MOS场效应管
mos场效应管工作原理
mos场效应管工作原理
场效应管(又称为MOSFET, Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)是一种三极管，它是由金属-氧化物-半导体结
构组成的。
MOS场效应管的工作原理基于其门电压对导电状态的控制。
它主要由四个部分组成：栅极(gate)、漏极(drain)、源极(source)和绝缘层(insulating layer)。
栅极和源极之间绝缘层两侧有一个
半导体通道。
当没有电压应用在栅极时，绝缘层将阻止电流在通道中的流动，MOSFET处于关断状态，导电性排斥。
但是，当正电压应用
在栅极上时，它会形成一个电场，这个电场会吸引并导致半导体通道中的载流子(电子或空穴)向栅极周围移动。
这将导致通
道处于导通状态，由源极到漏极流动的电流增加。
根据栅极与源极之间的电压，MOSFET可以操作在三个不同
的工作区域：截止区、线性区和饱和区。
- 截止区：当栅极电压低于门阈电压时，MOSFET处于截止状态，没有电流流过整个器件。
- 线性区：当栅极电压高于门阈电压时，MOSFET处于线性区，电流的大小与栅极电压的差值成正比。
- 饱和区：当栅极电压进一步增加，使得MOSFET工作在饱和区，此时电流基本保持不变。
通过调整栅极电压，可以控制MOSFET的导通和截止，从而
实现对电流的控制和放大功能。
因此，MOSFET被广泛应用于电子设备，如放大器、开关和逻辑电路等。
MOS场效应管
N
N
P
G
P型基底 SiO2绝缘层
S
导电沟道
N沟道增强型
3
SG D
P
P
N
D G
S
P 沟道增强型
4
2、MOS管的工作原理
UGS=0时
UGS UDS
S GD
ID=0
对应截止区
N
N
P
D-S 间总有一
个反接的PN
结
5
UGS>0时
UGS UDS
S GD
UGS足够大时 （UGS>VGS(Th)） 感应出足够多电
画电路的交流等效电路如右图，这里采用的是MOS管的简化模型，可得：
AVv vo i gm vvggsR s DgmRD
46
二、有源电阻
ID
unCoxW 2L
(VGS
VGS
(
th )
)2
(1
VDS VA
)
unCoxW 2L
(VGS
VGS(th) )2 (1 VDS )
unCoxW 2L
予夹断曲线
40
四、主要参数：
1、夹断电压VP：
2、饱和漏极电流IDSS:
3、直流输入电阻RGS（DC）：栅压除栅流
4、低频跨导gm:
gm viGDS|vDS常数
5、输出电阻rd: 6、最大漏极电流IDM:
rd viDDS|vGS常数
7、最大耗散功率PDM:
8、击穿电压：V（BR）DS、V（BR）GS
V GS
)2
( th )
0 . 25 (11 2 I D 5 ) 2
I
MOSFET场效应管(MOS管)
MOS管基本知識
MOS管的定義與類型 MOS管結構圖及封裝 MOS管的基本參數 MOS管的作用 MOS管與三極管的區別 如何判斷MOS管好壞
MOS管的定義與類型
MOSFET(場效應管)是Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor的首字母 缩写﹐簡稱MOS管。 它是只有一種載流子參與 導電的半導體器件﹐是用輸入電壓控制輸出電 流的半導體器件。
MOS管常用封裝
SOT-89
MOS管基本參數
參數符號 參數名稱
VGS(th)
BVDSS
閾值(開啟)電壓 擊穿電壓
RDS(on)
導通電阻
IDSS
漏電流
MOSห้องสมุดไป่ตู้的作用
開關﹕ NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极
接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。 PMOS的特性則剛好相反。
Vout
Vin
放大
MOS管與三極管的區別
結構 工作原理
作用
相同點
P/N結構成 小信號控制 開關﹑放大
不同點
MOS管控制端(G)是 絕緣的,三極管控制端 (B)是導通的。 MOS管受電壓控制﹐ 三極管受電流控制。
MOS管偏于開關作用 三極管偏于放大作用
如何判斷MOS管好壞
量測前﹐先把GS兩端短路放電﹐然后用歐姆表 量測DSG任意兩端電阻為M歐級﹐假若先量測GS, 再量測DS兩端電阻﹐其阻值會明顯變小或者通路。 這些都是一個正常的MOS管所具備的。
MOS管分為兩大類型﹕耗盡型(DMOS )和增強 型(EMOS )。每一類都有N溝道和P溝道兩種導 電類型。實際應用的是增強型的N溝道和P溝道 MOS管﹐即NMOS和PMOS。
mos管 场效应管
MOS管（场效应管）1. 简介MOS管，全称金属氧化物半导体场效应管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor），是一种重要的电子器件。
它是由金属氧化物半导体材料构成的栅极与源极、漏极之间形成的电流控制装置。
MOS管具有高输入阻抗、低输出阻抗、低功耗、高频带宽等特点，在电子设备中得到广泛应用。
2. 结构和工作原理2.1 结构MOS管的基本结构包括栅极（Gate）、漏极（Drain）和源极（Source）三个部分。
栅极与源极之间通过绝缘层隔离，形成了一个电容，被称为栅氧化物层或栅介质层，常用的材料是二氧化硅。
2.2 工作原理MOS管是一种控制型器件，其工作原理基于场效应。
当施加在栅极上的电压发生变化时，会在源-漏通道中形成或消失一个导电路径。
这个导电路径的状态由栅极-源结附近的电场来控制。
当没有外加电压时，栅极与源极之间的电势差为零，此时MOS管处于截止状态，导电路径断开。
当施加一个正向电压时，栅极-源结形成反型结，导致MOS管处于放大状态。
当施加一个负向电压时，栅极-源结形成正型结，导致MOS管处于截止状态。
MOS管的工作原理可以用以下公式表示：I D=μC ox WL(V GS−V TH)2其中： - I D为漏极电流 - μ为迁移率 - C ox为栅氧化物层的电容 - W/L为通道宽度和长度的比值 - V GS为栅极与源极之间的电压 - V TH为阈值电压3. MOS管的分类3.1 N沟道MOS管（NMOS）N沟道MOS管是一种以N型材料作为主体材料的场效应管。
在N沟道MOS管中，漏极和源极都是N型材料。
3.2 P沟道MOS管（PMOS）P沟道MOS管是一种以P型材料作为主体材料的场效应管。
在P沟道MOS管中，漏极和源极都是P型材料。
3.3 CMOSCMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）是由N沟道MOS管和P沟道MOS管组成的互补对。
mos 场效应管
mos 场效应管MOS场效应管简介MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)场效应管是一种常用的电子器件，广泛应用于各种电路中。
它是一种三端器件，由金属、氧化物和半导体构成。
MOS场效应管具有很多优点，如高输入电阻、低功耗、低噪声、可靠性高等，因此在现代电子技术中得到了广泛的应用。
MOS场效应管的工作原理是利用栅极电压的变化来控制源极和漏极之间的电流。
当栅极电压为零时，MOS管处于截止状态，源极和漏极之间没有电流流过。
而当栅极电压发生变化时，MOS管就会进入放大区。
通过调节栅极电压的大小，可以控制输出电流的大小，实现信号放大的功能。
MOS场效应管有两种常见的工作模式，分别是n沟道MOSFET和p沟道MOSFET。
n沟道MOSFET中，导电沟道是由n型半导体构成的，而p沟道MOSFET中，导电沟道是由p型半导体构成的。
这两种类型的MOS管在工作原理和特性上有所不同。
MOS场效应管有许多应用。
在模拟电路中，它可以用作放大器、开关和运算放大器等。
在数字电路中，它可以用作开关和逻辑门。
此外，MOS管还可以用于存储器、时钟电路、功率放大器等。
由于MOS管具有体积小、功耗低、可靠性高等优点，因此被广泛应用于集成电路中。
MOS场效应管还有一些特殊的类型，如MOS场效应管阻止型、增强型和耗尽型。
阻止型MOSFET在截止状态下有较高的电阻，而增强型MOSFET在截止状态下具有很低的电阻。
耗尽型MOSFET则是指在截止状态下，导电沟道上存在正电荷，使得电流得以流动。
MOS场效应管也有一些局限性。
由于其结构的复杂性，制造工艺相对较为复杂，成本较高。
此外，MOS管在高温和高压环境下容易受到损坏。
因此，在一些特殊的应用中，需要选择其他类型的器件来替代MOS管。
MOS场效应管是一种重要的电子器件，广泛应用于各种电路中。
它具有很多优点，如高输入电阻、低功耗等，被广泛应用于模拟电路和数字电路中。
然而，MOS管也有一些局限性，需要在实际应用中加以注意。
MOS场效应管
MOS场效应管MOS晶体管金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)结构的晶体管简称MOS晶体管，有P型MOS管和N型MOS管之分。
MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，而PMOS管和NMOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为CMOS-ICMOSFET的结构MOSFET是Metal-Oxide-Silicon Field Effect Transistor的英文缩写，平面型器件结构，按照导电沟道的不同可以分为NMOS和PMOS器件。
MOS器件基于表面感应的原理，是利用垂直的栅压VGS实现对水平IDS的控制。
它是多子（多数载流子）器件。
用跨导描述其放大能力。
MOSFET晶体管的截面图如图1所示在图中，S＝Source，G=Gate,D=Drain。
NMOS和PMOS在结构上完全相像，所不同的是衬底和源漏的掺杂类型。
简单地说，NMOS是在P型硅的衬底上，通过选择掺杂形成N 型的掺杂区，作为NMOS的源漏区；PMOS是在N型硅的衬底上，通过选择掺杂形成P型的掺杂区，作为PMOS的源漏区。
如图所示，两块源漏掺杂区之间的距离称为沟道长度L，而垂直于沟道长度的有效源漏区尺寸称为沟道宽度W。
对于这种简单的结构，器件源漏是完全对称的，只有在应用中根据源漏电流的流向才能最后确认具体的源和漏。
器件的栅电极是具有一定电阻率的多晶硅材料，这也是硅栅MOS器件的命名根据。
在多晶硅栅与衬底之间是一层很薄的优质二氧化硅，它是绝缘介质，用于绝缘两个导电层：多晶硅栅和硅衬底，从结构上看，多晶硅栅-二氧化硅介质-掺杂硅衬底(Poly-Si--SiO2--Si)形成了一个典型的平板电容器，通过对栅电极施加一定极性的电荷，就必然地在硅衬底上感应等量的异种电荷。
这样的平板电容器的电荷作用方式正是MOS器件工作的基础。
MOS管的模型MOS管的等效电路模型及寄生参数如图2所示。
图2中各部分的物理意义为：（1）LG和RG代表封装端到实际的栅极线路的电感和电阻。
六种场效应管
六种场效应管一、结型场效应管结型场效应管是一种单极场效应管，其工作原理是基于栅极电压改变二氧化硅（SiO2）层中电荷分布来实现对漏极电流的控制。
它的工作特点是在工作过程中不需要很大的功耗，并且具有良好的噪声特性。
在电子设备中，结型场效应管通常用于放大、振荡、开关等电路中。
二、绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管是一种单极场效应管，其工作原理是通过在二氧化硅（SiO2）绝缘层上覆盖金属薄膜来实现对源极和漏极之间的控制。
由于没有栅极氧化层与半导体之间的电容，因此其输入电阻非常高，并且具有低噪声特性。
在电子设备中，绝缘栅型场效应管通常用于放大、振荡、开关等电路中。
三、MOS型场效应管MOS型场效应管是一种单极场效应管，其工作原理是通过在金属-氧化物-半导体（MOS）结构上施加电压来改变电荷分布实现对漏极电流的控制。
它的优点是输入电阻高、驱动电流小、功耗低、易于集成等。
在电子设备中，MOS型场效应管通常用于放大、振荡、开关等电路中。
四、高电子饱和迁移率型场效应管高电子饱和迁移率型场效应管是一种具有高电子饱和迁移率的单极场效应管。
它的工作原理是通过改变栅极电压来改变半导体内部的电子饱和迁移率实现对漏极电流的控制。
它的优点是具有高速响应和低功耗特性，适用于高速数字电路和模拟电路中。
五、高电子饱和迁移率型场效应管高电子饱和迁移率型场效应管是一种具有高电子饱和迁移率的双极场效应管。
它的工作原理是通过改变栅极电压来改变半导体内部的电子饱和迁移率实现对漏极电流的控制。
它的优点是具有高速响应和低功耗特性，适用于高速数字电路和模拟电路中。
六、结型双极型场效应管结型双极型场效应管是一种双极场效应管，其工作原理是基于栅极电压改变半导体内部的电子和空穴浓度实现对漏极电流的控制。
它的优点是具有高速响应和低功耗特性，适用于高速数字电路和模拟电路中。
同时，它还具有较好的噪声特性和稳定性，适用于各种复杂的电子设备中。
mos管 场效应管
mos管场效应管摘要：1.引言2.什么是MOS 管和场效应管3.MOS 管和场效应管的工作原理4.MOS 管和场效应管的特性比较5.MOS 管和场效应管的应用领域6.结论正文：MOS 管和场效应管是两种不同类型的半导体器件，它们都具有放大和开关等功能，广泛应用于各种电子设备中。
下面将从它们的定义、工作原理、特性比较和应用领域等方面进行详细介绍。
1.引言MOS 管（Metal-Oxide-Semiconductor Transistor，金属- 氧化物- 半导体晶体管）和场效应管（Field Effect Transistor，场效应晶体管）是两种常见的半导体器件，它们在现代电子设备中扮演着重要角色。
本文将对这两种器件进行详细解析，以帮助读者更好地理解它们的工作原理和应用。
2.什么是MOS 管和场效应管MOS 管是一种三端半导体器件，由金属导电层、氧化物绝缘层和半导体基片组成。
它的主要功能是控制电路中的电流流动，具有高输入阻抗、低噪声和低功耗等特点。
场效应管是一种四端半导体器件，由源极、漏极、栅极和衬底组成。
它的主要功能是通过改变栅极电势来调节源漏电流，具有响应速度快、驱动能力强和可控制的电流增益等特点。
3.MOS 管和场效应管的工作原理MOS 管的工作原理：当栅极施加正向电压时，栅极和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，使其向栅极方向运动。
如果这个电子流足够大，就会形成一个电流，从而导致MOS 管的导通。
场效应管的工作原理：当栅极施加正向电压时，栅极和源极之间的绝缘层上会形成一个正向电场。
这个电场会使得源极处的电子被吸引到靠近栅极的位置，从而减小源极和漏极之间的电阻。
如果栅极电压足够大，源漏电流将显著增加，从而导致场效应管的导通。
4.MOS 管和场效应管的特性比较MOS 管和场效应管在特性上有一定的差异。
MOS 管具有更高的输入阻抗、更低的工作电压和更小的功耗，但驱动能力较弱；而场效应管具有更强的驱动能力、更高的电流增益和更快的响应速度，但输入阻抗和功耗相对较差。
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
MOS场效应管放大电路解读
2.67K
五、应用举例
•
• 3、计算电压放大倍数 Au 。
•
Au
gmRS // RL
0.258 //1000
1 gmRS // RL 1 0.258 //1000
0.67
注意事项
(1)在使用场效应管时，要注意漏源电压 UDS、漏源电流ID、栅源电压UGS及耗散功率等 值不能超过最大允许值。
• 从表中可以看出，rgs和rds数值很大，可以忽略；跨 接在g~d之间的电容Cgd可以用与晶体管分析相同的方法 折合到输入和输出回路：
•
•
Cgs Cgs (1 K )Cgd , (K gm RL )
•
Cds
Cds
K
•
1
C
gd
,
K
•
(K gm RL )
场效应管的高频等效模型
• 由于输出回路的时间常数比输入回路小得多，可忽
1.08
0
解之，得：ID1 1.52mA, ID2 0.535mA
由于I D1
1.52mA
I
，
DSS
不合
题意，舍去。故：
IDQ 0.535mA
UGSQ 1.08V
U DSQ VDD I DQ (RD RS )
16 0.535 (10 8) 6.37V
五、应用举例
• 2、计算输入电阻Ri和输出电阻RO Ri RG RG1 // RG2 1 0.16 // 0.04 1.03M RO RD 10K
(2)场效应管从结构上看漏源两极是对称 的，可以互相调用，但有些产品制作时已将衬 底和源极在内部连在一起，这时漏源两极不能 对换用。
(3)结型场效应管的栅源电压UGS不能加 正向电压，因为它工作在反偏状态。通常各极 在开路状态下保存。
第五章 MOS场效应管的特性
1 1 C C C Si ox
1
+
N+ N+ N+
G N+ N+
以SiO2为介质的电容器—Cox 以耗尽层为介质的电容器—CSi
MOS管的电容
MOS电容—束缚电荷层厚度
耗尽层电容的计算方法同 PN 结的耗尽层电容的计算 方法相同，利用泊松方程
2
1
Si
Q qNAWL X p WL 2 Si qNA
CD = Cdb + 0 + Cdb
1 W 2 I ds Vgs VT 2 tox L L
MOS管的电容
深亚微米CMOS IC工艺的寄生电容
21 40 86 9 15 48 36 14
Metal3 Metal2 Metal1
29 38 39 62 46
在耗尽层中束缚电荷的总量为
2 Si Q qNA X pWL qN AWL WL 2 Si qNA q NA
是耗尽层两侧电位差的函数，耗尽层电容为
dQ 1 CSi WL 2 Si qNA dv 2
1 2
Si qNA WL 2
是一个非线性电容，随电位差的增大而减小。
这时，栅极电压所感应的电荷Q为，
Q=CVge 式中Vge是栅极有效控制电压。
MOS管特性
电荷在沟道中的渡越时间
非饱和时（沟道未夹断），在漏源电压Vds作用 下，这些电荷Q将在时间内通过沟道，因此有
L L2 Eds Vds L
为载流子速度，Eds= Vds/L为漏到源方向电场强度，Vds为漏 到源电压。 为载流子迁移率： n n µ n = 650 cm2/(V.s) 电子迁移率(NMOS) µ p = 240 cm2/(V.s) 空穴迁移率(PMOS)
MOS_场效应管的工作原理及特点
MOS 场效应管的工作原理及特点场效应管是只有一种载流子参与导电，用输入电压控制输出电流的半导体器件。
有N沟道器件和P 沟道器件。
有结型场效应三极管JFET(Junction Field Effect Transister)和绝缘栅型场效应三极管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。
IGFET也称金属-氧化物-半导体三极管MOSFET（Metal Oxide SemIConductor FET）。
MOS场效应管有增强型（Enhancement MOS 或EMOS）和耗尽型(Depletion)MOS或DMOS）两大类，每一类有N沟道和P沟道两种导电类型。
场效应管有三个电极：D(Drain) 称为漏极，相当双极型三极管的集电极；G(Gate) 称为栅极，相当于双极型三极管的基极；S(Source) 称为源极，相当于双极型三极管的发射极。
增强型MOS(EMOS)场效应管道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。
在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。
P型半导体称为衬底(substrat)，用符号B表示。
一、工作原理1．沟道形成原理当Vgs=0 V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压，不会在D、S间形成电流。
当栅极加有电压时，若0＜Vgs＜Vgs(th)时（VGS(th) 称为开启电压），通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。
耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，所以仍然不足以形成漏极电流ID。
进一步增加Vgs，当Vgs＞Vgs(th)时，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。
场效应管(MOS)
场效应管(MOS)1图片：2场效应管的符号场效应管在电路中通常用字母Q、VT表示。
场效应管符号图1所示。
现在好多电路中大多用的MOS管都是8个脚的。
图1场效应管的种类及图形符号3场效应管的分类目前在绝缘栅型场效应管中，应用广泛的是MOS场效应管，简称MOS管。
如果按照沟道半导体材料的不同，场效应管可以分为：结型场效应管和绝缘栅型场效应管。
而绝缘栅型场效应管又分为N沟耗尽型和增强型，P沟耗尽型和增强型四大类。
如果按照导电方式来划化，场效应管可分为耗尽型与增强型。
结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。
4场效应管三种工作状态1：截止状态UGS=0时，场管截止，D、S极间相当于开路。
2：放大状态UGS大于0但又小于开启电压时，场管处于放大状态。
一般笔记本中的场管只用到导通和截止两个状态。
3：饱和导通UGS大于开启电压时，场管导通，DS极间相当于短路，开启电压一般0.45V~3V。
2.7.4场效应管的应用笔记本上采用的场效应管大多数为绝缘栅型，增强型N沟道最多，其次是增强型P沟道，结型管和耗尽型管一般都没有用到。
场效应管在笔记本主要用在各电路的供电部分，主要为降压作用,D极接供电，电源管理芯片通过控制其G极的电压，来调整S极的输出电压高低。
在D极电压不变的情况，G极电压越高，S极输出电压越高。
5场效应管的测量用万用表的二极管档，测量之前先放电，只有D、S极间有一次读数为正常。
图2-42为测量的等效图，图中的二极管是等效测量出来的二极管值，N沟道场管黑表笔接D极红表笔接S极有一次读数，P沟道的场管则相反。
图2-42场效应管测量等效图6场效应管的代换尽量原型号代换，用不同型号代换时，应选择极性相同的、极限参数相近的代换；场所管怕静电，最好用防静电烙铁或热风焊台进行焊接。
其它不同型号的场效应管请查询相关资料：。
MOS场效应管的特性
阈值电压VT
在工艺确定之后，阈值电压VT主要决 定于衬底的掺杂浓度： P型衬底制造NMOS，杂质浓度越大，需 要赶走更多的空穴，才能形成反型层， VT 值增大，因而需要精确控制掺杂浓度 如果栅氧化层厚度越薄，Cox越大，电荷的 影响就会降低。故现在的工艺尺寸和栅氧 化层厚度越来越小
当器件尺寸还不是很小时，这个ΔW影响还 小，但是器件缩小时，这个ΔW就影响很大
迁移率的退化
MOS管的电流与迁移率成正比，一般假定μ 为常数
实际上， μ并不是常数，它至少受到三个因 素的影响
温度 垂直电场 水平电场
特征迁移率μ0
电场强度
电场强度增加时，迁移率是减小的 电场有水平分量和垂直分量，因而迁移率
沟道很短、很窄，边沿效应对器件特性产 生很大的影响，最主要的是阈值电压减小
短沟道效应
短沟道效应
狭沟道效应引起的阈值电压的变化
沟道太窄，W太小，那么栅极的边缘电场也 引起Si衬底中的电离化，产生附加的耗尽层， 因而增加阈值电压
狭沟道效应
C ox
ox A tox
oxW L tox
Vgs增加达到VT值
C ( 1 1 )1达到最小值 Cox CSi
Vgs继续增加
C Cox
MOS管电容变化曲线
MOS电容计算
VGS<VT
沟道未建立，MOS管源漏沟道不通 Cg＝Cgs＋Cox Cd＝Cdb
VGS>VT
MOS电容是变化的 MOS电容对Cg和Cd都有贡献，贡献大小取决于
-电压特性不变，Dennard等人提出了等比例缩小规律 等比例缩小规律即器件水平和垂直方向的参数以及电压按
mos管 数字电路
mos管数字电路
MOS管，即场效应管，是数字电路中最常见的晶体管之一。
它通常用于实现基本的逻辑门，例如与门、或门和非门等。
在数字电路中，MOS管可以作为开关使用，通过控制栅极电压来控制源漏极之间的导通和截止，从而实现数字信号的传输和处理。
MOS管具有低功耗、高输入阻抗、噪声容限大等优点，因此在数字电路中得到了广泛应用。
此外，由于MOS管可以由P 型或N型半导体制成，因此可以构成互补的MOS晶体管对，以CMOS逻辑的形式制造具有非常低功耗的开关电路。
在数字电路中，MOS管还可以用于实现各种数字逻辑功能，例如加法器、减法器、比较器、译码器等。
此外，MOS管还可以用于构成各种数字集成电路，如微处理器、存储器等。
需要注意的是，MOS管在使用时需要注意其静态特性和动态特性，以确保电路的正常工作。
同时，还需要注意MOS管的驱动能力和功耗等问题，以满足实际应用的需求。
总之，MOS管是数字电路中非常重要的元件之一，具有广泛的应用前景。
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
MOS场效应管的特性
第五章MOS 场效应管的特性5.1MOS 场效应管5.3体效应第五章MOS 场效应管的特性5.1 MOS 场效应管5.2 MOS 管的阈值电压5.3 体效应115.5MOSFET 的噪声5.6MOSFET 尺寸按比例缩小5.7MOS 器件的二阶效应5.4 MOSFET 的温度特性5.5 MOSFET 的噪声5.6 MOSFET 尺寸按比例缩小5.7 MOS 器件的二阶效应1）N 型漏极与P 型衬底；2）N 型源极与P 型衬底。
5.1 MOS 场效应管5.1.1 MOS 管伏安特性的推导两个PN 结：图2）1）2同双极型晶体管中的PN 结一样，在结周围由于载流子的扩散、漂移达到动态平衡，而产生了耗尽层。
3）一个电容器结构：23）栅极与栅极下面的区域形成一个电容器，是MOS 管的核心，决定了MOS 管的伏安特性。
p+/ n+n(p) MOSFET的三个基本几何参数toxpoly-Si diffusionDWG L3p+/ n+⏹栅长:⏹栅宽:⏹氧化层厚度:LWt oxSMOSFET的三个基本几何参数⏹L min、W min和t ox由工艺确定⏹L min：MOS工艺的特征尺寸(feature size)决定MOSFET的速度和功耗等众多特性⏹L和W由设计者选定⏹通常选取L= L min，设计者只需选取W，W是主要的设计变量。
⏹W影响MOSFET的速度，决定电路驱动能力和功耗4MOSFET 的伏安特性:电容结构⏹当栅极不加电压或加负电压时，栅极下面的区域保持P 型导电类型，漏和源之间等效于一对背靠背的二极管，当漏源电极之间加上电压时，除了PN 结的漏电流之外，不会有更多电流形成。
⏹当栅极上的正电压不断升高时，P 型区内的空穴被不断地排斥到衬底方向。
当栅极上的电压超过阈值电压V T ，在5栅极下的P 型区域内就形成电子分布，建立起反型层，即N 型层，把同为N 型的源、漏扩散区连成一体，形成从漏极到源极的导电沟道。
MOS场效应管的特性
13
MOS电容—耗尽层电容特性(续)
3）若Vgs再增大，排斥掉更多的空穴，吸引了更多的
电子，使得Si表面电位下降，能级下降，达到低于 P型衬底的费米能级。这时，Si表面的电子浓度超 过了空穴的浓度，半导体呈N型，这就是反型层。 不过，它只是一种弱反型层。因为这时电子的浓度 还低于原来空穴的浓度。
谷形，如图6.2 。
必须指出，上述讨论未考虑到反型层中的电子是哪 里来的。若该MOS电容是一个孤立的电容，这些电子只 能依靠共价键的分解来提供，它是一个慢过程，ms级。
16
MOS电容—测量
若测量电容的方法是逐点测量法—一种慢进 程，那么将测量到这种凹谷曲线。
① ⑤
②
③
④
图 5.2
17
MOS电容凹谷特性测量
当Vds增加时，L增大，Ids增加，那是 因为载流子速度增加了，它与C的分配无关。 然而，L的增大使得漏极耗尽层宽度有所增 加，增大了结电容。故，
Cg = Cgs + 2/3C Cd = Cdb + 0 + Cdb
23
深亚微米CMOS IC工艺的寄生电容(数据)
Cap.
N+Act. P+Act. Poly M1 M2 M3 Units
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
VgeVds
ox
tox
W L
(Vgs
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g +
vgs gmvgs
s
ic
d +
rds vds
-
ib
b
+
vbe rbe
-
gmvbe
e
ic
c +
rce vce
-
▪ 由于场效应管IG0，所以输入电阻rgs 。 而三极管发射结正偏，故输入电阻rbe较小。
▪ rds为场效应管输出电阻： rds1/(IDQ) 与三极管输出电阻表达式 rce1/(ICQ) 相似。
• MOS管仅依靠一种载流子（多子）导电，故 称单极型器件。
• 三极管中多子、少子同时参与导电，故称双 极型器件。
伏安特性
由于MOS管栅极电流 为零，故不讨论输入特 性曲线。
共源组态特性曲线：
IG0 VG+-S
ID
+
T VDS
-
输出特性： ID= f ( VDS ) VGS = 常数 转移特性： 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。
DMOS
P
D
ID
U G
S
P沟道 DMOS
VGS=0时，导电沟道已存在
S U
G
D
N+
P+
P+
N
沟道线是实线
D
ID
U G
S
NDMOS管伏安特性
ID/mA VDS = VGS –VGS(th) VGS =1V
ID/mA
0. 5V
0V
-0. 5V
- 1V -1. 5V
0
-1. 8V
VDS /V
VGS(th)
IB
-
-
S
S
E
▪ 场效应管G、S之间开路 ，IG0。
三极管发射结由于正偏而导通，等效为VBE(on) 。
▪ FET输出端等效为压控电流源，满足平方律方程：
ID C 2 O lW X(VGS VGS()t2h)
三极管输出端等效为流控电流源，满足IC= IB 。
3.1.4 小信号电路模型
MOS管简化小信号电路模型(与三极管对照)
S -VGS + G
D
S -VGS + G
D
U
U
P+
N+
N+ A
P
P+
N+
N+
A P
▪ 若VDS 继续→A点左移→出现夹断区
此时
VAS =VAG +VGS =-VGS(th) +VGS （恒定）
若忽略沟道长度调制效应，则近似认为l 不变（即Ron不变）。 因此预夹断后： VDS →ID 基本维持不变。
N沟道EMOSFET结构示意图
衬底极
电路符号
源极
US
金属栅极
GD W
D
G S
P+
U
N+
N + P+
l
P
沟道长度
பைடு நூலகம்
漏极
沟道 宽度
SiO2 绝缘层
P型硅 衬底
N沟道EMOS管工作原理
➢ N沟道EMOS管外部工作条件
• VDS > 0 (保证栅漏PN结反偏)。 • U接电路最低电位或与S极相连(保证源衬PN结反偏)。
工作在饱和区时，MOS管的正向受控作用，服 从平方律关系式：
ID nC 2O lW X(VGS VGS()2 th)
若考虑沟道长度调制效应，则ID的修正方程：
ID nC 2O lW X(VG SVGS)(2th1)V V D AS
nC 2 O lW X(V G S V GS)2 (1 t h)V DS
|VGS| > |VGS(th) | ， |VDS | < | VGS – 非饱和区（可变电阻区VG）S(数th) 学| 模型
ID nC lOW X(V GS V GS)(V tD h)S
FET直流简化电路模型(与三极管相对照)
ID
IG0
DG
+
ID
IB
DB
+
IC
C
G
VGS ID(VGS )
VBE(on)
估算法
场效应管估算法分析思路与三极管相同，只是由 于两种管子工作原理不同，从而使外部工作条件有 明显差异。因此用估算法分析场效应管电路时，一 定要注意自身特点。
▪ MOS管截止模式判断方法
+VDS -
S +VGS- G
D
U
N+
P+
P+
D ID
U G
N
S
N沟道EMOS管与P沟道EMOS管工作原理相似。 不同之处：电路符号中的箭头方向相反。
外加电压极性相反、电流ID流向相反。 即 VDS < 0 、VGS < 0
3.1.2 耗尽型MOS场效应管
DMOS管结构
S U
G
D
N沟道
P+
N+
N+
U
P+
N+
P
反型层
D
N+
VGS 开启电压VGS(th) 表面层 n>>p 形成N型导电沟道
VGS越大，反型层中n 越多，导电能力越强。
• VDS对沟道的控制（假设VGS > VGS(th) 且保持不变）
-VDS +
-VDS +
S -VGS + G
D
S -VGS + G
D
U
U
P+
N+
N+
P+
N+
N+
第三章 场效应管
3.1 MOS场效应管 3.2 结型场效应管 3.3 场效管应用原理
概述
场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件。 它体积小、工艺简单，器件特性便于控制，是目前 制造大规模集成电路的主要有源器件。
场效应管分类： MOS场效应管
结型场效应管
场效应管与三极管主要区别：
• 场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。 • 场效应管是单极型器件（三极管是双极型器件）。
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：
D1 D2
T D1 D2一方面限制VGS间 最大电压，同时对感 生
电荷起旁路作用。
➢ NEMOS管转移特性曲线
转移特性曲线反映VDS为常数时，VGS对ID的控制作 用,可由输出特性转换得到。
ID/mA
VDS = 5V
ID/mA VDS = VGS –VGS(th) VGS =5V
➢ NEMOS管输出特性曲线
非饱和区
ID/mA
沟道预夹断前对应的工作区。
VDS = VGS –VGS(th)
条件： VGS > VGS(th) V DS < VGS–VGS(th)
特点： ID同时受VGS与VDS的控制。 0
VGS =5V
4.5V 4V 3.5V
VDS /V
当VGS为常数时，VDSID近似线性，表现为一种电阻特性；
ID
S NDMOS
ID
S PEMOS
ID
D
ID
U
S PDMOS
ID
0 VGS(th) VGS
VGS(th) 0 VGS
VGS(th) 0 VGS
0 VGS(th VGS
)
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。
考虑到衬底电压vus对漏极电流id的控制作用，小信 号等效电路中需增加一个压控电流源gmuvus。
id
g
+
vgs
-
gmvgs
gmuvus rds
s
d +
vds
-
gmu称背栅跨导，工程上 gmuviD us Q gm 为常数，一般 = 0.1~ 0.2
MOS管高频小信号电路模型 当高频应用、需计及管子极间电容影响时，应采 用如下高频等效电路模型。
其中： 称沟道长度调制系数，其值与l 有关。 通常 =( 0.005 ~ 0.03 )V-1
截止区
ID=0以下的工作区域。 条件： VGS < VGS(th) 沟道未形成时的工作区
ID/mA VDS = VGS –VGS(th) VGS =5V 4.5V
特点： IG≈0，ID≈0 相当于MOS管三个电极断开。 0
3.1 MOS场效应管
MOSFET
增强型（EMOS） N沟道（NMOS） P沟道（PMOS） N沟道（NMOS）
耗尽型（DMOS） P沟道（PMOS）
N沟道MOS管与P沟道MOS管工作原理相似，不 同之处仅在于它们形成电流的载流子性质不同，因 此导致加在各极上的电压极性相反。
3.1.1 增强型MOS场效应管
▪ 饱和区数学模型与管子类型无关
ID C 2 O lW X(VGS VGS()t2h)
临界饱和工作条件
|VGS| > |VGS(th) |， |VDS | = | VGS – 饱和区（放大区）工作VG条S(件th) |
|VGS| > |VGS(th) |， |VDS | > | VGS – 非饱和区（可变电阻区VG）S(工th) 作| 条件