MOS器件物理——转移特性曲线.PPT
MOS场效应晶体管的结构 工作原理幻灯片PPT
B G
B
N沟道增强型MOSFET的符号
如左图所示。左面的一个衬底在内部
S
S
与源极相连,右面的一个没有连接,
使用时需要在外部连接。动画2-3
2 N沟道增强型MOSFET的工作原理
对N沟道增强型MOS场效应三极管的工作原理,分两个方面进展讨
论,一是栅源电压UGS对沟道会产生影响,二是漏源电压UDS也会对
2.漏源电压UDS的控制作用
设UGS>UGS(th),增加UDS,此时沟道的变化如下。
U DS
U G S> U G S (th )
ID
SG
预夹断
D
++ ++
S iO 2
N+
N+
P 型衬底
空穴 电子 正离子 负离子
显然漏源电压会对沟道产生影响,因 为源极和衬底相连接,所以参加UDS后, UDS将沿漏到源逐渐降落在沟道内,漏极 和衬底之间反偏最大,PN结的宽度最大。 所以参加UDS后,在漏源之间会形成一个 倾斜的PN结区,从而影响沟道的导电性。
I D/ m A
4 3 2 1
O 123
U th(on)
U DS 10V
4
U GS /V
N沟道增强型MOSFET的转移 特性曲线如左图所示,它是说明栅源
电压UGS对漏极电流ID的控制关系,
可用这个关系式来表达,这条特性曲 线称为转移特性曲线。
转移特性曲线的斜率gm反映了
栅源电压对漏极电流的控制作用。
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。
MOS管介绍概要PPT课件
预夹断点开始, ID基本不随VDS
极电流。
增加而变化。
.
18
增强型MOSFET的工作原理
.
19
MOSFET的特性曲线
1.漏极输出特性曲线
V V V
DS
GS T
.
20
2.转移特性曲线— VGS对ID的控制特性
ID=f(VGS)VDS=常数 转移特性曲线的斜 率 gm 的大小反映了栅 源电压对漏极电流的控 制作用。 其量纲为 mA/V,称gm为跨导。
VGD=VGS-VDS,比源端耗尽 层所受的反偏电压VGS 大,(如:VGS=-2V, VDS =3V, VP=-9V,则漏端耗尽层受反 偏当V电DS压继续为增-5加V时,,源预端夹耗断尽点向层
受源极反方偏向电伸压长为为预-2夹V断),使区靠。由近于
漏预夹端断的区耗电尽阻层很比大,源使端主厚要,VD沟S 道降落比在源该端区窄,,由此故产VD生S对的强沟电道场
用途:做无触点的、 接通状态的电子开关。
条件:整个沟道都夹断
V V
GS
P
击穿区
当漏源电压增大到
V V 时,漏端PN结
DS
(BR)DS
发生雪崩击穿,使iD 剧增的区域。其值一般为
(20— 50)V之间。由于VGD=VGS-VDS, 故vGS越负,
对应的VP就越小。管子不能在. 击穿区工作。
9
i ②转移特性曲线 Df(VGS)VDSC
输入电压VGS对输出漏极电流ID的控制
iD / v G Q S d D /d iG Q v S g m m s
.
10
结型场效应管的特性小结
N 沟 道 耗
结尽 型型
场
效P 应沟 管道
MOS器件物理——转移特性曲线.ppt
成正比,而MOS管的跨导与成正比,所以在同
样工作电流情况下,MOS管的跨导要比双极型
三极管的跨导小。
饱和区MOS管的跨导与导纳
• 对于MOS管的交流小信号工作还引入了导 纳的概念,导纳定义为:当栅源电压与衬 底电压为一常数时的漏极电流与漏源电压 之比,即可表示为:
gd
I DS VDS
VGS ,VSB C
衬底偏置效应(体效应)
在前面的分析中: • 没有考虑衬底电位对MOS管性能的影响 • 假设了所有器件的衬底都与器件的源端相连,即
VBS=0
• 但在实际的模拟集成电路中,由于MOS器件制作 在同一衬底上,就不可能把所有的MOS管的源极 与公共衬底相接,即VBS≠0
• 例如:在实际电路设计中NMOS管的源极电位有 时就会高于衬底电位(仍能保证源极与漏极与衬 底间保持为反偏,使器件正常工作)
I DS KN (VGS Vth)2
• 即有: KN IDS /(VGS Vth)2
• 所以KN即为转移特性曲线的斜率。
MOS管的直流导通电阻
• 定义:MOS管的直流导通电阻是指漏源电压与漏源电
流之比。
• 饱和区:
Ron
VDS I DS
1 KN
VDS (VGS Vth ) 2
• 线性区:
Ron
• 为提高跨导,可以通过增大KN(增大宽长 比,增大Cox等),也可以通过增大ID来实现, 但以增大宽长比为最有效。
饱和区MOS管的跨导与导纳
讨论2:
•
双极型三极管的跨导为:gm
dIC dVBE
VCE C
IC VT
,两种
跨导相比可得到如下结论:
• 对于双极型,当IC确定后,gm就与几何形状无 关,而MOS管除了可通过IDS调节跨导外,gm还 与几何尺寸有关;双极型三极管的跨导与电流
MOS器件物理基础
-
1 2
VDS 2
]
1 2
V(x)2
] VDS 0
I/V特性的推导(3)
ID
=
nCox-
1 2
VDS 2
]
三极管区(线性区)
每条曲线在VDS=VGS-VTH =Von时取
最大值,且大小为:
ID
=
nCox
2
W L
(VGS
- VTH )2
=
nCox
2
W L
Von 2
与漏极,栅极和源极引出端在硅片的同一表面上的横向结构相比,纵向沟 道MOS管的漏极与源极制作在硅片相对的两面上。这种结构设计适合于功率 器件,因为源极能够利用更大的空间。由于源―漏之间长度减小,解决了漏 ―源电流增加的难题;同时采用了外延层(漏极漂移区)沟槽也极大地提高了阻 断电压。纵向结构mos经过这些年的发展,主要产生了VMOSFET, DMOSFET,UMOSDET等结构。
VMOSFET结构,这种结构如图(a)所示。栅极采用V型沟槽设计是第一种 可以用于商业化生产的产品。由于制造工艺的难度和V形槽“尖端”电场过 于集中的问题,VMOSFET很快被DMOSFET替代。
DMOSFET结构如图(b)所示。这种结构是用“双扩散"的方法来形成P型 基区和N+型源区。这种方法使得产品在大规模商业化生产中获得成功。
(c) UMOSFET结构
MOS器件物理--转移特性曲线
MOS器件物理--转移特性曲线随着科技的发展和进步,微米制造技术的不断成熟,半导体器件已经成为现代电子技术的重要组成部分。
其中,金属—氧化物—半导体(MOS)器件是应用最广泛的一类。
MOS器件是一种基于场效应原理的晶体管,它具有高度可控性、低功耗、高密度集成等优点,广泛应用于数字电路、模拟电路、放大电路、电源管理等各个领域。
MOS器件的物理特性主要通过转移特性曲线来描述。
转移特性曲线反映了器件输入端电流与输出端电压之间的关系,是评估器件性能的重要指标之一。
转移特性曲线通常是通过改变器件输入端电压或电流来测量输出端电压或电流的变化。
在MOS器件的转移特性曲线中,可以观察到几个重要的特点。
首先,当输入电压较小或输入电流较小时,输出电压基本保持不变。
这称为MOS器件的截止区域。
其次,当输入电压或输入电流达到一定阈值时,输出电压会发生明显的变化。
这称为MOS器件的放大区域。
在放大区域内,输出电压与输入电压或电流呈线性关系,可以实现信号放大功能。
最后,当输入电压或输入电流超过一定范围时,输出电压会变得饱和,无法继续放大。
这称为MOS器件的饱和区域。
MOS器件的转移特性曲线还可能受到温度、工作电压和结构参数等因素的影响。
例如,当温度升高时,器件的导电性会增加,转移特性曲线会发生偏移。
此外,当工作电压增加时,器件的放大区域会变窄,输出电压的变化范围也会减小。
结构参数的改变,如栅极长度、源漏电压等,也会对转移特性曲线产生影响。
总之,MOS器件的转移特性曲线是评估器件性能和工作状态的重要指标,可以帮助工程师预测器件的工作特性和优化设计。
通过深入研究器件的物理特性,可以进一步提高器件的性能并满足各种应用需求。
MOS器件的转移特性曲线是分析和优化器件性能的重要工具。
在实际应用中,工程师会根据转移特性曲线来选择合适的器件工作区域,优化器件的放大倍数、线性度和功耗等参数。
在MOS器件的转移特性曲线中,截止区域是器件的开关状态,也是器件处于低功耗状态的区域。
MOS器件物理--转移特性曲线
饱和区MOS管的跨导与导纳
讨论2:
• 双极型三极管的跨导为:
,两种
跨导相比可得到如下结论:
• 对于双极型,当IC确定后,gm就与几何形状无 关,而MOS管除了可通过IDS调节跨导外,gm还 与几何尺寸有关;双极型三极管的跨导与电流
成正比,而MOS管的跨导与成正比,所以在同
样工作电流情况下,MOS管的跨导要比双极型
• 即有:
• 所以KN即为转移特性曲线的斜率。
MOS管的直流导通电阻
• 定义:MOS管的直流导通电阻是指漏源电压与漏源电 流之比。
• 饱和区:
• 线性区:
• 深三极管区:
MOS管的最高工作频率
• 定义:当栅源间输入交流信号时,由源极 增加(减小)流入的电子流,一部分通过 沟道对电容充(放)电,一部分经过沟道 流向漏极,形成漏源电流的增量,当变化 的电流全部用于对沟道电容充放电时, MOS管就失去了放大能力,因此MOS管的 最高工作频率定义为:对栅输入电容的充 放电电流和漏源交流电流值相等时所对应 的工作频率。
沟道调制效应
• 不考虑沟道调制效应时,MOS管工作于饱和区 时的漏源之间的交流电阻为无穷大,是一理想的 电流源。
• 考虑沟道调制效应后,由于漏电流随漏源电压变 化而变化,其值为一有限值。这个电流源的电流 值与其电压成线性关系,
可以等效为一个连接在
漏源之间的线性电阻,
这个电阻值为:
沟道调制效应
• 一般ro也称为MOS管的输出阻抗,它会限制大部分放 大器的最大电压增益,影响模拟电路的性能。
开启电压
• 注意
,Vth0为无衬偏时的开启电压,
而 是在与VGS特性曲线中与VGS轴的交点
电压,实际上为零电流的栅电压
MOS管工作原理详解ppt课件
IDR
C1 + ui
—
+ VDD Rd
Rg1 d C2 +
gT
s
uo
Rg3 Rg2
R
C
—
计算Q点:
已知UP ,由
UGS
Rg2 Rg1 Rg2
VDD
IDR
ID
IDSS (1
UGS )2 UP
可解出Q点的UGS 、 ID
再求: UDS =VDD- ID (Rd + R )
该电路产生的栅源电压可正 可负,所以适用于所有的场 效应管电路。
两个PN结夹着一个N型沟道。 三个电极:
g:栅极 d:漏极 s:源极
栅 极g
-
符号:
-d
g
--
-d
g
--
s N沟道
s P沟道
漏 极d
-
p+
p+
N
源-极s
11
2. 结型场效应管的工作原理
(1)栅源电压对沟道的控制作用
在栅源间加负电压uGS ,令 uDS =0
①当uGS=0时,为平衡PN结,导电 沟道最宽。
9
4. MOS管的主要参数
(1)开启电压UT (2)夹断电压UP (3)跨导gm :gm=iD/uGS uDS=const (4)直流输入电阻RGS ——栅源间的等效
电阻。由于MOS管栅源间有sio2绝缘层, 输入电阻可达109~1015。
10
二. 结型场效应管
1. 结型场效应管的结构(以N沟为例):
T
s
Rg3
C2 +
Rg2
R uo RL
-
g
《第五章MOS器件》PPT课件
• 对于MOSFET来说,最令人关注的是反型的 表面状态。当栅偏压VG 0时,P型半导 体表面的电子浓度将大于空穴浓度,形成 与原来半导体导电类型相反的N型导电层, 它不是因掺杂而形成的,而是由于外加电 压产生电场而在原P型半导体表面感应出来 的,故称为感应反型层。这一反型层与P型 衬底之间被耗尽层隔开,它是MOSFET的导 电沟道,是器件是否正常工作的关键。反 型层与衬底间的P-N结常称为感应结。
电荷。单位为C/cm2。 QGQS 0
• 由于Q0是不变的,因此
2021/4/27
实用文档
15
中国科学技术大学物理系微电子专业
6、半导体表面状态
2021/4/27
实用文档
16
积累:
电荷分布 QS
中国科学技术大学物理系微电子专业
积累情况下能带图及电荷分布
-d
x
Qm
EiEF
PP nie
kT
E(X) 电场分布 靠近氧化层的半导体表面
形成空穴积累
x
2021/4/27
实用文档
17
耗尽:
Vg>0
EF
2021/4/27
中国科学技术大学物理系微电子专业
Ec
Ei EF E
v
(x) Qm
电荷分布
wx -d
电场分布
QscqNAW
E(X)
实用文档
x
18
强反型:
中国科学技术大学物理系微电子专业
2021/4/27
np nieEFEik T
实用文档
氧化物陷阱电荷Qot:和SiO2的缺陷有关,分布在SiO2 层内,和工艺过程有关的Qot可以通过低温退火除掉 大部分。
可动离子电荷Qm:如Na+等碱金属离子,在高温和高 压下工作时,它们可以在氧化层内移动。因此,在
(完整)半导体器件物理MOSFET精品PPT资料精品PPT资料
器件预VD 夹 SVD 断 (Ssa),t, IDID(sa)t VD(Ssa)tVGS VT
沟道夹断点X: 反型层电荷密度刚好≈0→VGX=VT,
→ VGS-VXS=VT
→ VXS=VGS-VT=VDS(sat)
2021/8/13
4.1 MOSFET
ID随VDS的变化(4)
饱和区
原沟道区:导电沟道区和夹断区。电流被夹断了吗? 导电沟道区可导电,又有电势差,所以有电流,根据电流连续性原理,
4.1 MOSFET
0栅压是否存在反型沟道分:
MOSFET分类(2)
n沟增强型MOSFET
零栅压时不存在反型沟道, VTN>0, 加栅压VGS>VTN, 沟道开启
n沟耗尽型MOSFET
零栅压时已存在反型沟道, VTN<0 加栅压VGS<VTN, 沟道关闭
思考:不进行专门的N型掺杂,能否形成耗尽型NMOS?
1 MOSFET MOSFET分类(5)
1 MOSFET
跨导:模型
p沟增强型MOSFET
1 MOSFET
I-V特性:基本假设
漂移到夹断点的电子在夹断区大电场的作用下被扫向漏极,形成ID
VDS<0, ID<0
n沟道MOSFET:NMOS
加栅压VGS>VTP, 沟道关闭
单位 S(西门子),一般为几毫西 (mS)
2021/8/13
4.1 MOSFET
MOSFET分类(3)
p沟增强型MOSFET
零栅压时不存在反型沟道 VTP<0 加栅压VGS<VTP, 沟道开启
2021/8/13
p沟耗尽型MOSFET
零栅压时存在反型沟道 VTP>0 加栅压VGS>VTP, 沟道关闭
第三章MOS管ppt课件
第3章
场效应管
饱和区(放大区)外加电压极性及数学模型
VDS 极性取决于沟道类型 N 沟道:VDS > 0, P 沟道:VDS < 0 VGS 极性取决于工作方式及沟道类型 增强型 MOS 管: VGS 与 VDS 极性相同。 耗尽型 MOS 管: VGS 取值任意。 饱和区数学模型与管子类型无关
第3章
场效应管
由于 MOS 管 COX 很小,因此当带电物体(或人)靠近 金属栅极时,感生电荷在 SiO2 绝缘层中将产生很大的电 压 VGS(= Q /COX),使绝缘层击穿,造成 MOS 管永久性损 坏。 MOS 管保护措施: 分立的 MOS 管:各极引线短接、烙铁外壳接地。 MOS 集成电路:
VGS
ID/mA
D N+
G
VUS = 0 -2V -4V
P
O
VGS /V
若| VUS | 阻挡层宽度 耗尽层中负离子数
因 VGS 不变(G 极正电荷量不变) 表面层中电子数 ID 根据衬底电压对 ID 的控制作用,又称 U 极为背栅极。
第3章
场效应管
P 沟道 EMOS 管
第3章
场效应管
3.1.3 四种 MOS 场效应管比较
电路符号及电流流向
D
ID
U G
D
ID
U G
D
ID
U G
D
ID
U
G
S NEMOS
S NDMOS
S PEMOS
S PDMOS
转移特性
ID ID
ID ID
O VGS(th)
VGS
VGS(th) O
VGS
VGS(th) O V GS
MOS管知识 PPT课件
3.2 场效应管放大电路 • 一.放大电路的组成
• 组成: 以N 沟道增强型绝缘栅场效应管组成的
分压式偏压电路为例,电路如图3.8所示。
图3.8 分压式场效 应管放大电路
20
• 二.静态分析
根据图3.8 有图3.9所示的直流通路,
得 :VG
RG 2 RG1 RG2
U DD
I DQ
MOS管截止, UGS值称为夹断电压。
16
• 3. 特性曲线 如图3.6所示
图3.6 N沟道耗尽型绝缘栅场效 应管的转移特性和输出特性
17
• 三. 场效应管的微变等效电路
• (1) 输入端:
由于场效应管是利用场效应原理工作的,不 向信号源取用电流,故输入端呈开路状态。
• (2) 输出端: 由伏安特性可知
在 uGS的作用下,产生了垂直于衬底表面的电场,
P 型硅中少数载流子(自由电子)被吸到表面层填 补空穴形成负离子的耗尽层。
7
• (3) 当栅极与源极之间加正向电压uGS≥UT时(见
图3.2c),被吸到表面层中的自由电子较多,填 补空穴后还有剩余,在表面层中形成一个N型层,
通常称为反型层;它就是沟通源区和漏区的N 型 导电沟道。形成导电沟道后,在漏极电源uDS的 作用下,将产生漏极电流 iD ,MOS 管即导通。
表述: 在漏源之间短路的条件下,栅源之间加一定 电压时的栅源直流电阻,即为直流输入电阻RGS 。
14
• 二. N沟道耗尽型绝缘场效应管
• 1. 基本结构
图3.5是N 沟道耗尽型绝缘栅场效应管的结构 示意图。制造时在二氧化硅绝缘层中渗入大量
的正离子,在它的作用下,即使uGS =0 时,在
各种场效应管原理和特性曲线讲解
ID= f ( VGS ) VDS = 常数
转移特性与输出特性反映场效应管同一物理过程,
它们之间可以相互转换。
NDMOSFET的特性曲线各种场效应管原N理和J特F性E曲T线讲的解 特性曲线
饱和区(放大区)外加电压极性及数学模型
▪ VDS极性取决于沟道类型 N沟道:VDS > 0, P沟道:VDS < 0
S1VVGGS(Soff)
几种FET管子的转移特性曲线比较:
ID(mA)
耗尽型
结型
增强型
耗尽型 ID(mA)
增强型
结型
VGS(off ) VGS(th) VGS(th)
VGS (V)
VGS(off )
VGS(th) VGS(th)
VGS(V)
N沟道:VDS > 0
P沟道:VDS < 0
增强型MOS管: VGS 与VDS 极性相同。
d)判断电路工作模式:
若|VDS| < |VGS–VGS(th)|
非饱和模式(需重新计算Q点)
若|VDS| > |VGS–VGS(t各h)种| 场效应管原理和特放性曲大线讲模解 式
小信号等效电路法
场效应管小信号等效电路分法与三极管相似。
▪ 画交流通路 ▪ 将FET用小信号电路模型代替 ▪ 计算微变参数gm、rds ▪ 利用微变等效电路分析交流指标。
▪ VGS极性取决于工作方式及沟道类型
增强型MOS管: VGS 与VDS 极性相同。
耗尽型MOS管: VGS 取值任意。
结型FET管: VGS与VDS极性相反。
▪ 饱和区数学模型
MOSFET: ID C 2 O lW X(VGS VGS()t2h
2