第4章 MOS场效应晶体管-2
mos场效应晶体管的二级效应
mos场效应晶体管的二级效应MOS场效应晶体管（MOSFET）是一种常用的半导体器件，具有广泛的应用领域，包括数字集成电路、模拟电路、功率放大器以及开关电源等。
在MOSFET的工作过程中，存在着一种重要的二级效应，即通道长度调制效应（Channel Length Modulation Effect）。
通道长度调制效应是基于MOSFET工作原理中的电场型场效应晶体管（E-type MOSFET）的电场分布进行分析的。
当MOSFET处于导通状态时，沿着通道方向，从漏极到源极，电场会随着距离的变化而发生变化。
通道长度调制效应即表征了通道长度对电场分布和电流的影响。
具体来说，通道长度调制效应的表现为：当增加了电压偏置后，电场导致了电子在通道中的速度增加和平均束缚时间的减小。
因此，通道中的电子流速增加，从而导致了通道电流的增加。
通道长度调制效应的数学表达式为：ID = μCoxW/L [(VGS - VT)VDS - VDS^2/2],其中，μ为电子迁移率，Cox为栅极氧化层的氧化电容，W和L分别为MOSFET的通道宽度和通道长度，VGS为栅极与源极之间的电压，VT为临界电压（阈值电压），VDS为漏极与源极之间的电压，ID为漏极电流。
从上述公式可以看出，当VDS增加时（VDS > 0），漏电流ID随之增加。
这是因为通道中的电子速度增加，电子在碰撞之间的平均束缚时间减小，从而导致了通道电流的增加。
而当VDS减小时（VDS < 0），漏电流ID随之减小。
通道长度调制效应对于MOSFET的工作性能有一定的影响。
首先，通道长度调制效应导致了漏电流的增加，从而导致了功耗的增加。
其次，通道长度调制效应还会导致漏电流与漏源电压之间存在非线性关系，从而影响了MOSFET的放大性能。
为了减小通道长度调制效应的影响，可以采取一些措施，例如增加栅极氧化层的厚度，减小通道长度，增加掺杂浓度等。
同时，工艺上的改进和模拟电路设计上的优化也可以降低通道长度调制效应对MOSFET性能的影响。
《MOS场效应晶体管》 (2)幻灯片
在着某些交迭，故客观上存 在着Cgs和Cgd。当然，引出
图 5.3
线之间还有杂散电容20，21可/5/19
19
MOS电容的计算
Cg、Cd的值还与所加的电压有关:
1〕假设Vgs<VT，沟道未建立，MOS管漏源沟道 不通。
MOS电容 C = Cox，但C 对Cd无奉献。
Cg = Cgs + Cox
Cd = Cdb
1 2
Vds
2021/5/19
6
MOS的伏安特性—漏极饱和电流
当Vgs-VT=Vds时，满足: dIds 0
dVds
Ids达到最大值Idsmax，
其值为
Ids m 1 2 ato x ox xW LV g sV T2
Vgs-VT=Vds， 意 味 着 近 漏 端 的 栅 极 有 效 控 制 电 压 Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT = Vgd-VT =0
MOS电容凹谷特性测量
假设测量电容采用高频方法，譬如，扫频方法， 电压变化很快。共价键就来不及瓦解，反型层就 无法及时形成，于是，电容曲线就回到Cox值。
然而，在大局部场合，MOS电容与n+区接在一 起，有大量的电子来源，反型层可以很快形成， 故不管测量频率多高，电压变化多快，电容曲线 都呈凹谷形。
µ n = 650 cm2/(V.s) 电子迁移率(nMOS) µ p = 240 cm2/(V.s) 空穴迁移率(pMOS)
2021/5/19
5
MOSFET的伏安特性—方程推导
非饱和情况下，通过MOS管漏源间的电流Ids为：
I ds
Q
CVge L2
Vds
oxWL
tox
L2
mos场效应晶体管的二级效应
mos场效应晶体管的二级效应mos场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，简称MOSFET）是一种常用的半导体器件，在现代电子技术中应用广泛。
它是由金属、氧化物和半导体材料构成的三层结构，具有很高的电子迁移率和较宽的禁带宽度，在电路设计中起着至关重要的作用。
MOSFET的二级效应是指在材料、工艺或结构方面的改变所引起的设备行为或性能改变。
这种影响除了改变了晶体管的基本性能外，还可以通过改变器件的结构参数来实现。
这种改变可以通过增加材料的层数、调整金属、氧化物和半导体的配比，以及根据不同的技术要求进行工艺调整。
在MOSFET的二级效应方面，首先值得关注的是材料的选择。
通常，偏性能良好的材料能够提高晶体管的电流驱动能力和开关速度。
同时，采用优质的材料还可以提高晶体管的可靠性和稳定性。
其次，晶体管的结构参数也会影响二级效应。
例如，改变晶体管的栅长、栅宽和栅氧化物厚度可以影响其电流驱动能力和截止频率。
增加栅长和栅宽可以提高驱动电流，降低栅氧化物厚度可以提高截止频率。
此外，晶体管的工艺也是影响二级效应的重要因素。
通过控制金属、氧化物和半导体的薄膜的生长方式、温度和时间等参数，可以实现良好的界面特性，提高晶体管的性能。
同时，工艺参数的合理选择也可以改善晶体管的互连特性，降低电阻、电容等对性能的不利影响。
总体而言，晶体管的二级效应是一个复杂而综合的问题，需要在设计和制造过程中综合考虑各种因素，并进行合理的调整和优化。
只有充分了解二级效应的影响机理和特点，才能更好地设计和制造出符合要求的MOSFET器件。
在实际应用中，人们通过对二级效应的研究和理解，不断提升MOSFET的性能和可靠性，进一步推动了电子技术的发展。
无论是在电源管理、通信、计算机还是消费电子等领域，MOSFET都发挥着重要的作用。
因此，对MOS场效应晶体管的二级效应的研究具有重要的指导意义，它可以帮助工程师们更好地理解其行为和特性，以便更好地应用和设计电子电路。
(完整版)第四章场效应管习题答案..
第四章 场效应管基本放大电路4-1 选择填空1．场效应晶体管是用_______控制漏极电流的.a 。
栅源电流b 。
栅源电压c 。
漏源电流d 。
漏源电压 2．结型场效应管发生预夹断后，管子________。
a 。
关断b 。
进入恒流区c 。
进入饱和区 d. 可变电阻区 3．场效应管的低频跨导g m 是________.a. 常数 b 。
不是常数 c. 栅源电压有关 d. 栅源电压无关 4。
场效应管靠__________导电.a 。
一种载流子b 。
两种载流子 c. 电子 d. 空穴 5。
增强型PMOS 管的开启电压__________。
a. 大于零 b 。
小于零 c. 等于零 d. 或大于零或小于零 6. 增强型NMOS 管的开启电压__________。
a. 大于零b. 小于零 c 。
等于零 d. 或大于零或小于零 7. 只有__________场效应管才能采取自偏压电路。
a. 增强型b. 耗尽型 c 。
结型 d 。
增强型和耗尽型 8. 分压式电路中的栅极电阻R G 一般阻值很大,目的是__________。
a 。
设置合适的静态工作点b 。
减小栅极电流c. 提高电路的电压放大倍数 d 。
提高电路的输入电阻 9. 源极跟随器(共漏极放大器)的输出电阻与___________有关。
a. 管子跨导g m b 。
源极电阻R S c. 管子跨导g m 和源极电阻R S 10。
某场效应管的I DSS 为6mA ，而I DQ 自漏极流出，大小为8mA ，则该管是_______.a 。
P 沟道结型管b 。
N 沟道结型管c 。
增强型PMOS 管d 。
耗尽型PMOS 管e 。
增强型NMOS 管 f. 耗尽型NMOS 管解答：1。
b 2。
b 3.b ，c 4. a 5.b 6.a 7。
b,c 8。
d 9.c 10。
d4-2 已知题4—2图所示中各场效应管工作在恒流区,请将管子类型、电源V DD 的极性（+、—)、u GS 的极性（>0，≥0，〈0,≤0，任意）分别填写在表格中。
mos场效应晶体管的二级效应
mos场效应晶体管的二级效应MOS场效应晶体管（Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor，简称MOSFET）是一种重要的电子器件，常被用于集成电路中的开关、放大和稳压等功能。
其工作原理基于半导体材料中电荷的移动，通过控制栅极电压和漏源电压，可以实现电流的控制和放大。
MOS场效应晶体管主要由栅极、漏极和源极三个电极组成，并通过薄氧化层（Oxide）隔离栅极与半导体材料。
其中，栅极控制着MOSFET的电流，漏源之间的电压则决定了电流的大小。
当栅极和源极之间的电压大于阈值电压时，MOSFET 处于导通状态，电流可以从漏极流向源极；当栅极和源极之间的电压小于阈值电压时，MOSFET处于截止状态，电流无法通过。
在实际应用中，MOSFET存在着二级效应，即栅源电压（VGS）对栅极电流（IG）的影响。
下面将从二次击穿效应和温度效应两个方面来探讨MOSFET的二级效应。
1. 二次击穿效应：在高电压、高温和尺寸缩小等条件下，MOSFET的二次击穿效应会开始显现。
这个效应主要通过电压应力引起的漏电流增加来体现，会导致器件的性能指标下降，包括电压饱和和电流漏失等。
为了避免二次击穿效应，可以采取以下措施：- 通过增加材料厚度或改变材料特性，提高耐压能力。
- 优化材料的结构，减小电场梯度，降低击穿概率。
- 采用低温退火等工艺，提高材料的结晶度和电子迁移率。
2. 温度效应：MOSFET的工作温度对其性能有显著影响，特别是温度升高时，二级效应会更加明显。
具体方面表现在以下几点：- 阈值电压的变化。
随着温度的升高，导致了载流子的增加，从而使得阈值电压降低。
这会导致饱和控制区的面积减小，增加漏电流，进而影响MOSFET的工作状态。
- 漏电流的增加。
温度升高会使得载流子的碰撞增加，从而导致漏电流的增加。
这对于高精度和低功耗应用是一个重要的考虑因素。
- 电阻和电容的变化。
由于温度对电导率和载流子浓度的影响，MOSFET的电阻和电容值都会发生变化。
第四章 场效应晶体管及其放大电路
ID
IDSS(1源自U GS U GS(off)
)
2
3. 结型场效应管
结型场效应管的特性和耗尽型绝 缘栅场效应管类似。图4-7 a)、 b) 分别为Ｎ沟道和Ｐ沟道的结型场效 应管图形符号。
图4-7
使用结型场效应管时，应使栅极与源极间加反偏电压，漏 极与源极间加正向电压。对于Ｎ沟道的管子来说，栅源电压应 为负值，漏源电压为正值。
图4-1
（1）工作原理
增强型MOS管的源区(N+)、衬底(P型)和漏区(N+)三者之 间形成了两个背靠背的PN+结，漏区和源区被P型衬底隔开。
当栅-源之间的电压 uGS 0时，不管漏源之间的电源VDD 极 性如何，总有一个PN+结反向偏置，此时反向电阻很高，不能 形成导电通道。
若栅极悬空，即使漏源之间加上电压 uDS，也不会产生漏 极电流 iD ，MOS管处于截止状态。
2) 输出特性曲线 I D f (U DS ) UGS常数
图4-4b)是N沟道增强型MOS管的输出特性曲线，输出特性曲 线可分为下列几个区域。
① 可变电阻区
uDS很小时，可不考虑 uDS 对沟道的影响。于是 uGS一 定时，沟道电阻也一定， 故 iD 与 uDS 之间基本上是 线性关系。
uGS 越大，沟道电阻越
的变化而变化，iD 已趋于饱和， 具有恒流性质。所以这个区域 又称饱和区。
③ 截止区
uGS UGS(th)时以下的区域。
（夹断区）
当uDS增大一定值以后，漏源之间会发生击穿，漏极电流 iD急剧增大。
2. N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的结构
上述的增强型绝缘栅场效应管只有当 uGS U GS(th) 时才能形成导电沟道，如果在制造时就使它具有一个原始 导电沟道，这种绝缘栅场效应管称为耗尽型。
第4章 场效应管及其基本放大电路
恒流区
IDSS/V
G
D S
+
-
VGG
+
V uGS
VDD
-
O
UGS = 0V -1 -2 -3 -4 -5 -6 夹断区 -7 U P 8V
击穿区
uDS /V
特性曲线测试电路
漏极特性
漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。
各类场效应管的符号和特性曲线 种类 结型 耗 尽 N 沟道 型 结型 耗 尽 P 沟道 型 绝缘 增 栅型 强 N 沟道 型 符号
S
S
VGG
(c) UGS ＜UGS(off)
(b) UGS(off) < UGS < 0
（2） 漏源电压uDS 对漏极电流iD的控制作用
uGD ＝ uGS －uDS (a)
P+
D
iD
(b)
D
iD
G
N
P+
VDD
+ P+ GP N
P+
VDD
S iS uGS = 0，uGD > UGS（Off) ，iD 较大。
uDS /V
O
UT 2UT
uGS /V
二、N 沟道耗尽型 MOSFET
制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子， 这些正离子电场在 P 型衬底中“感应”负电荷，形成“反 型层”。即使 UGS = 0 也会形成 N 型导电沟道。 UGS = 0，UDS > 0，产生 较大的漏极电流； UGS < 0，绝缘层中正离 子感应的负电荷减少，导电 沟道变窄，iD 减小； UGS = UP , 感应电荷被 “耗尽”，iD 0。
导电沟道是 N 型的， 称 N 沟道结型场效应管。
半导体器件物理施敏答案
半导体器件物理施敏答案【篇一：施敏院士北京交通大学讲学】t>——《半导体器件物理》施敏 s.m.sze,男，美国籍，1936年出生。
台湾交通大学电子工程学系毫微米元件实验室教授，美国工程院院士，台湾中研院院士，中国工程院外籍院士，三次获诺贝尔奖提名。
学历：美国史坦福大学电机系博士（1963），美国华盛顿大学电机系硕士（1960），台湾大学电机系学士（1957）。
经历：美国贝尔实验室研究（1963-1989），交通大学电子工程系教授（1990-），交通大学电子与资讯研究中心主任（1990-1996），国科会国家毫微米元件实验室主任（1998-），中山学术奖（1969），ieee j.j.ebers奖（1993），美国国家工程院院士（1995）, 中国工程院外籍院士 (1998)。
现崩溃电压与能隙的关系，建立了微电子元件最高电场的指标等。
施敏院士在微电子科学技术方面的著作举世闻名，对半导体元件的发展和人才培养方面作出了重要贡献。
他的三本专著已在我国翻译出版，其中《physics of semiconductor devices》已翻译成六国文字，发行量逾百万册；他的著作广泛用作教科书与参考书。
由于他在微电子器件及在人才培养方面的杰出成就,1991年他得到了ieee 电子器件的最高荣誉奖（ebers奖），称他在电子元件领域做出了基础性及前瞻性贡献。
施敏院士多次来国内讲学，参加我国微电子器件研讨会；他对台湾微电子产业的发展，曾提出过有份量的建议。
主要论著：1. physics of semiconductor devices, 812 pages, wiley interscience, new york, 1969.2. physics of semiconductor devices, 2nd ed., 868 pages, wiley interscience, new york,1981.3. semiconductor devices: physics and technology, 523 pages, wiley, new york, 1985.4. semiconductor devices: physics and technology, 2nd ed., 564 pages, wiley, new york,2002.5. fundamentals of semiconductor fabrication, with g. may,305 pages, wiley, new york,20036. semiconductor devices: pioneering papers, 1003 pages, world scientific, singapore,1991.7. semiconductor sensors, 550 pages, wiley interscience, new york, 1994.8. ulsi technology, with c.y. chang,726 pages, mcgraw hill, new york, 1996.9. modern semiconductor device physics, 555 pages, wiley interscience, new york, 1998. 10. ulsi devices, with c.y. chang, 729 pages, wiley interscience, new york, 2000.课程内容及参考书：施敏教授此次来北京交通大学讲学的主要内容为《physics ofsemiconductor device》中的一、四、六章内容，具体内容如下：chapter 1: physics and properties of semiconductors1.1 introduction 1.2 crystal structure1.3 energy bands and energy gap1.4 carrier concentration at thermal equilibrium 1.5 carrier-transport phenomena1.6 phonon, optical, and thermal properties 1.7 heterojunctions and nanostructures 1.8 basic equations and exampleschapter 4: metal-insulator-semiconductor capacitors4.1 introduction4.2 ideal mis capacitor 4.3 silicon mos capacitorchapter 6: mosfets6.1 introduction6.2 basic device characteristics6.3 nonuniform doping and buried-channel device 6.4 device scaling and short-channel effects 6.5 mosfet structures 6.6 circuit applications6.7 nonvolatile memory devices 6.8 single-electron transistor iedm，iscc, symp. vlsi tech.等学术会议和期刊上的关于器件方面的最新文章教材：? s.m.sze, kwok k.ng《physics of semiconductordevice》,third edition参考书：? 半导体器件物理(第3版)(国外名校最新教材精选)(physics of semiconductordevices) 作者:(美国)(s.m.sze)施敏 (美国)(kwok k.ng)伍国珏译者:耿莉张瑞智施敏老师半导体器件物理课程时间安排半导体器件物理课程为期三周，每周六学时，上课时间和安排见课程表：北京交通大学联系人：李修函手机：138******** 邮件：lixiuhan@案2013~2014学年第一学期院系名称：电子信息工程学院课程名称：微电子器件基础教学时数： 48授课班级： 111092a,111092b主讲教师：徐荣辉三江学院教案编写规范教案是教师在钻研教材、了解学生、设计教学法等前期工作的基础上，经过周密策划而编制的关于课程教学活动的具体实施方案。
mos场效应晶体管的二级效应
mos场效应晶体管的二级效应摘要：一、mos 场效应晶体管简介1.定义2.基本原理二、二级效应的定义与影响1.什么是二级效应2.二级效应的影响三、降低二级效应的方法1.设计优化2.工艺改进正文：mos 场效应晶体管（MOSFET）是一种广泛应用于集成电路的半导体器件，具有高输入阻抗、低噪声和低失真等优点。
然而，在实际应用中，mos 场效应晶体管会受到一种名为“二级效应”的现象的影响，导致性能下降。
本文将对mos 场效应晶体管的二级效应进行探讨。
首先，我们需要了解mos 场效应晶体管的基本原理。
mos 场效应晶体管由源极、漏极和栅极三个端口组成。
当栅极施加正向电压时，栅极与源极之间的绝缘层上会形成一个正向电场。
这个电场可以吸引源极处的电子，使其向漏极方向运动，从而形成电流。
二级效应是指在实际工作过程中，由于器件内部物理现象的相互作用，导致器件性能受到一定程度的影响。
在mos 场效应晶体管中，二级效应主要包括电荷积累、热载流子注入、电子- 空穴复合等。
这些效应会导致器件的阈值电压变化、漏电流增加、输出特性曲线变得不稳定等性能问题。
那么，如何降低mos 场效应晶体管的二级效应呢？方法有多种，以下简要介绍两种：1.设计优化：通过优化器件结构、材料选择和工艺参数，可以有效地降低二级效应。
例如，采用高介电常数材料制作栅极绝缘层，可以降低电荷积累效应；调整源极和漏极的掺杂浓度，可以减小热载流子注入效应。
2.工艺改进：在制造过程中，通过改进工艺技术，也可以降低二级效应。
如采用低温度工艺，可以降低电子- 空穴复合；在器件表面覆盖保护层，可以减少氧化物损伤和界面态产生。
总之，mos 场效应晶体管的二级效应是一个影响器件性能的重要因素。
第4章MOS场效应晶体管
③工作在饱和区时，将栅压与沟道电流关系曲线外推 到零时所对应的栅电压；
4.2.2 阈值电压的相关因素 阈值电压——表面出现强反型时所加的栅源电压。 强反型——表面积累的少子浓度等于甚至超过衬底 多子浓度的状态。
电荷分布 Charge Distribution
N沟强反型时能带图
surface potential
耗尽型器件
当衬底杂质浓度低, 而SiO2层中的表面态电荷密度又较大，在零 栅压时，表面就会形成反型导电沟道，器件处于导通状态；
要使沟道消失，必须施加一定的反向栅压，称为阈值电压(夹断电压)； 二者的差别：在于耗尽型管的二氧化硅绝缘层中掺有大量的碱金属正 离子(如Na+或K+)，会感应出大量的电子。
（4）饱和区特性——曲线AB段
继续增加UDS比UDsat大得多时, (UDS UDsat )将降落在漏端附近 的夹断区上，夹断区将随UDS的增大而展宽，夹断点将随UDS 的增大而逐渐向源端移动，导电沟道的有效厚度基本不再改 变，栅下面表面被分成反型导电沟道区和夹断区两部分。
沟道中的载流子不断地由源端向漏端漂移，当到达夹断点 时，立即被夹断区的强电场扫入漏区，形成漏极电流。
单极型器件(靠多数载流子导电)；
特点
OUTLINE
输入电阻高：可达1010(有资料介绍可达1014） 以上、抗辐射能力强 ；
制作工艺简单、易集成、热稳定性好、功耗小、
体积小、成本低。
4.1 MOS场效应晶体管结构、工作原理和输出特性
MOS管结构
ห้องสมุดไป่ตู้
源极(Source) 栅极Al (Gate) 漏极(Drain)
电路中的电学符号——教材有误
类 N沟 P沟
微电子器件测试与封装-第四章
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内容|半导体器件的测试
8.測試項目(GMP)，測試線路如右：
測試方法： GD Short，從DS間灌入一個電流(一般為250uA)量測IDS及VGS,用ID/VGS 得到GFS
GMP：又叫GFS.代表輸入與輸出的關係即GATE 電壓變化,DRAIN電流變化值,單位為S.當汲極電流愈大,GFS也會增大.在切換動作的電路中,GFS值愈高愈好.
VFSD：此為內嵌二極管的正向導通壓降，VFSD=VS-VD
測試目的： 1.檢測晶圓製程中的異常，如背材脫落 2.檢測W/B過程中有無Source wire球脫現象
Remark：Tesec 881中，VFSD+ 可以寫成VGS=0V,VFSD代表G腳Open
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内容|半导体器件的测试
内容|半导体器件测试
热阻测试仪TESEC KT-9614热阻测试仪TESEC KT-9414热阻测试仪EAS测试系统ITC5500 EAS测试系统TESEC 3702LV测试系统觉龙 T331A EAS测试系统SOATESEC SOA测试仪其他DY-2993晶体管筛选仪
内容|半导体器件测试
双极晶体管开关参数测试仪：伏达UI9600 UI9602晶体管测试仪KF-2晶体管测试仪觉龙（绍兴宏邦）晶体管开关参数测试系统肯艺晶体管开关参数测试系统DTS-1000分立器件测试系统MOSFET动态参数测试ITC5900测试系统觉龙 T342栅极等效电阻测试系统
VFVRIR
内容|半导体器件测试
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半导体器件测试的目的：检验产品能否符合技术指标的要求剔除不良品根据参数进行分选可靠性筛选测试内容：静态电参数动态电参数热阻可靠性测试按阶段分芯片测试（中测）成品测试（成测）
mos场效应晶体管的二级效应
mos场效应晶体管的二级效应MOS场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）作为第二代晶体管，在现代电子设备中得到广泛应用。
二级效应是指该种晶体管的电流与电压特性在非饱和区和饱和区的变化。
本文将从MOS场效应晶体管的基本原理、二级效应对器件性能的影响、相关参考文献等方面进行阐述，并不得出现链接。
MOS场效应晶体管是由金属（Metal）、氧化物（Oxide）和半导体材料（Semiconductor）构成的。
其基本原理是通过控制栅极（Gate）电压，改变栅极与源极之间的电场强度，从而调节漏极（Drain）与源极之间的电流。
MOS场效应晶体管主要包含两种类型：N沟道型（NMOS）和P沟道型（PMOS）。
它们的工作原理类似，仅在材料和电荷极性上有所不同。
二级效应主要体现在非饱和区和饱和区的电流和电压特性上。
在非饱和区，晶体管的漏极电流随源极电压的增加而线性增加；在饱和区，漏极电流不再随源极电压的增加而线性增加，而是趋于饱和。
这种非线性特性会导致输出电流的变化与输入电压的微小变化成指数关系，从而影响晶体管的放大和开关特性。
二级效应对MOS场效应晶体管的器件性能有重要影响。
首先，二级效应会导致非线性失真，降低晶体管的放大能力和线性度。
其次，二级效应还会导致晶体管的饱和电流与温度相关。
在高温环境下，晶体管容易进入饱和区，从而影响工作稳定性和可靠性。
此外，二级效应还会增加晶体管的功耗和温升，限制其在高频应用中的使用。
为了减小二级效应对MOS场效应晶体管性能的影响，需要合理设计和选择器件参数。
一方面，通过选择合适的沟道尺寸、氧化层厚度和工艺参数等，可以优化晶体管的电流与电压特性。
另一方面，通过设计级联电路、反馈电路和偏置电路等，可以改善晶体管的线性度和稳定性。
关于MOS场效应晶体管二级效应的相关参考文献有：1. C. Hu, "MOSFET Modeling and BSIM3 User's Guide," Berkeley, University of California, 1997.2. K. Maeng, "MOSFET Modeling for RF Integrated Circuits," Boston, Springer, 2010.3. S. Selberherr, "Analysis and Simulation of Semiconductor Devices," New York, Springer, 2010.4. T. Sakurai and R. Newton, "MOSFET Models for VLSI Circuit Simulation," California, Springer, 2019.以上是关于MOS场效应晶体管二级效应的相关参考内容的简要介绍，希望能对读者理解和研究该领域提供一定的帮助。
第四章：场效应管及放大电路讲解
iD
vGS 0 VT
(1-34)
模拟电子
输出特性曲线 iD
vGS>0
0
v DS
(1-35)
耗尽型N沟道MOS管的特性曲线
模拟电子
耗尽型的MOS管VGS=0时就有导电沟道， 加反向电压才能夹断。
iD
转移特性曲线
vGS VT 0
(1-36)
模拟电子
输出特性曲线 iD
vGS>0
vGS=0
vGS<0
P NN
P沟道结型场效应管 D
G
S源极
S
(1-6)
模拟电子
（2）工作原理（以P沟道为例） VDS=0时
PN结反偏，
VGS越大则耗
D
尽区越宽，导 电沟道越窄。G
P
VDS
NN
VGS S
(1-7)
VGS越大耗尽区越 宽，沟道越窄， 电阻越大。
G
但 尽区当宽VG度S较有V小限DS时=，0，时模存耗拟电子 在导电沟道。DS间 D 相当于线性电阻。
Vgs
-
gmVgs
s
+
Rg2
R RL Vo -
(1-56)
中频电压增益
模拟电子
Vo gmVgs (R // RL )
Vgs Vi Vo
Vo gm (Vi Vo )( R // RL )
A Vm
Vo Vi
gm (R // RL ) 1 gm (R // RL )
Rg2 47k
Rg1 2M
Rd 30k
d
g
Rg3
s
10M
R
2k
mos场效应晶体管的二级效应
mos场效应晶体管的二级效应
摘要：
1.MOS 场效应晶体管的简介
2.MOS 场效应晶体管的二级效应的概念
3.MOS 场效应晶体管的二级效应的影响因素
4.MOS 场效应晶体管的二级效应的应对方法
5.MOS 场效应晶体管的二级效应在实际应用中的意义
正文：
MOS 场效应晶体管，即金属- 氧化物- 半导体场效应晶体管，是一种广泛应用于现代电子设备的半导体器件。
它具有高输入阻抗、低噪声和低功耗等特点，在电路设计中有着极大的灵活性。
然而，MOS 场效应晶体管也存在一些问题，其中二级效应就是其中一个重要的问题。
MOS 场效应晶体管的二级效应是指在晶体管工作过程中，由于沟道长度的非均匀性，导致晶体管的电流放大系数不是常数，而是随着沟道电压的变化而变化。
这种现象在MOS 场效应晶体管中尤为明显，因为MOS 场效应晶体管的沟道长度通常较长，而且沟道宽度较窄，因此二级效应对MOS 场效应晶体管的性能影响较大。
MOS 场效应晶体管的二级效应的影响因素主要有两个，分别是沟道长度和沟道宽度。
沟道长度越长，二级效应越明显；沟道宽度越窄，二级效应也越明显。
因此，在设计MOS 场效应晶体管时，需要尽可能地减小沟道长度和沟道宽度，以降低二级效应的影响。
针对MOS 场效应晶体管的二级效应，有几种应对方法。
一种是采用自对
准技术，通过调整源极和漏极的电位差，使得沟道长度的变化对电流放大系数的影响减小；另一种方法是采用补偿技术，通过在晶体管结构中加入一定的补偿电路，来抵消二级效应的影响；还有一种方法是选择合适的晶体管尺寸和工艺，以降低二级效应的发生概率。
MOS 场效应晶体管的二级效应在实际应用中具有重要的意义。
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
第4章 场效应管放大电路
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4.1 场效应管
4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管 结型场效应管 场效应管的主要参数 各种场效应管的特性比较 场效应管使用注意事项
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4.1 场效应管
场效应管的分类：
N沟道
P沟道
FET 场效应管
耗尽型 N沟道
N沟道
P沟道
（耗尽型）
P沟道
增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道 耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在
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4.1.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管
金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)，是由金属(铝)、 氧化物(二氧化硅)及半导体材料构成的，简称MOS管，又称绝 缘栅场效应管 (IGFET)。 1. N沟道增强型MOS场效应管 (1) 结构 漏极 d 源极 S 栅极 g
1）输出特性 ② 可变电阻区 图4.1.3中的虚线为预夹断 临界点轨迹，它是各条曲 线上 vDS vGS VT 的点连 接而成的。 在此区域内，漏、源之间 可看成受vGS控制的可变电阻， 故称为可变电阻区。
图4.1.3 N沟道增强型MOS管的输出特性
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1）输出特性 ② 可变电阻区
•耗尽型MOS管特性曲线分为截止区、可变电阻区 和饱和区。 •N沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP为负值。 •N沟道增强型MOS管的开启电压VT为正值。
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耗尽型MOSFET的电流方程：
4.1-MOS场效应晶体管的结构工作原理和输出特性
国家标准对半导体三极管的命名如下:
3 D G 110 B
用字母表示同一型号中的不同规格
用数字表示同种器件型号的序号
用字母表示器件的种类 用字母表示材料 三极管
第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管
2022/1/15
第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管
N+
G
P 型衬底
B
D B
S
IDSS
夹断电压
ID /mA
6 5 I DSS 4 3 2
1
4 3 2 1 UGS(off)
0
U GS/V
当UGS=0时，对应的漏极电流用IDSS表示。当UGS＞0时，将使ID进一步增加。 UGS＜0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的UGS称 为夹断电压，用符号UGS(off)表示，有时也用UP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移 特性曲线如右上图所示。
增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道
N沟道增强型MOSFET
的结构示意图和符号见图
02.13。其中： D(Drain)为漏极，相当c；
G(Gate)为栅极，相当b；
S(Source)为源极，相当e。
图4.1 N沟道增强型
MOSFET结构示意图（动画2-3）
第4页，共31页。
如果在同一N型衬底上同时制造P沟MOS管和N沟MOS 管，（N沟MOS管制作在P阱内），这就构成CMOS 。
表示衬底在 内部没有与 源极连接。
N沟道耗尽
型
MOSFET 管。漏、 衬底和源 不断开表 示零栅压 时沟道已 经连通。
如果是P沟道，箭头则向外。
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2. 非饱和区伏安特性
1 2 I DS U GS U T U DS U DS 2
3. 饱和区的伏安特性
I Dsat
1 2 U GS U T 2
饱和时沟道电荷和电场分布
线性工作区对应上图的直线段1 非饱和区对应与曲线上的段2
饱和区则对应于曲线上的段3
微电子学基础理论
第四章 MOS场效应晶体管
信息工程学院 姜梅
1
4.2 MOS 场效应晶体管的工作原理与基本特性
4.2.1 MOS 场效应晶体管的基本工作原理
1. MOS 晶体管的基本结构
MOS 场效应晶体管基本结构示意图
2. MOS管的基本工作原理
MOS 场效应晶体管的工作原理示意图
4.2.2 MOS 场效应晶体管的转移特性
2. 饱和工作区
此时的电流-电压特性对应与特性图中UGS=5V曲线的AB段。
导电沟道随UDS的变化
a) UDS很小沟道电阻式常数 b) UDS=UDSat开始饱和 c) UDS>>UDSat漏极电流不再增加
可以得出使沟道夹断进入饱和区的条件为UDS>>UGS-UT .
3. 击穿工作区 此时的电流-电压特性曲线对应于特性图中UGS=5V的BC段。
N 沟 MOS 场效应晶体管的偏置电压
它的输出特性曲线则如下图所示：
下面分区进行讨论：
1. 可调电阻区(线性工作区) 可归纳为：外加栅压UGS增大，反型层厚度增加，因而 漏源电流随UDS线性增加，其电压-电流特性如上图中 UGS=5V曲线中的OA段所示。
UDS较小时，导电沟道随UGS的变化
a) UGS< UT 没有沟道 b) UGS> UT 出现沟道 c) UGS>>UT 沟道增厚
N沟 MOS管的简化截面图
4.4.1 伏安特性方程基本表示式
N沟 MOS增强型的一维简化模型前面已给出， 图中标明了各参量的代表符号和参数坐标。
可以得出漏电流IDS为：
I DS I y W n COX U GS
dU ( y ) U T U ( y ) dy
将上式在整个沟道内积分，便得到MOS场效应晶体 管伏安特性方程的基本表示式。为了方便，下面将 分3个区域进行讨论。
四种 MOS 晶体管的结构、接法和特性曲线
a) N沟道增强型 b) N沟道耗尽型 c) P沟道增强型 d) P沟道耗尽型
4.3 MOS场效应晶体管的阀值电压
4.3.1 阀值电压
1. MOS 结构中的电荷分布
NA 对于MOS 结构的P型半导体，其费米势为： F q ln n i
左图给出了 MOS 结 构强反型时的能 带图和电荷分布 图。 a) 能带图 b) 电荷分布图
T
2. 理想 MOS 结构的阀值电压 理想MOS 结构是指忽略氧化层中的表面态电荷密度， 且不考虑金属-半导体功函数差时的一种理想结构。 理想 MOS 结构的阀值电压为
QB max UT 0 2 F COX
3. 实际 MOS 结构的阀值电压 在实际的 MOS 结构中，存在表面态电荷密度QOX和金属-半导 体功函数差фms。 因此，在实际MOS结构中，必须用一部分栅压去抵消它们的 影响。才能使MOS结构恢复到平带状态，达到理想MOS结构 状态。 实际 MOS 结构的阀值电压为：
5. 费米势的影响
费米势 随衬底杂质浓度的变化关系
综上所述，MOS场效应晶体管的阀值电压与栅氧化层 的厚度、质量、表面态电荷密度、衬底掺杂浓度、功 函数差和费米势等有关。但对于结构一定的器件，在 制造工艺中，能有效调节阀值电压的方法，主要是通 过调整衬底或者沟道的掺杂浓度来实现的。
4.4 MOS 场效应晶体管的直流伏安特性
U T U FB U OX QOX QB max 2 F 2 F ms COX
4.3.2 影响阀值电压的其他诸因素
1. 栅氧化层厚度与质量的影响 2. 绝缘栅表面态电 荷密度QOX的影响 右图为室温下AI 栅 N 沟(P沟) MOS 的UT 随 NA(ND) 和QOX变化的理 论曲线
MOS 场效应晶体管可分为以下四种类型:N沟增强型、 N沟耗尽型、P沟增强型、P沟耗尽型。 1. N沟增强型MOS管及转移特性
2. N沟耗尽型MOS管及转移特性
3.P沟增强型MOS管及转移特性
4. P沟耗尽型MOS管及转移特性
4.2.3 MOS 场效应晶体管的输出特性
同双极型晶体管一样，场效应晶体管的许多基本特性 可以通过它的特性曲线表示出来。
a) N 沟 MOS b) P 沟 MOS
3. 衬底杂质浓度的影响
衬底杂质浓度对阀值电压的影响
4. 功函数差的影响
功函数差也将随衬底杂质浓度的变化而变化。但实验证明， 该变化的范围并不大。 从阀值电压的表示式可知，功函数越大，阀值电压越高。 为降低阀值电压，应选择功函数差较低的材料，如掺杂多 晶体硅作栅电极。
以 N沟道增强型MOS场效应晶体管为例，推导其电流-电 压特性。作如下假设
1) 源接触电极与沟道源端、漏接触电极与沟道漏端之间 的压降忽略不计。
2) 沟道电流为漂移电流。 3) 反型层中电子迁移率μn为常数。 4) 沟道与衬底PN结反响饱和电流为零。
5) 当对MOS管同时施加栅源电压UGS和漏源电压 UDS时，栅源电压将在垂直与沟道的x方向（见下图） 产生纵向电场Ex，使半导体表面形成反型导电沟道； 漏源电压将在沟道方向产生横向电场Ey，在漏源之 间产生漂移电流。
1. 线性工作区的伏安特性 线性工作区，漏源电压很小，故沟道压降很小，可以忽略 不计，线性工作区的漏源电流则可表示为
I DS dy U GS U T W n COX dU(y)
将上式积分便可得X U GS U T U DS L