MOS管i-v特性

一、实验目的

分析mos晶体管i-v特性分析

二、实验要求

了解结型场效应管和MOS管的工作原理、特性曲线及主要参数

三、实验内容

1、MOS器件的结构介绍

2、MOS的工作原理

3、i-v特性曲线

图1 原理图

1．特性曲线和电流方程

输出特性曲线

与结型场效应管一样,其输出特性曲线也可分为可变电阻区、饱和区、截止

区和击穿区几部分。 转移特性曲线

转移特性曲线如图1(b)所示,由于场效应管作放大器件使用时是工作在饱和

区(恒流区),此时i D 几乎不随v DS 而变化,即不同的v DS 所对应的转移特性曲线几乎是重合的,所以可用v DS 大于某一数值(v DS ＞v GS -V T )后的一条转移特性曲线代替饱和区的所有转移特性曲线.

i D 与v GS 的近似关系

与结型场效应管相类似。在饱和区内,i D 与v GS 的近似关系式为

( v

GS ＞

V T )

式中I DO 是v GS =2V T 时的漏极电流i D 。 2.参数

2

GS DO

D

)1(-=T

V v I i

MOS管的主要参数与结型场效应管基本相同，只是增强型MOS管中不用夹断电压V P，而用开启电压V T表征管子的特性。

MOS管

1. 基本结构

原因：制造N沟道耗尽型MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+(制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子)，如图1(a)所示，因此即使v GS=0时，在这些正离子产生的电场作用下，漏－源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道)，只要加上正向电压v DS，就有电流i D。

如果加上正的v GS，栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子，沟道加宽，沟道电阻变小，i D增大。反之v GS为负时，沟道中感应的电子减少，沟道变窄，沟道电阻变大，i D减小。当v GS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，i D趋于零，管子截止，故称为耗尽型。沟道消失时的栅－源电压称为夹断电压，仍用V P表示。与N沟道结型场效应管相同，N沟道耗尽型MOS管的夹断电压V P也为负值，但是，前者只能在v GS<0的情况下工作。而后者在v GS=0，v GS>0，V P

电流方程：在饱和区内，耗尽型MOS管的电流方程与结型场效应管的电流方程相同，即

各种场效应管特性比较

1，MOS管导通特性

导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。

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，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC 时的情况（高端驱动）。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。

3，MOS开关管损失

MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越快，损失也越大。

导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。缩短

开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。

I d s

GS T

DS V V V -，NMOS 进入饱和区，此时源漏电流与Vds 无关，满足关系式

2()2n ox

ds GS T W C I V V L

μ=

-，W 为NMOS 沟道宽度，L 为沟道长度，n μ为电子迁移率，

T V 为阈值电压。跨导为()n ox

m GS T W C g V V L

μ=

-，饱和区的跨导随着Vgs 的提高而增大，但由输出特性曲线可以看出在饱和区时，Ids 随着Vds 的增加有微弱的增加，这是因为有效沟道调制效应造成的结果。当GS T

DS V V V -时，sat V 向源端移动，即夹断点向

源端移动，但夹断点的电压依然为

sat GS T V V V =-，有效沟道长度减小，导致电阻

减小，因此源漏电流才会有所增加，但在长沟道MOS 器件并不显著，但在短沟道且比较突出。

GS T

DS V V V -时，器件处于线性区21[()]2

n ox ds GS T DS DS W C I V V V V L

μ=--，

四、实验总结

这次实验主要是通过cadence 软件来分析mos 晶体管的i-v 特性，在实验中不断地进行测试仿真，得到符合理论的MOS 晶体管i-v 特性，进一步加深了对

MOS晶体管的特性了解和熟悉了cadence软件，提高了动手能力和解决问题的能力，这次实验收获很大。