlf
Q dV VDS
0
ch ch
L(1 lfVDS )
Lvsat
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半导体器件原理
例7.1 说明大于阈值电压后, 继续增加的栅压都增 加在氧化层上,而不是在半导体上.P306
ns
N eEB / kT C
EB
kT
ln
NC ns
EB
(阈值）
kT
ln
n（s 阈NC值）=(0.026eV
)
ln(
2.86 1019 cm3 1016 cm3
)
7.96kT 0.207eV
(VGS
VT )
饱和电压随沟道长度的减小而迅速减小
•亚阈值电流
半导体器件原理
第二项（反型层电荷密度Qi）远小于第一项 （耗尽层电荷密度Qd）
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半导体器件原理
•亚阈值摆幅：（漏电流变化10倍所对应的栅压变化） 不大依赖于器件参数，微依赖于掺杂浓度
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半导体器件原理
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半导体器件原理
ID
Lvsat
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半导体器件原理
例8.2 考虑一个两百万个晶体管的芯片，在给定时刻，有一 半的晶体管处于关态，希望芯片的总关态亚阈值电流低于 10uA， 对于单个器件，阈值时的电流是1uA， 亚阈值摆幅 80mV/decade, 计算最小电源电压VDD, 输入栅压在0~VDD之 间变化。
芯片总电流=10A
第七章 MOSFET 源漏电压为零时的NFET垂直沟道的能带图和沿沟道的能带图
一定偏压下NFET垂直沟道的能带图和沿沟道的能带图
半导体器件原理
Ids
eff
W L
Vds 0
[Qi
(V
)]dV
I ds
C eff ox
W L
{(Vg
V fb
2 B
Vds 2
)Vds
2
2 siqNa
3Cox
[(2 B
(VGS
VT
)2
2ID y WCo' x
电流饱和效应的进一步说明
L
(
y)
dVch dy
1 q
dEC dy
ID WCo' x
(VGSBiblioteka VT)22ID y WCo' x
ID
L
(0)
WCo' x VGS VT
WCo' x
ID (VGS
VT )
1 [1 L
VDS 2(VGS
VT
)
]VDS
VDS (VGS VT )
EB
(高于阈值）
kT
ln
n（s 高于NC阈值）=(0.026eV
)
ln(
2.86 1019 cm3 2 1018 cm3
)
2.66kT 0.069eV
高于阈值电压后，室温下势垒高度EB (从而qS )的变化只有5.3kT ,或138meV
在阈值点， f
kT q
ln
N
' A
ni
1016 0.026 ln 1.081010
5. 衬底偏压和温度对阈值电压的影响 •衬底的敏感（体效应）
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半导体器件原理
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半导体器件原理
反向衬底偏压加大了体耗尽区的宽度，提高了阈 值电压。
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•温度的影响： （通常在1mV/K）
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半导体器件原理
阈值电压下降和亚阈值摆幅的退化→ MOSFET器件零栅压时的漏电流在100C 是室温的30-50倍。
2。7.5 对于一个用简并掺杂n型硅栅制作的NFET, 如果希望不加栅压时就 存在沟道，p型衬底的掺杂浓度是多少？假设内建电势差一半降在氧化层 上，一半降在硅上，“沟道存在”的定义是 硅表面反型层，即在Si/SiO2 界面处的电子浓度等于p型硅体内的空穴浓度。所求出的掺杂浓度是形成 耗尽型器件所需要的最小掺杂浓度，还是最大掺杂浓度？