《MOS场效应晶体管》PPT课件
合集下载
23-场效应晶体管PPT模板
6．场效应管和三极管都可组成各种放大电路和开关电 路，但由于前者制造工艺简单，且具有耗电少、热稳定性好、 工作电源电压范围宽等优点，因而被广泛应用于大规模和超 大规模集成电路中。
1.5 场效应管的使用注意事项
1．使用场效应管时要注意电压极性，电压和电流的数 值不能超过最大允许值。
2．为了防止栅极击穿，要求一切测试仪器、电烙铁等 都必须有外接地线。焊接时用小功率烙铁，动作要迅速，或 切断电源后利用余热焊接。焊接时，应先焊源极，后焊栅极。
转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压UGS对漏 极电流ID的控制作用。gm的量纲为mA/V，所以，gm又称为 跨导，其定义为：
gm UIDGS（UDS为常数）
（2）输出特性曲线
输出特性曲线是指栅源电压UGS一定时，漏极电流ID与漏 极电压UDS之间的关系曲线ID＝f（UDS）。它可分为三个区： 可变电阻区、恒流区和截止区。
电工电子技术
场效应晶体管*
场效应晶体管（FET）是一种利用输入回路的电场效应 来控制输出回路电流的半导体器件，属于电压控制器件。它 只依靠一种载流子参与导电，故又称为单极型三极管。它具 有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗 小、制造工艺简单和便于集成化等优点。
根据结构不同，场效应管可分为结型场效应管（JFET） 和绝缘栅场效应管（MOS管）。由于MOS管的性能更优越， 发展更迅速，应用更广泛，因此，本节将仅介绍MOS管。
由于耗尽型MOS管自身能形成导电沟道，所以只要有 UDS存在，就会有ID产生。如果加上正的UGS，则吸引到反型 层中的电子增加，沟道加宽，ID增大。如果加上负的UGS，则 此电场将会削弱原来绝缘层中正离子的电场，使吸引到反型 层中的电子减少，沟道变窄，ID减小。若负UGS达到某一值， 则沟道中的电荷将耗尽，反型层消失，管子截止，此时的值 称为夹断电压UGS（off）或UP。
1.5 场效应管的使用注意事项
1．使用场效应管时要注意电压极性，电压和电流的数 值不能超过最大允许值。
2．为了防止栅极击穿，要求一切测试仪器、电烙铁等 都必须有外接地线。焊接时用小功率烙铁，动作要迅速，或 切断电源后利用余热焊接。焊接时，应先焊源极，后焊栅极。
转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压UGS对漏 极电流ID的控制作用。gm的量纲为mA/V，所以，gm又称为 跨导，其定义为：
gm UIDGS（UDS为常数）
（2）输出特性曲线
输出特性曲线是指栅源电压UGS一定时，漏极电流ID与漏 极电压UDS之间的关系曲线ID＝f（UDS）。它可分为三个区： 可变电阻区、恒流区和截止区。
电工电子技术
场效应晶体管*
场效应晶体管（FET）是一种利用输入回路的电场效应 来控制输出回路电流的半导体器件，属于电压控制器件。它 只依靠一种载流子参与导电，故又称为单极型三极管。它具 有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗 小、制造工艺简单和便于集成化等优点。
根据结构不同，场效应管可分为结型场效应管（JFET） 和绝缘栅场效应管（MOS管）。由于MOS管的性能更优越， 发展更迅速，应用更广泛，因此，本节将仅介绍MOS管。
由于耗尽型MOS管自身能形成导电沟道，所以只要有 UDS存在，就会有ID产生。如果加上正的UGS，则吸引到反型 层中的电子增加，沟道加宽，ID增大。如果加上负的UGS，则 此电场将会削弱原来绝缘层中正离子的电场，使吸引到反型 层中的电子减少，沟道变窄，ID减小。若负UGS达到某一值， 则沟道中的电荷将耗尽，反型层消失，管子截止，此时的值 称为夹断电压UGS（off）或UP。
MOS场效应晶体管74026-PPT精选文档
正常 放大 时外 加偏 置电 压的 要求
VGS<0 ，使栅极 PN 结反偏，iG=0。
VDS>0 ， 使 形 成 漏 电流iD。
问题：如果是P沟道，直流偏置应如何加？
栅源电压对沟道的控制作用
（动画2－9）
VGS 继续减小，沟道继续变窄， ID继续减小直至为0。当 当 VV =0时，在漏、源之间加有一定电压时，在漏源 GS 当 GS＜0时，PN结反偏，形成耗尽层，漏源间的 漏极电流为零时所对应的栅源电压 VGS称为夹断电压 VP。 间将形成多子的漂移运动，产生漏极电流。 沟道将变窄，ID将减小。
断”。
特性曲线
vGS 2 iD IDSS (1 ) VP
v v v V G D G SD S P
(a) N沟道结型FET (b) 输出特性曲线
(b) N沟道结型FET 转移特性曲线
各类场效应三极管的特性曲线
N 沟 道 增 强 型 P 沟 道 增 强 型
绝 缘 栅 场 效 应 管
各类场效应三极管的特性曲线
N 沟 道 耗 尽 型 P 沟 道 耗 尽 型
绝 缘 栅 场 效 应 管
各类场效应三极管的特性曲线
结 型 场 效 应 管
N 沟 道
P 沟 道
场效应管参数 开启电压VGS(th) (或VT)
开启电压是 MOS增强型管的参数，栅源电压 小于开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。
§2.3 MOS场效应晶体管
分类
Junction type Field Effect Transistor
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
场 效 应 管
结型场效应三极管JFET
N沟道
P沟道
绝缘栅型场效应三极管IGFET Insulated Gate Field Effect Transistor
场效应晶体管基础PPT课件
Q'SD (max) eNa xdT
金属 氧化物 p型半导体 金属 氧化物 p型半导体
VG VOX s ms
s 2 f p
VOX Q'SD (max) Q'ss COX
VTP
Q'SD (max) Q'ss COX
ms 2 f p
VTP
Q'SD (max) COX
OX
tOX
8、理想 C-V特性
C'
C 'OX
堆积
C 'OX
C 'FB
低频
C 'SD
强反型 中反型
耗尽
C 'min 高频 VFB 0
VT
VG
C 'OX
OX
tOX
C 'FB tOX
LD
OX OX LD s
sVth
eN a
C 'min tOX
xdT
OX OX xdT s
Q'ss
Ec EFi EF Ev
金属 氧化物 半导体
VG VOX s ms
s 0
VOX
Q'm Q'ss COX COX
VFB
Q'ss ms COX
Q'm Q'ss 0
5、 阈值电压
eVOX
es
e f p
Ec EFi EF Ev
Q'mT
Q'ss
xdT
tox
1 2
ms
Eg m 2e f p
MOS场效应晶体管课件
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。
2023/12/22
15
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
区，栅极与源极扩散区都存
在着某些交迭，故客观上存
在着Cgs和Cgd。当然，引出 线之间还有杂散电容，可
以计入Cgs和Cgd。
图 5.3
2023/12/22
18
MOS电容的计算
Cg、Cd的值还与所加的电压有关:
1）若Vgs<VT，沟道未建立，MOS管漏源沟道不通。 MOS电容 C = Cox，但C 对Cd无贡献。
2023/12/22
16
MOS电容凹谷特性测量
若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，在大部分场合，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， 故不论测量频率多高，电压变化多快，电容曲线 都呈凹谷形。
2023/12/22
6
MOSFET特性曲线
在非饱和区 Ids Vds C a1Vgs b1 线性工作区
在饱和区 Ids a2 Vgs VT 2
(Ids 与 Vds无关) . MOSFET是平方律器件!
Ids
饱和区
线性区
击穿区
0
2023/2 MOSFET电容的组成
的二倍。它不仅抵消了空穴，成为本征半导体，而
且在形成的反型层中，电子浓度已达到原先的空穴 浓度这样的反型层就是强反型层。显然，耗尽层厚 度不再增加，CSi也不再减小。这样，
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。
2023/12/22
15
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
区，栅极与源极扩散区都存
在着某些交迭，故客观上存
在着Cgs和Cgd。当然，引出 线之间还有杂散电容，可
以计入Cgs和Cgd。
图 5.3
2023/12/22
18
MOS电容的计算
Cg、Cd的值还与所加的电压有关:
1）若Vgs<VT，沟道未建立，MOS管漏源沟道不通。 MOS电容 C = Cox，但C 对Cd无贡献。
2023/12/22
16
MOS电容凹谷特性测量
若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，在大部分场合，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， 故不论测量频率多高，电压变化多快，电容曲线 都呈凹谷形。
2023/12/22
6
MOSFET特性曲线
在非饱和区 Ids Vds C a1Vgs b1 线性工作区
在饱和区 Ids a2 Vgs VT 2
(Ids 与 Vds无关) . MOSFET是平方律器件!
Ids
饱和区
线性区
击穿区
0
2023/2 MOSFET电容的组成
的二倍。它不仅抵消了空穴，成为本征半导体，而
且在形成的反型层中，电子浓度已达到原先的空穴 浓度这样的反型层就是强反型层。显然，耗尽层厚 度不再增加，CSi也不再减小。这样，
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PPT课件
G
U G
U G
S NEMOS
转移特性
ID
S NDMOS
ID
S PEMOS
ID
D
ID
U
S PDMOS
ID
23
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。
▪ 饱和区数学模型与管子类型无关
24
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) |
之间PN结反偏，衬底应接电路最低电位（N沟道）或最高电
位（P沟道）。
- VD+S
U -VU+S S -VG+S G
D
P+
N+
N+
ID/mA VUS = 0
-2V -4V
P
O
VGS /V
若| VUS | 阻挡层宽度 耗尽层中负离子数
19
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。
.
▪ 若考虑沟道长度调制效应
则VDS →沟道长度l →沟道电阻Ron略。
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
《场效应晶体管》课件
压力
在制造过程中，压力也是一个重要的参数，它能够影响材 料的物理性质和化学反应速度，从而影响晶体管的性能。
时间
时间是制造过程中的另一个重要参数，不同的工艺步骤需 要不同的时间来完成，时间过长或过短都可能影响晶体管 的性能。
气体流量
在化学气相沉积等工艺中，气体流量是关键的参数之一， 它能够影响材料的生长速度和均匀性，从而影响晶体管的 性能。
掌握搭建场效应晶体管放大电路的基本技 能。
05
06
学会使用示波器和信号发生器测试放大电 路的性能。
特性测量实验
实验三：场效应晶体管的 转移特性与输出特性测量
分析测量结果，理解场效 应晶体管的工作机制。
学习测量场效应晶体管频 率响应和噪声特性的方法。
掌握场效应晶体管转移特 性和输出特性的测量方法。
实验四：场效应晶体管的 频率响应与噪声特性测量
了新的可能。
制程技术优化与突破
制程技术
不断缩小晶体管的尺寸，提高集成度和能效比，同时降低制造成本。
突破
探索新型制程技术，如纳米线、纳米孔等新型器件结构，以提高场效应晶体管的性能和 稳定性。
应用领域的拓展与挑战
要点一
应用领域
场效应晶体管的应用领域不断拓展，包括通信、物联网、 智能制造、医疗电子等领域。
要点二
挑战
随着应用领域的拓展，对场效应晶体管的性能要求也越来 越高，需要不断研究和改进以满足市场需求。
Part
06
实验与习题
基本实验操作
实验一：场效应晶体管的认知与检测
01
02
了解场效应晶体管的基本结构和工作原理。
学习使用万用表检测场效应晶体管的方法 。
03
04
实验二：场效应晶体管放大电路的搭建与 测试
在制造过程中，压力也是一个重要的参数，它能够影响材 料的物理性质和化学反应速度，从而影响晶体管的性能。
时间
时间是制造过程中的另一个重要参数，不同的工艺步骤需 要不同的时间来完成，时间过长或过短都可能影响晶体管 的性能。
气体流量
在化学气相沉积等工艺中，气体流量是关键的参数之一， 它能够影响材料的生长速度和均匀性，从而影响晶体管的 性能。
掌握搭建场效应晶体管放大电路的基本技 能。
05
06
学会使用示波器和信号发生器测试放大电 路的性能。
特性测量实验
实验三：场效应晶体管的 转移特性与输出特性测量
分析测量结果，理解场效 应晶体管的工作机制。
学习测量场效应晶体管频 率响应和噪声特性的方法。
掌握场效应晶体管转移特 性和输出特性的测量方法。
实验四：场效应晶体管的 频率响应与噪声特性测量
了新的可能。
制程技术优化与突破
制程技术
不断缩小晶体管的尺寸，提高集成度和能效比，同时降低制造成本。
突破
探索新型制程技术，如纳米线、纳米孔等新型器件结构，以提高场效应晶体管的性能和 稳定性。
应用领域的拓展与挑战
要点一
应用领域
场效应晶体管的应用领域不断拓展，包括通信、物联网、 智能制造、医疗电子等领域。
要点二
挑战
随着应用领域的拓展，对场效应晶体管的性能要求也越来 越高，需要不断研究和改进以满足市场需求。
Part
06
实验与习题
基本实验操作
实验一：场效应晶体管的认知与检测
01
02
了解场效应晶体管的基本结构和工作原理。
学习使用万用表检测场效应晶体管的方法 。
03
04
实验二：场效应晶体管放大电路的搭建与 测试
第五章 MOS场效应晶体管
第五章 MOS 场效应晶体管§ 5.1 MOS 场效应晶体管的结构和工作原理1．基本结构上一章我们简单提到了金属－半导体场效应晶体管（即MESFET ），它的工作原理和JEFET 的工作原理有许多类似之处。
如果在金属－半导体结之间加一层氧化物绝缘层（如SiO 2）就可以形成另一种场效应晶体管，即金属－氧化物－半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ，缩写MOSFET ），如图所示（P172）。
MOS 管主要是利用半导体表面效应而制成的晶体管，参与工作的只有一种载流子（即多数载流子），所以又称为单极型晶体管。
在双极型晶体管中，参加工作的不仅有多数载流子，也有少数载流子，故称为双极型晶体管。
本章主要以金属―SiO 2―P 型Si 构成的MOS 管为例来讨论其工作原理。
器件的基本参数是：沟道长度L （两个N P +结间的距离）；沟道宽度Z ；氧化层厚度x 0；漏区和源区的结深x j ；衬底掺杂浓度N a 等。
MOS 场效应晶体管可以以半导体Ge 、Si 为材料，也可以用化合物GaAs 、InP 等材料制作，目前以使用Si 材料的最多。
MOS 器件栅下的绝缘层可以选用SiO 2、Si 3N 4和Al 2O 3等绝缘材料，其中使用SiO 2最为普遍。
2．载流子的积累、耗尽和反型 （1）载流子积累我们先不考虑漏极电压V D ，将源极和衬底接地，如图所示。
如果在栅极加一负偏压（0G <V ），就将产生由衬底指向栅极的垂直电场。
在电场作用下，将使空穴在半导体表面积累，而电子在金属表面积累，如图所示。
（2）载流子耗尽如果在栅极加一正偏压（0G >V ），就将产生由栅极指向衬底的垂直电场。
在此电场作用下，将造成半导体表面多子空穴耗尽（即在半导体表面感应出负电荷，这些负电荷是空间电荷，不可移动），而在金属表面感应出正电荷，如图所示。
MOS场效应晶体管ppt课件
MOS 场效应晶体管基本结构示意图
16
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
17
4.2.2 MOS 场效应晶体管的转移特性
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
18
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
理想 MOS 二极管不同 偏压下的能带图及 电荷分布
a) 积累现象 b) 耗尽现象 c) 反型现象
3
2.表面势与表面耗尽区 下图给出了P型半导体MOS结构在栅极电压UG>>0情况 下更为详细的能带图。
4
在下面的讨论中，定义与费米能级相对应的费米势为
F
(Ei
EF )体内 q
因此，对于P型半导体， F
如图所示，当漏源电压UDS增高到某一值时，漏源电流 就会突然增大，输出特性曲线向上翘起而进入击穿区。 关于击穿原因，可用两种不同的击穿机理进行解释：漏 区与衬底之间PN结的雪崩击穿和漏-源之间的穿通。
41
1. 漏区-衬底之间的PN结击穿 在MOS晶体管结构中，栅极金属有一部分要覆盖在漏极上。 由于金属栅的电压一般低于漏区的电位，这就在金属栅极 与漏区之间形成附加电场，这个电场使栅极下面PN结的耗 尽区电场增大，如下图，因而使漏源耐压大大降低。
a) N 沟 MOS b) P 沟 MOS
29
3. 衬底杂质浓度的影响
衬底杂质浓度对阀值电压的影响
30
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。
16
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
17
4.2.2 MOS 场效应晶体管的转移特性
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
18
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
理想 MOS 二极管不同 偏压下的能带图及 电荷分布
a) 积累现象 b) 耗尽现象 c) 反型现象
3
2.表面势与表面耗尽区 下图给出了P型半导体MOS结构在栅极电压UG>>0情况 下更为详细的能带图。
4
在下面的讨论中，定义与费米能级相对应的费米势为
F
(Ei
EF )体内 q
因此，对于P型半导体， F
如图所示，当漏源电压UDS增高到某一值时，漏源电流 就会突然增大，输出特性曲线向上翘起而进入击穿区。 关于击穿原因，可用两种不同的击穿机理进行解释：漏 区与衬底之间PN结的雪崩击穿和漏-源之间的穿通。
41
1. 漏区-衬底之间的PN结击穿 在MOS晶体管结构中，栅极金属有一部分要覆盖在漏极上。 由于金属栅的电压一般低于漏区的电位，这就在金属栅极 与漏区之间形成附加电场，这个电场使栅极下面PN结的耗 尽区电场增大，如下图，因而使漏源耐压大大降低。
a) N 沟 MOS b) P 沟 MOS
29
3. 衬底杂质浓度的影响
衬底杂质浓度对阀值电压的影响
30
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。
第八章MOS场效应晶体管课件
ID
VGS 0 VT
VGS VT 0
4 、输出特性曲线 输出特性曲线是指 VGS >VT 且恒定时的VDS ～ID 曲线，
可分为以下 4 段：
① 线性区 当 VDS 很小时，沟道就象一个其阻值与 VDS 无关的固定 电阻，这时 ID 与 VDS 成线性关系，如图中的 OA 段所示：
② 过渡区 随着VDS 的增大，漏附近的沟道变薄，沟道电阻增大，曲 线逐渐下弯。当VDS 增大到VD sat（饱和漏源电压）时，漏处的 可动电子消失，这称为沟道被夹断，如图中的AB 段所示。 线性区与过渡区统称为 非饱和区，有时也统称为 线性区。
要使表面发生强反型，应使表面处的 EF Eis qFP ，这时 能带总的弯曲量是 2qFP 。
此时的表面势为：S S,inv 2FP
外加栅电压超过 VFB 的部分（VG - VFB ）称为 有效栅压 。 有效栅压又可分为两部分：降在氧化层上的 VOX 与降在硅表面
附近的表面电势 S 即：VG VFB VOX S 。S 使能带发生弯 曲。表面发生强反型时 EF Eis qFP ，这时能带总的弯曲量
再随VG 而增大，表面势 S 也几乎维持 S,inv 不变。于是有：
Qn QS QA
QM QA COX VOX QA
CO（ X VG VB VFB S,inv） QA
当外加 VD ( > VS ) 后，沟道中产生电势 V ( y ) ，V ( y ) 随 y 而增加，从源处的 V ( 0 ) = VS 增加到漏处的 V ( L ) = VD 。
MS 与金属种类、半导体导电类型及掺杂浓度有关。对于
Al ～ Si 系统：
MS
- 0.6 V ～ - 1.0V ( N 沟 ) （见304页图 5-15）
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
14
§7.2 MOSFET的阈值电压
一、MOSFET的阈值电压表达式 MOSFET的阈值电压 VT
是栅极下面的半导体表面呈 现强反型，从而出现导电沟 道时所加的栅源电压。
1.MOS结构中的电荷分布 2.强反型条件 3.理想MOS结构的阈值电压 4.实际MOS结构的阈值电压
QG Qox Qn QB 0
Байду номын сангаас
Qox Cox
VT
Vms
Qox Cox
QBmax Cox
2F
栅源电压： ✓抵消金-半之间接触电势差 ✓补偿氧化层中电荷 ✓建立耗尽层电荷（感应结） ✓提供反型的2倍费米势
VTn
Vms
Qox Cox
qN A xd max Cox
2kT q
ln
NA ni
VTp
Vms
Qox Cox
qN D xd max Cox
电路符号
n沟MOSFET
耗尽型
增强型
p型 n+区 电子
>0 由D→S
VT<0
VT>0
D
D
G
BG
B
S
S
p沟MOSFET
耗尽型
增强型
n型 p+区 空穴
<0 由S→D
VT>0
VT<0
D
D
G
BG
B
S
S
13
§7.2 MOSFET的阈值电压 一、MOSFET的阈值电压表达式 二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析 三、关于反型程度划分的讨论
2kT q
ln
ND ni
22
§7.2 MOSFET的阈值电压
二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析
1、VDS
2、VBS
1.偏置电压的影响 234...栅功衬电函底容数杂C差质oxΦ浓m度s 的影响 5.氧化膜中电荷的影响
●
●
●
●
●
●
●
●
●
VTn
Qox Cox
1 Cox
{2 0qN A[Vs
V ( y)
15
§7.2 MOSFET的阈值电压
一、MOSFET的阈值电压表达式
2.强反型条件
强反型：是指半导体表面积累的少数载流子的浓度达到和超过体内多子 浓度的状态 表面势：半导体表面的电势VS
ns
n e(EF Ei ) i
kT
p0p
n e(Ei EF ) i
kT
当(EF Ei )s (Ei EF )V 时，ns p0p
10
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类
二、MOSFET的基本工作原理
栅源电压对沟道的影响
11
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类
二、MOSFET的基本工作原理
漏源电压对沟道的影响
12
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类
三、MOSFET的分类
类型
衬底 S、D区 沟道载流子
VDS IDS方向 阈值电压
微电子器件原理
第七章 MOS场效应晶体管
第七章 MOS场效应晶体管
§7.1 基本工作原理和分类 §7.2 阈值电压 §7.3 I-V特性和直流特性曲线 §7.4 击穿特性 §7.5 频率特性 §7.6 功率特性和功率MOSFET结构 §7.7 开关特性 §7.8 温度特性 §7.9 短沟道和窄沟道效应
定义费米势： F
(Ei
EF )体内 q
p0p
nieqF
kT
NA
F
kT q
ln
NA ni
16
§7.2 MOSFET的阈值电压
一、MOSFET的阈值电压表达式
2.强反型条件
ns
n
0 p
e
qVs
kT
ni2
p
0 p
e qVs
kT
n e q(Vs F ) kT i
p e N e 0 q(Vs 2F ) kT p
QBmax qN A xd max
qN
A[
2 0Vs
qN A
1
]2
qN
A[
4 0 kT
q2 N A
ln
N
A
]
1 2
ni
1
[40qN AF ] 2
C ox
0 ox
tox
20
21
§7.2 MOSFET的阈值电压
一、MOSFET的阈值电压表达式
4.实际MOS结构的阈值电压
•平带电压VFB
VFB
Vms
当栅极加有电压0＜VGS＜VT时，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，将漏极和源极 沟通，所以不足以形成漏极电流ID。
9
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类 二、MOSFET的基本工作原理
p e0 q(Vs 2F ) kT p
N e q(Vs 2F ) kT A
p
0 p
nieqF
kT
NA
18
§7.2 MOSFET的阈值电压 一、MOSFET的阈值电压表达式
3.理想MOS结构的阈值电压
表面耗尽层 反型层载流子的屏蔽作用 场感应结 理想MOS结构
• 忽略氧化层中电荷的影响 • 不计金属-半导体功函数差
2
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类 一、MOSFET的基本结构 二、MOSFET的基本工作原理 三、MOSFET的分类
3
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类 一、MOSFET的基本结构
N沟道增强型MOSFET结构示意图
4
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类 一、MOSFET的基本结构
5
6
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类 一、MOSFET的基本结构
7
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类
8
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类
二、MOSFET的基本工作原理
MOSFET的基本工作原理是基于半导体的“表面场效应”
当VGS=0V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。
理想MOS结构的阈值电压
QG Qox Qn QB 0
QG QB max 0
19
§7.2 MOSFET的阈值电压 一、MOSFET的阈值电压表达式
3.理想MOS结构的阈值电压
VT
QBmax Cox
2F
VG Vox Vs 强反型时：
Vox
QG Cox
QBmax Cox
Vs 2F
q(Vs 2F ) kT A
当Vs
2F
2kT q
ln
NA ni
时，ns
p
0 p
NA
半导体表面能带弯曲至表面势等于两
倍费米势时，半导体表面呈现强反型状态。
17
§7.2 MOSFET的阈值电压 一、MOSFET的阈值电压表达式
ns
n
0 p
e
qVs
kT
ni2
p
0 p
e qVs
kT
n e q(Vs F ) kT i
VBS
1
]} 2
2kT q
ln
NA ni
Vms
23
§7.2 MOSFET的阈值电压 二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析
1.偏置电压的影响 234...栅功衬电函底容数杂C差质oxΦ浓m度s 的影响 5.氧化膜中电荷的影响
Ec
qVD
§7.2 MOSFET的阈值电压
一、MOSFET的阈值电压表达式 MOSFET的阈值电压 VT
是栅极下面的半导体表面呈 现强反型，从而出现导电沟 道时所加的栅源电压。
1.MOS结构中的电荷分布 2.强反型条件 3.理想MOS结构的阈值电压 4.实际MOS结构的阈值电压
QG Qox Qn QB 0
Байду номын сангаас
Qox Cox
VT
Vms
Qox Cox
QBmax Cox
2F
栅源电压： ✓抵消金-半之间接触电势差 ✓补偿氧化层中电荷 ✓建立耗尽层电荷（感应结） ✓提供反型的2倍费米势
VTn
Vms
Qox Cox
qN A xd max Cox
2kT q
ln
NA ni
VTp
Vms
Qox Cox
qN D xd max Cox
电路符号
n沟MOSFET
耗尽型
增强型
p型 n+区 电子
>0 由D→S
VT<0
VT>0
D
D
G
BG
B
S
S
p沟MOSFET
耗尽型
增强型
n型 p+区 空穴
<0 由S→D
VT>0
VT<0
D
D
G
BG
B
S
S
13
§7.2 MOSFET的阈值电压 一、MOSFET的阈值电压表达式 二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析 三、关于反型程度划分的讨论
2kT q
ln
ND ni
22
§7.2 MOSFET的阈值电压
二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析
1、VDS
2、VBS
1.偏置电压的影响 234...栅功衬电函底容数杂C差质oxΦ浓m度s 的影响 5.氧化膜中电荷的影响
●
●
●
●
●
●
●
●
●
VTn
Qox Cox
1 Cox
{2 0qN A[Vs
V ( y)
15
§7.2 MOSFET的阈值电压
一、MOSFET的阈值电压表达式
2.强反型条件
强反型：是指半导体表面积累的少数载流子的浓度达到和超过体内多子 浓度的状态 表面势：半导体表面的电势VS
ns
n e(EF Ei ) i
kT
p0p
n e(Ei EF ) i
kT
当(EF Ei )s (Ei EF )V 时，ns p0p
10
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类
二、MOSFET的基本工作原理
栅源电压对沟道的影响
11
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类
二、MOSFET的基本工作原理
漏源电压对沟道的影响
12
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类
三、MOSFET的分类
类型
衬底 S、D区 沟道载流子
VDS IDS方向 阈值电压
微电子器件原理
第七章 MOS场效应晶体管
第七章 MOS场效应晶体管
§7.1 基本工作原理和分类 §7.2 阈值电压 §7.3 I-V特性和直流特性曲线 §7.4 击穿特性 §7.5 频率特性 §7.6 功率特性和功率MOSFET结构 §7.7 开关特性 §7.8 温度特性 §7.9 短沟道和窄沟道效应
定义费米势： F
(Ei
EF )体内 q
p0p
nieqF
kT
NA
F
kT q
ln
NA ni
16
§7.2 MOSFET的阈值电压
一、MOSFET的阈值电压表达式
2.强反型条件
ns
n
0 p
e
qVs
kT
ni2
p
0 p
e qVs
kT
n e q(Vs F ) kT i
p e N e 0 q(Vs 2F ) kT p
QBmax qN A xd max
qN
A[
2 0Vs
qN A
1
]2
qN
A[
4 0 kT
q2 N A
ln
N
A
]
1 2
ni
1
[40qN AF ] 2
C ox
0 ox
tox
20
21
§7.2 MOSFET的阈值电压
一、MOSFET的阈值电压表达式
4.实际MOS结构的阈值电压
•平带电压VFB
VFB
Vms
当栅极加有电压0＜VGS＜VT时，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，将漏极和源极 沟通，所以不足以形成漏极电流ID。
9
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类 二、MOSFET的基本工作原理
p e0 q(Vs 2F ) kT p
N e q(Vs 2F ) kT A
p
0 p
nieqF
kT
NA
18
§7.2 MOSFET的阈值电压 一、MOSFET的阈值电压表达式
3.理想MOS结构的阈值电压
表面耗尽层 反型层载流子的屏蔽作用 场感应结 理想MOS结构
• 忽略氧化层中电荷的影响 • 不计金属-半导体功函数差
2
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类 一、MOSFET的基本结构 二、MOSFET的基本工作原理 三、MOSFET的分类
3
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类 一、MOSFET的基本结构
N沟道增强型MOSFET结构示意图
4
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类 一、MOSFET的基本结构
5
6
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类 一、MOSFET的基本结构
7
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类
8
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类
二、MOSFET的基本工作原理
MOSFET的基本工作原理是基于半导体的“表面场效应”
当VGS=0V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。
理想MOS结构的阈值电压
QG Qox Qn QB 0
QG QB max 0
19
§7.2 MOSFET的阈值电压 一、MOSFET的阈值电压表达式
3.理想MOS结构的阈值电压
VT
QBmax Cox
2F
VG Vox Vs 强反型时：
Vox
QG Cox
QBmax Cox
Vs 2F
q(Vs 2F ) kT A
当Vs
2F
2kT q
ln
NA ni
时，ns
p
0 p
NA
半导体表面能带弯曲至表面势等于两
倍费米势时，半导体表面呈现强反型状态。
17
§7.2 MOSFET的阈值电压 一、MOSFET的阈值电压表达式
ns
n
0 p
e
qVs
kT
ni2
p
0 p
e qVs
kT
n e q(Vs F ) kT i
VBS
1
]} 2
2kT q
ln
NA ni
Vms
23
§7.2 MOSFET的阈值电压 二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析
1.偏置电压的影响 234...栅功衬电函底容数杂C差质oxΦ浓m度s 的影响 5.氧化膜中电荷的影响
Ec
qVD