第五章MOS场效应管的特性

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模电第五章场效应管

作出新的假设，同时重新分析电路。
P沟道MOS管电路的分析与N沟道类似，但要
注意其电源极性与电流方向不同。
21
1、直流偏置电路
（2）带源极电阻的NMOS
共源放大电路
由图得
RS
Cb1 vi
Rd
Rg1 iD
Rg2
VGS VG VS
Rg 2
Rg1 Rg 2
VDD VSS
VSS
I D R VSS
VDS
Kn
vGS VT vGS
2
VDS 2Kn vGS VT
18
gm
iD vGS
VDS
Kn
vGS VT vGS
2
VDS 2Kn vGS VT
考虑到 iD Kn vGS VT 2 和 IDO KnVT 2
上式又可改写为
gm 2
K niD
2 VT
上式表明， iD越大， gm愈大。
图5.2.3
解：首先假设管工作于饱和区，运用下式
IDQ Kn VGSQ VT 2
求得 VGSQ 2.25V
则计算
VS 2.25V
Rd
VDD VDQ I DQ
5 2.5 10k 0.25
计算是否满足饱和条件：
VDSQ VGSQ VT
确定分析正确与否。23
（3）静态工作点的确定
在饱和区内， B
区扩展到整个沟道，沟道完全被夹断。这时即使有漏源电压，也
2
iD
I DSS 1
vGS VP
不会有漏极电流。此时的栅源电压称为夹断电压（截止电压）1V2 P。
5.1.2 N沟道耗尽型MOS管 2、特性曲线
/V
在饱和区内，

5MOS场效应管的特性

是一个非线性电容，随电位差的增大而减小。
14
5MOS场效应管的特性
• 随着Vgs的增大，排斥掉更多的空穴，耗尽层厚度 Xp增大，耗尽层上的电压降就增大，因而耗尽层电容CSi就减小。耗尽层上的电压降的增大，实际上就意味着Si表面电位势垒的下降，意味着Si表面能级的下降。
• 一旦Si表面能级下降到P型衬底的费米能级，Si表面的半导体呈中性。这时，在Si表面，电子浓度与空穴浓度相等，成为本征半导体。
击穿区
0
Vds
10
5MOS场效应管的特性
MOS电容是一个相当复杂的电容，有多层介质：在栅极电极下面有一层SiO2介质。SiO2下面是P型衬底，最后
是衬底电极，同衬底之间是欧姆接触。 MOS电容与外加电压有关。
1）当Vgs<0时，栅极上的负电荷吸引了P型衬底中的多数载流子—空穴，使它们聚集在Si表面上。这些正电荷在数量上与栅极上的负电荷相等，于是在Si表面和栅极之间，形成了平板电容器，其容量为，
9
5MOS场效应管的特性
• •
在非饱和区饱和区
IdsVdsCa1Vgsb1
Idsa2V gs V T2
Idstoo xx W LVgsV TV ds1 2V ds2
Ids 1 2tooxxW LVgsVT 2
(Ids 与 Vds无关) . MOSFET是平方律器件!
Ids
饱和区
线性区
5
5MOS场效应管的特性
• 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VT，在栅极下的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。这时，栅极电压所感应的电荷Q为，

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。

MOS管(新)

为受控于VGS的可变电阻 11
(3) 放大区产生夹断后，VDS增大，ID不变的区域，VDS VGS - VT
VDSID不变处于饱和区的场效应管相当于一个压控电流源
在预夹断临界条件下VDS =VGS - VT 由此得到饱和区的V-I特性表达式：
iD K n (v G S V T )2 K n V T 2 (v V G T S 1 )2 ID O (v V G T S 1 )2
结反向，所以不存在导电
沟道。
(a) VGS =0， ID =0
VGS必须大于0
管子才能工作。
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4
（b） 0＜VGS＜ VT （ VT 称为开启电压)
在Sio2介质中产生一个垂直于导体表面的电场，排斥P区多子空穴而吸引少子电子。但由于电场强度有限，吸引到绝缘层的少子电子数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流ID。
这种在VGS =0时没有导电沟道，
依靠栅源电压的作用而形成感生
沟道的FET称为增强型FET
VGS >0g吸引电子反型层导电沟道
VGS 反型层变厚 VDS最新课件 ID
6
（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用
（a）如果VGS＞VT且固定为某一值， VGD=VGS－VDS VDS为0或较小时，
2、夹断电压VP ：在VDS为一固定数值时，使 ID对应一微小电流时的 |VGS | 值。（耗尽）
3、饱和漏极电流IDSS ：在VGS = 0时， VDS > |VP |时的漏极电流。（耗尽）
4、极间电容：漏源电容CDS约为 0.1~1pF，栅源电容CGS和栅漏极电容CGD约为1~3pF。
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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。

第五章场效应管放大电路备课笔记

第五章：场效应管放大电路8学时基本要求：了解结型场效应管的基本结构和工作原理，金属氧化物半导体场效应管的基本结构和工作原理；掌握场效应管放大电路的静态分析和放大电路的小信号模型分析法。

重点：场效应管放大电路的静态分析和放大电路的小信号模型分析法。

难点：场效应管放大电路的小信号模型分析法。

教学过程5 场效应管放大电路5.1.1 N沟道增强型MOSFET三极管: Bipolor Junction Transistor (缩写为: BJT)场效应管: Field Effect Transistor (缩写为:FET)三极管是利用基极电流来控制集电极电流的，是电流控制器件。

在正常工作时，发射结正偏，当有电压信号输入时，一定要产生输入电流，导致三极管的输入电阻较小，一方面降低了管子获得输入信号的能力，而且在某些测量仪表中将导致较大的误差，这是我们所不希望的。

场效应管是一种电压控制器件，它只用信号源电压的电场效应，来控制管子的输出电流，输入电流几乎为零，因此具有高输入电阻的特点；同时场效应管受温度和辐射的影响也比较小，又便于集成化，因此场效应管已广泛地应用于各种电子电路中，也成为当今集成电路发展的重要方向。

场效应管的分类：1.结构在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s。

然后在半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g。

在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。

MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。

它的栅极与其它电极间是绝缘的。

图(a)、(b)分别是它的结构示意图和代表符号。

代表符号中的箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。

P沟道增强型MOS管的箭头方向与上述相反，如图(c)所示。

2.N沟道增强型MOSFET工作原理（1）v GS对i D及沟道的控制作用①v GS=0 的情况从图(a)可以看出，增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。

场效应管的特性

场交攵应管的特性根据三极管的原理开发出的新一代放大元件，有3个极性，栅极，漏极，源极，它的特点是栅极的内阻极高，采用二氧化硅材料的可以达到几百兆欧，属于电压控制型器件。

［编辑本段］1.概念：场效应管场效应晶体管(Field Effect Transistor缩写(FET))简称场效应管.由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管.它属于电压控制型半导体器件.特点：具有输入电阻高(100M Q ~1 000M Q )噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽、热稳定性好等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者.作用：场效应管可应用于放大.由于场效应管放大器的输入阻抗很高，因此耦合电容可以容量较小，不必使用电解电容器.场效应管可以用作电子开关.场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换.常用于多级放大器的输入级作阻抗变换. 场效应管可以用作可变电阻.场效应管可以方便地用作恒流源.［编辑本段］2.场效应管的分类: </8>场效应管分结型、绝缘栅型(MOS)两大类按沟道材料:结型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种.按导电方式: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。

场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管，而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型;P沟耗尽型和增强型四大类.［编辑本段］3.场效应管的主要参数：</B>Idss —饱和漏源电流.是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，栅极电压UGS=0时的漏源电流.Up —夹断电压.是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，使漏源间刚截止时的栅极电压.Ut —开启电压.是指增强型绝缘栅场效管中，使漏源间刚导通时的栅极电压.gM —跨导.是表示栅源电压UGS —对漏极电流ID的控制能力，即漏极电流ID变化量与栅源电压UGS变化量的比值.gM是衡量场效应管放大能力的重要参数BVDS —漏源击穿电压.是指栅源电压UGS 一定时，场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压.这是一项极限参数加在场效应管上的工作电压必须小于BVDS.PDSM —最大耗散功率，也是一项极限参数，是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率.使用时，场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量.IDSM —最大漏源电流.是一项极限参数，是指场效应管正常工作时，漏源间所允许通过的最大电流.场效应管的工作电流不应超过IDSMCds---漏-源电容Cdu---漏-衬底电容Cgd---栅-漏电容Cgs---漏-源电容Ciss---栅短路共源输入电容Coss---栅短路共源输出电容Crss---栅短路共源反向传输电容D---占空比（占空系数，外电路参数）di/dt---电流上升率（外电路参数）dv/dt---电压上升率（外电路参数）ID---漏极电流（直流）IDM---漏极脉冲电流ID（on）---通态漏极电流IDQ---静态漏极电流（射频功率管）IDS---漏源电流IDSM---最大漏源电流IDSS---栅-源短路时，漏极电流IDS（sat）---沟道饱和电流（漏源饱和电流）IG---栅极电流（直流）IGF---正向栅电流IGR---反向栅电流IGDO---源极开路时，截止栅电流IGSO---漏极开路时，截止栅电流IGM---栅极脉冲电流IGP---栅极峰值电流IF---二极管正向电流IGSS---漏极短路时截止栅电流IDSS1---对管第一管漏源饱和电流IDSS2---对管第二管漏源饱和电流Iu---衬底电流Ipr---电流脉冲峰值（外电路参数）gfs---正向跨导Gp---功率增益Gps---共源极中和高频功率增益GpG---共栅极中和高频功率增益GPD---共漏极中和高频功率增益ggd---栅漏电导gds---漏源电导K---失调电压温度系数Ku---传输系数L---负载电感(外电路参数)LD---漏极电感Ls---源极电感rDS---漏源电阻rDS(on)---漏源通态电阻rDS(of)---漏源断态电阻rGD---栅漏电阻rGS---栅源电阻Rg---栅极外接电阻(外电路参数)RL---负载电阻(外电路参数)R(th)jc---结壳热阻R(th)ja---结环热阻PD---漏极耗散功率PDM---漏极最大允许耗散功率PIN—输入功率POUT---输出功率PPK---脉冲功率峰值（外电路参数）to（on）---开通延迟时间td（off）---关断延迟时间ti---上升时间ton---开通时间toff---关断时间tf---下降时间trr---反向恢复时间Tj—结温Tjm---最大允许结温Ta---环境温度Tc---管壳温度Tstg---贮成温度VDS---漏源电压（直流）VGS---栅源电压（直流）VGSF--正向栅源电压（直流）VGSR---反向栅源电压（直流）VDD---漏极（直流）电源电压（外电路参数）VGG---栅极（直流）电源电压（外电路参数）Vss---源极（直流）电源电压（外电路参数）VGS（th）---开启电压或阀电压V （ BR ） DSS---漏源击穿电压V （ BR ） GSS---漏源短路时栅源击穿电压VDS（on）---漏源通态电压VDS（sat）---漏源饱和电压VGD---栅漏电压（直流）Vsu---源衬底电压（直流）VDu---漏衬底电压（直流）VGu---栅衬底电压（直流）Zo---驱动源内阻/--漏极效率（射频功率管）Vn---噪声电压aID---漏极电流温度系数ards---漏源电阻温度系数［编辑本段］4.结型场效应管的管脚识别：</B>判定栅极G:将万用表拨至Rx1k档，用万用表的负极任意接一电极另一只表笔依次去接触其余的两个极，测其电阻.若两次测得的电阻值近似相等，则负表笔所接触的为栅极，另外两电极为漏极和源极.漏极和源极互换，若两次测出的电阻都很大则为N沟道;若两次测得的阻值都很小，则为P沟道.判定源极S、漏极D:在源-漏之间有一个PN结，因此根据PN结正、反向电阻存在差异，可识别S极与D极. 用交换表笔法测两次电阻,其中电阻值较低（一般为几千欧至十几千欧）的一次为正向电阻此时黑表笔的是S极，红表笔接D极.［编辑本段］5.场效应管与晶体三极管的比较场效应管是电压控制元件，而晶体管是电流控制元件.在只允许从信号源取较少电流的情况下，应选用场效应管;而在信号电压较低，又允许从信号源取较多电流的条件下应选用晶体管.晶体三极管与场效应管工作原理完全不同，但是各极可以近似对应以便于理解和设计：晶体管：基极发射极集电极场效应管：栅极源极漏极要注意的是，晶体管（NPN型）设计发射极电位比基极电位低（约0.6V），场效应管源极电位比栅极电位高（约0.4V）。

电子电工学——模拟电子技术第五章场效应管放大电路

1. 最大漏极电流IDM
场效应管正常工作时漏极电流的上限值。
2. 最大耗散功率PDM
由场效应管允许的温升决定。
3. 最大漏源电压V(BR)DS 当漏极电流ID 急剧上升产生雪崩击穿时的vDS值。
4. 最大栅源电压V(BR)GS
是指栅源间反向电流开始急剧上升时的vGS值。
5.2 MOSFET放大电路
场效应管是电压控制器件，改变栅源电压vGS的大小，就可以控制漏极电流iD，因此，场效应管和BJT一样能实现信号的控制用场效应管也可以组成放大电路。
场效应管放大电路也有三种组态，即共源极、共栅极和共漏极电路。
由于场效应管具有输入阻抗高等特点，其电路的某些性能指标优于三极管放大电路。最后我们可以通过比较来总结如何根据需要来选择BJT还
vGS＜0沟道变窄，在vDS作用下，iD 减小。vGS=VP(夹断电压，截止电压）时，iD=0 。
可以在正或负的栅源电压下工作，
基本无栅流。
2.特性曲线与特性方程
在可变电阻区 iD
Kn
2vGS
VP vDS
v
2 DS
在饱和区iD
I DSS 1
vGS VP
2
I DSS KnVP2称为饱和漏极电流
4. 直流输入电阻RGS
输入电阻很高。一般在107以上。
二、交流参数
1. 低频互导gm 用以描述栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用。
gm
iD vGS
VDS 常数
2. 输出电阻 rds 说明VDS对ID的影响。
rds
vDS iD
VGS 常数
3. 极间电容
极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。
三、极限参数
D iD = 0

MOS管(新)分析

27
例.如图，设VT=1V, Kn=500μA/V2 , VDD=5V, -VSS=-5V, Rd=10K,
R=0.5K, Id=0.5mA 。若流过Rg1, Rg2的电流是ID的1/10，试确定
Rg1, Rg2的值。
VDD
解.作出直流通路，并设MOS工作在饱和区，则由：
2

Rg 2 200
IDSS mA
<0.35
<1.2 6～11 0.35～1.2 0.3～1
VRDS V
>20 >20 >20 >12
VRGS V
>20 >20 >20 >25 -25
VP
gm
V mA/ V
-4
≥2
-4
≥3
-5.5 ≥8
-4
≥2
fM MHz 300
90
1000
5.2 MOSFET放大电路
5.2.1 MOSFET放大电路
工作于可变电阻区的ID： ID 2Kn (VGS VT )vDS
25
5.2 MOSFET放大电路 5.2.2 带源极电阻的NMOS共源极放大电路（1）直流通路
VGS VG VS
Rg1

Rg 2
Rg1 Rg 2
(VDD
VSS
)
VSS

(IDR
VSS
由V-I特性估算 gm
gm

diD dvGS
vDS
[Kn (vGS VT )2 ]
vGS
vDS
2Kn (vGS
VT )
因为 iD Kn (vGS VT )2

第5章场效应管放大电路分析

如果接有外负载RL
Rg1
Rd d Vo
g sb
RL
Vi Rg2
Rg3 R
AV gm (Rd // RL )
Ri Rg3 Rg1 // Rg 2
g
Vi
Rg3 gmVgs R’g
d Rd Vo RL
Ro Rd
s R’g=Rg1//Rg2
27
源极电阻上无并联电容:
AV
Vo Vi
Vgs
gmVgs Rd gmVgs R
10
(2) 转移特性曲线 iD= f (vGS)|vDS= 常数
表征栅源电压vGS对漏极电流的控制作用，场效应管是电压控制器件。
在饱和区内，FET可看
作压控电流源。
IDSS
转移特性方程：
iD=IDSS(1-vGS/VP)2
vGS VP- 0.8 – vG
0.4
S
11
（3）主要参数
夹断电压：VP 当导电沟道刚好完全被关闭时，栅源所对应的电
s
gd
N+ PN+
18
3 、特性曲线
4区：击穿
区
3区
截止区
vGS<V
T
vGD<V
T
VT
1区：可变电阻区: vGS>VT vGD>VT 沟道呈电阻性，iD随vDS
的增大而线性增大。
iD=0 2区：恒流区(线性放大区）
vGS>VT vGD<VT iD=IDO｛(vGS/VT)-1｝2 IDO是vGS=2VT时，iD的值。
VT R
g
m
(VT
)
VT R
VT
(gm
1) R

半导体器件原理第五章

堆积状态加负栅压堆积层电荷能够跟得上栅压的变化相当于栅介质平板电容oxoxox38mos电容器在堆积模式时的能带图堆积模式下当栅压微变时的微分电荷分布栅氧化层半导体界面产生空穴堆积层一个小的电压微分改变量将导致金属栅和空穴堆积电荷的微分变量发生变化平带状态所加负栅压正好等于平带电压vfb使半导体表面能带无弯曲oxoxoxoxfben39平带电容是栅氧化层厚度和掺杂浓度的函数
差，氧化层中的净空间电荷
平带条件下MOS结构的能带图和电荷分布图
5.1.1双端MOS结构
零栅压时： Vox0+s0=- ms
平带电压:公式
金属上的电荷密度
单位面积电荷数
栅电压VG Vox s
(Vox Vox 0 ) (s s 0 ) Vox s ms
二氧化硅的电子亲和能硅的电子亲和能
金属的功函数
Wm E0 EFm em
半导体的功函数
金属的费米能级
Ws E0 EFs e Eg 2 e fp
19
金属与半导体功函数差二氧化硅的（电势表示）禁带宽度 Wm Ws φ ms e Eg 绝缘体不允许电荷在金属和半导体之 φ m (χ φ fp ) 间进行交换 2e
32
n型衬底MOS结构
| QSD 'max | eNd xdT
Cox ox / tox
VFB ms Q'ss / Cox
ms m '( '
Eg 2e
fn )
表面反型层电子密度与表面势的关系
表面处电子浓度随着表面势的增加而增大，表面势很小的改变就可以使电子浓度迅速增加
负栅压的大小
24

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

mos场效应管MOS场效应管是半导体功率放大器的最重要的部件。

它拥有良好的低噪声特性，被广泛应用于声音、视频、电视和通讯系统中，以改善系统整体质量和增强系统性能。

MOS场效应管在20世纪60年代末由乔治斯坦和罗伯特比尔森发明，他们的研究证实了MOSFET在微型晶体管无源功率放大器中的重要性。

MOS场效应管是在现今的半导体部件中最重要的，它可以提供高输出功率、低噪声、低热量、低电压差应用中精确控制，并且是高效耐用的，具有对电磁污染抗拒性，可以实现更加可靠的电源供应系统。

MOS场效应管有两种类型：一种是增加型MOSFET，另一种是减少型MOSFET。

增加型MOSFET是电源输出或增益控制系统中的主要组件，它可以控制输出级的电流，从而控制输出功率；减少型MOSFET则控制输出级的电压，从而控制输出功率。

MOSFET在制造过程中采用的是活性元件的技术，这种技术在这种类型的MOS场效应管中拥有更好的性能，更突出的特性和更高的效率。

另外，由于MOSFET的占用空间小，因此，系统整体布局也能够得到更好的优化。

MOS场效应管有许多用途，尤其在频率控制和驱动系统中特别有用，它可以被用来驱动各种负载，包括电机、电磁阀、电热元件等等，在此之外，它还可以用作开关、变压器和发动机控制系统等等。

MOS场效应管的研究工作还在不断的深入开发，使它的性能变得更好、使用寿命更长、低噪声性能更强、功耗更低，同时又具有较强的抗干扰能力。

MOS场效应管不仅应用于传统的电源放大器，而且也可以应用于新兴的智能电源放大器，其中，电源放大器可以根据环境参数和输入的电压、电流值来实现自适应的输出，这样可以实现更快速的控制效果，抗干扰性更强，从而使整个系统的使用寿命更长。

从技术的角度看，MOS场效应管的发展推动了智能电源放大器的发展，更好的抗干扰性能和更精确的控制精度使它们在智能驱动、高精度检测、采集放大等领域发挥着重要作用。

总之，MOS场效应管是一种具有重要作用的半导体器件，它可以广泛应用于各种系统，并且可以提供良好的质量和性能。

MOS场效应管的特性

V T2q b pC Q o d xq m sQ C m o xmC Q o F xQ iC t(U o xs)
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场效应晶体管的基本特性

MOSFET相比双极型晶体管的优点
（1）输入阻抗高：双极型晶体管输入阻抗约为几千欧，而场效应晶体管的输入阻抗可以达到109～1015欧；（2）噪声系数小：因为MOSFET是依靠多数载流子输运电流的，所以不存在双极型晶体管中的散粒噪声和配分噪声；（3）功耗小：可用于制造高集成密度的半导体集成电路；（4）温度稳定性好：因为它是多子器件，其电学参数不易随温度而变化。（5）抗辐射能力强：双极型晶体管受辐射后β下降，这是由于非平衡少子寿命降低，而场效应晶体管的特性与载流子寿命关系不大，因此抗辐射性能较好。
3．高输入阻抗由于栅氧化层的影响，在栅和其他端点之间不存在直流通道，因此输入阻抗非常高，而且主要是电容性的。通常，MOSFET的直流输入阻抗可以大于1014欧。 4．电压控制 MOSFET是一种电压控制器件。而且是一种输入功率非常低的器件。一个MOS晶体管可以驱动许多与它相似的MOS晶体管；也就是说，它有较高的扇出能力。 5．自隔离
说
明
公式（7-1）、（7-2）只适用于长沟道MOSFET。当沟道长度较短时，必须考虑短沟道效应，管子的阈值电压VT会随沟道长度L的减小而减小。这个问题将在以后讨论。
7.4 MOSFET的伏安特性
为了方便起见，先作以下几个假定：（1）漏区和源区的电压降可以忽略不计；（2）在沟道区不存在复合－产生电流；（3）沿沟道的扩散电流比由电场产生的漂移电流小得多；（4）在沟道内载流子的迁移率为常数；（5）沟道与衬底间的反向饱和电流为零；（6）缓变沟道近似成立，即跨过氧化层的垂直于沟道方向的电场分量与沟道中沿载流子运动方向的电场分量无关。
4qN D S 0 F 2kT N D ln C OX q ni

MOS 场效应晶体管

效应晶体管，简称mosfet。
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管体效应

mos管体效应
回答：
MOS管是一种常用的场效应晶体管，其主要特点是具有高输入阻抗、低噪声、低失真等优点。

MOS管的体效应是指在MOS管的工作过程中，由于沟道中的电子密度变化而引起的电场效应。

MOS管的结构包括一个金属栅极、一个绝缘层和一个半导体沟道。

当栅极施加正电压时，栅极和沟道之间的电场会引起沟道中的电子密度变化。

由于沟道中的电子密度变化，沟道中的电场也会发生变化，从而影响MOS管的输出特性。

MOS管的体效应主要包括两个方面：沟道长度调制效应和沟道宽度调制效应。

沟道长度调制效应是指在MOS管的工作过程中，由于沟道长度的变化而引起的电场效应。

当栅极施加正电压时，沟道中的电子密度会发生变化，从而引起沟道长度的变化。

沟道长度的变化会影响沟道中的电场分布，从而影响MOS管的输出特性。

沟道宽度调制效应是指在MOS管的工作过程中，由于沟道宽度的变化而引起的电场效应。

当栅极施加正电压时，沟道中的电子密度会发生变化，从而引起沟道宽度的变化。

沟道宽度的变化会影响沟道中的电场分布，从而影响MOS管的输
出特性。

MOS管的体效应对MOS管的输出特性有很大的影响。

在MOS管的设计和制造过程中，需要考虑体效应的影响，以提高MOS管的性能和可靠性。

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管的工作原理及特性

金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,
板级电路应用上，都十分广泛。

一、MOS管的工作原理
以增强型MOS管为例，我们先简单来看下MOS管的工作原理。

由上图结构我们可以看到MOS管类似三极管，也是背靠背的两个PN结！三极管的原理是在偏置的情况下注入电流到很薄的基区通过电子-空穴复合来控制CE 之间的导通，MOS管则利用电场来在栅极形成载流子沟道来沟通DS之间。

如上图，在开启电压不足时，N区和衬底P之间因为载流子的自然复合会形成一个中性的耗尽区。

给栅极提供正向电压后，P区的少子(电子)会在电场的作用下聚集到栅极氧化硅下，最后会形成一个以电子为多子的区域，叫反型层，称为反型因为是在P型衬底区形成了一个N型沟道区。

这样DS之间就导通了。

二、MOS管的特性
1、由于MOSFET是电压驱动器件(G极加电压控制电流)，因此无直流电流流入栅极。

2、要开通MOSFET，必须对栅极施加高于额定栅极阈值电压Vth的电压。

3、处于稳态开启或关断状态时，MOSFET栅极驱动基本无功耗(但是请注意交叉点附近，就是电压下降与电流上升导致的功耗)。

4、通过驱动器输出看到的MOSFET栅源电容根据其内部状态而有所不同。

5、MOSFET通常被用作频率范围从几kHz到几百kHz的开关器件。

这点尤其需要注意。

三、结语
希望本文对大家能够有所帮助。

第五章MOS场效应管的特性

模电第五章场效应管

5MOS场效应管的特性

MOS 场效应管的工作原理及特点

MOS管(新)

mos管 场效应管

第五章 场效应管放大电路 备课笔记

场效应管的特性

电子电工学——模拟电子技术 第五章 场效应管放大电路

MOS管(新)分析

第5章场效应管放大电路分析

半导体器件原理 第五章

第五章 MOS场效应管的特性

mos场效应管

MOS场效应管的特性

MOS场效应晶体管的基本特性

MOS 场效应晶体管

mos管体效应

MOS场效应管的特性

MOS管的工作原理及特性

mos管场效应管

第五章场效应管放大电路备课笔记

电子电工学——模拟电子技术第五章场效应管放大电路

半导体器件原理第五章