MOS管i-v特性
第2章MOS器件物理基础
❖ 版图、电容、小信号模型等
第2章MOS器件物理基础
10
2.2 MOMSO的SI管/V工特作性-原工作理原理与阈值电压
当VG=0，MOS管相当于两个反偏的二极管，截止 当VG稍微增大时，在正的栅源电压作用下，产生电场，
这个电场排斥空穴而吸引电子，因此，使栅极附近的p型 衬底中的空穴被排斥，留下不能移动的受主离子（负离 子），截止。
第2章 MOS器件物理基础
2.1 基本概念
❖ 简化模型－开关 ❖ 结构
2.2 I/V特性
❖ 阈值电压 ❖ I-V ❖ 跨导
2.3 二级效应
❖ 体效应、沟道长度调制效应、亚阈值导电性
2.4 器件模型
❖ 版图、电容、小信号模型等
第2章MOS器件物理基础 1
2.1 基本概念-MOSFET开关
NMOS管三端器件，栅(G)、源(S)、 漏(D)。 通常作为开关使用，VG高 电平，MOS管导通，D、S连接。
nCox
W L
(VGS
Vth )VDS
1 2
VD2S
K N 2(VGS Vth )VDS VD2S
VGS－Vth：MOS管的“过驱动电压”
L：指沟道的有效长度
W/L称为宽长比，K N
1 2
nC，ox WL
称为NMOS管的导电因子，
μn载流子迁移率。
ID的值取决于工艺参数：μn、Cox、器件尺寸W和L、VDS及VGS。
第2章MOS器件物理基础 14
2.2 MOS的I/V特性-阈值电压
0 栅与衬底功函数差
COX
OX
TOX
单位面积栅氧化层电容
常通过沟道注入把VTH0调节到合适值 工艺确定后，VTH第02章就MO固S器定件物了理基，础 设计者无法改变
MOS管(新)总结
vDS /V
iD K n [2 (v G S V T )v D S v D 2 S ]iD
其中 KnK 2n ' .W LnC 2OX(W L)
本征导电因子 Kn' nCOX n 为反型层中电子迁移率 C O X 为栅极氧化层单位面积电容
vDS /V
在特性曲线原点四周 iD 2 K n (v G S V T )v D S
第五章 场效应管放大电路
场效应管是一种利用电场效应来把握电流的一种半导体器 件，是仅由一种载流子参与导电的半导体器件。从参与导电的 载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为 载流子的P沟道器件。
场效应管：
结型
N沟道 P沟道
增强型
MOS型
N沟道 P沟道
耗尽型 增强型 耗尽型
§5.1 金属-氧化物-半导体〔MOS〕场效应管
在VDS作用下无iD。
耗尽型：VGS=0时，漏源之间有导电沟道， 在VDS作用下iD。
§5.1.1 N沟道增加型MOSFET
1. 构造和符号
N沟道增加型MOSFET构 造左右对称，是在一块浓 度较低的P型硅上生成一层 SiO2 薄膜绝缘层，然后用 光刻工艺集中两个高掺杂 的N型区，从N型区引出电 极作为D和S,在绝缘层上镀 一层金属铝并引出一个电 极作为G
〔1〕 直流通路
Rg1
VGS= VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) 假设NMOS工作于饱和区，则 IDKn(VGSVT)2
＋Cb2V＋G g
vi Rg2
－
VDD
Rd
＋Cb2
d iIdD
＋
B
v0
s
VS
－
VDS= VDD－IDRd
模拟IC设计知识分享(1)
模拟IC设计知识分享(1)最近刚好要考AAIC了，于是就想着怎么把考试的知识点总结起来分成章节。
本来想画成思维导图，但一是很多公式很多图，二是知识点间相互都有联系，也着实不太好具象化。
模拟电路就是折中的艺术，硬要画成放射状也是有点难为我了。
不如就写成文章，不仅能帮助我learning by teaching，说不定也能造福点后人。
MOS管作为模拟IC的基础组成部分，掌握MOS的各项特性是重中之重。
但由于MOS管其实是一个特性非常复杂，且无法用一个简单模型做出概括的非线性器件，我们也有必要对其进行一定的简化。
我们首先介绍MOS的基本结构和简化模型。
一、MOS管三维结构MOS管符号[1]典型的NMOS拥有四个端口，分别是栅极(gate)，源极(source)，漏极(drain)和衬底(body/bulk)。
MOS管是一种将电压转化为电流的器件，可以简单理解为一个压控电流源，以栅极和源极间的电压控制流过漏极和源极的电流。
根据各个端口间电压的不同，MOS管还可以分为三个工作区域，分别为截止区(cut-off region)，线性区/三极管区(triode region)和饱和区(saturation region)。
我们可能已经了解MOS管可以用作开关，也可以对信号进行放大。
当MOS管用作开关时，它就工作在线性区；而当用作放大器时，它需要工作在饱和区。
在进一步分析每个工作区域的特性和条件之前，我们首先把这个抽象模型和实际世界的MOS管这一半导体器件对应起来。
NMOS管三维结构[2]上图所示是一个NMOS的结构图。
器件制作在p型衬底(substrate)上，两个n离子掺杂区形成源极和漏极，并通过金属引出。
早期MOS管的栅极由金属层制成(如图，这也是MOSFET名字中第一个M-Metal的由来)，但现今大部分的MOS 管采用多晶硅(poly)来制作栅极，而名字却没有随之修改。
当然多晶硅和金属制作栅极各有利弊，还请详见半导体物理一书。
LDMOS介绍
阈值电压
阈值电压Vgs(th)定义为使半导体表面为反型层 时栅上所需加的电压。它由三部份组成：（1）栅 上首先需加电压VFB（平带电压）使半导体表面能 带是平的；（2）若要表面反型则半导体能带应有 2qφFB的弯曲，其中qφFB是体内费米能级到禁带中央 的距离，故栅上还应再加qφFB的电压；（3）能带弯 qφ 3 曲qφFB对应着表面反型层到体内有一过渡的耗尽层， 此耗尽层有一负的电荷面密度，这个负电荷需由栅 上相应的正电荷来屏蔽，因此氧化层上又需再加一 个电压Q/Cox，综上所述，得到阈值电压：
LDMOS
（Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)
横向扩散金属氧化物半导体
简介
80年代以来，迅猛发展的超大规模集成电路技术给高压大电流半导体注入了 新的活力，一批新型的声控功放器件诞生了，其中最有代表性的产品就是 VDMOS声效应功率晶体管。这种电流垂直流动的双扩散MOS器件是电压控制型 器件。在合适的栅极电压的控制下，半导体表面反型，形成导电沟道，于是漏极 和源极之间流过适量的电流VDMOS兼有双极晶体管和普通MOS器件的优点。与 双极晶体管相比，它的开关速度，开关损耗小；输入阻抗高，驱动功率小；频率 特性好；跨导高度线性。特别值得指明出的是，它具有负的温度系数，没有双极 功率的二次穿问题，安全工作区大。因此，不论是开关应用还是线性应用， VDMOS都是理想的功率器件。 九十年代中后期开始大批量生产LDMOS,作为微波低端大功率(20W以上)器 件的主流技术, 2. 4GHz以下输出峰值可达到200W以上,年产量超过4亿美元。与 传统的双极型晶体管相比, LDMOS器件在2. 4GHz以下频段时,增益、线性度、开 关性能、散热性能、价格等方面都有着明显的优势。今后LDMOS将向更高频率、 更低成本方向发展,见表1。 现在，VDMOS器件已广泛应用于各种领域，包括电机调速、逆变器、不间 熠电源、开关电源、电子开关、高保真音响、汽车电器和电子镇流器等。由于 VDMOS的性能价格比已优于比极功率器件，它在功率器件市声中的份额已达 42%。并将继续上升。世界各大半导体厂商如Freescale公司(占全球市场60% )、 Philips公司(占全球市场25% )、Infineon公司以及STM公司等竞相研究与开发。
MOS器件物理(2)
饱和区MOS管的跨导与导纳
讨论2：
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
dI C 双极型三极管的跨导为： g m dV BE
VCE C
IC VT
，
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 要比双极型三极管的跨导小。
MOS管的电特性－输出特性（I/V特性）
MOS晶体管的输出电流－电压特性的经典描述是萨氏方程。 忽略二次效应，对于NMOS管导通时的萨氏方程为：
W 1 2 I D n C ox (VGS Vth )V DS 2 V DS L 2 K N 2(VGS Vth )V DS V DS
漏极电流随栅源电压的变化率，即：
I D gm VGS 2 K N VGS Vth
VDS C
2I D 2 KN ID VGS Vth
饱和区跨导的倒数等于深三极管区的导通电阻Ron
饱和区MOS管的跨导与导纳
讨论1：
在KN（KP）为常数（W/L为常数）时，跨 导与过驱动电压成正比，或与漏极电流ID的 平方根成正比。 若漏极电流ID恒定时，则跨导与过驱动电压 成反比，而与KN的平方根成正比。 为了提高跨导，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。
I D 2 K N VGS Vth VDS
上式表明在VDS较小时，ID是VDS的线性函数，即这时MOS管可 等效为一个电阻，其阻值为： VDS 1 Ron ID 2 K N VGS Vth
Cmos模拟电路基础
1Cmos 模拟电路基础(一)写这个文章的目的是为了这段时间的学习作个笔记，同时激励自己继续下去。
1，NMOS管的V-I特性非饱和区的I-V特性。
( 0 < Vds < Vgs – Vtn )Vd = u E其中，u为电子迁移率，E=V/l, 为导体内的场强。
Ids = 0.5*K*(W/L)*[2*(Vgs – Vtn)*Vds – Vds*exp2]其中，K为器件的跨导系数，K= u*Cox = （u*ε0*εox）/ tox用βn表示器件的增益系数，βn = K* （W/L）饱和区的I-V特性。
( 0 < Vgs - Vtn < Vds )随着Vds的增大，沟道漏端的导电层会减薄，当Vds = Vgs – Vtn时，它被夹断。
当Vds继续增大，夹断点向源端移动。
此时，沟道两端电压保持为（Vgs – Vtn），而Vds的增加部分落在夹断耗尽区内，Ids几乎不变。
如果夹断耗尽区的长度远小于L，忽略沟道长度的缩短，用Vgs – Vtn = Vds 带入得到饱和区的电流表达式为Ids = 0.5*K*(W/L)*[(Vgs – Vtn)*exp2]但是，当考虑沟道长度调制效应时，Ids = 0.5*K*(W/L)*[(Vgs – Vtn)*exp2]*（1+λ*Vds）试验证明，λ是沟道长度的线性函数。
截止区（Vgs – Vtn < = 0）Ids = 0.PMOS管的V-I特性，它的偏压与极性与NMOS相反。
但是，由于电子的迁移率与空穴的迁移率不等，前者是后者的2~3倍，因此，Kn= （2.0~3.0）Kp2，MOS管的小信号模型输入信号的幅度一般与电源电压相比很小，它在直流偏置工作点附近变化，可以近似认为器件工作在线性区间。
大信号可以确定器件的直流工作点，小信号可以用来设计器件和电路的性能。
对于在饱和区工作的mos，gm = K*(W/L)*(Vgs – Vtn)*（1+λ*Vds）其中，gm 是栅跨导gds = 1/rds = ( Ids *λ)/(1+λ*Vds ) =λIds其中，rds 是mos管的输出电阻。
MOS器件物理(1)
在截止时，耗尽区电容较大，故可忽略，因此 CGB=WLCox。
CSB与CDB的值相对于衬底是源漏间电压的函数
MOS管的电容随栅源电压的变化－饱和区
栅漏电容大约为：WCol。 漏端夹断，沟道长度缩短，从沟道电荷分布相当于 CGS增大，CGD减小，栅与沟道间的电位差从源区的 VGS下降到夹断点的VGS-Vth，导致了在栅氧下的沟 道内的垂直电场的不一致。可以证明这种结构栅源的 过覆盖电容的等效电容为： 2 WLCox /3 因此有：
CGS=2WLCox/3+ WCol
MOS管的电容随栅源电压的变化－线性区
漏源之间产生反型层并且沟道与衬底之间形成较厚的 耗尽层，产生较小的耗尽层电容，此时栅极电容为：
CGD = CGS = WLCox /2+ WCol 因为S和D具有几乎相等的电压，且栅电压变化ΔV就 会使相同的电荷从源区流向漏区，则其栅与沟道间的 电容WLCox等于栅源及栅漏间的电容。
MOS管的电特性
主要指：
阈值电压
I/V特性
输入输出转移特性
跨导等电特性
MOS管的电特性 －阈值电压（NMOS）
在漏源电压的作用下刚开始有电流产生时的VG为阈值电压Vth ：
Vth MS
Qb Qss Q b 2 f 2 f VFB Cox Cox Cox
无源器件：
模拟集成电路中常用的电阻、电容的结构及其特点。
等比例缩小理论； 短沟道效应及狭沟道效应； MOS器件模型。
有源器件－MOS管
结构与几何参数（1）
G G
tox
B p+ n+
S
D n+ p+
D
S p+ n阱 n+
mos管基极电压
MOS管基极电压详解一、MOS管的基本概念MOS管，即金属-氧化物-半导体场效应晶体管，是半导体器件中的一种重要类型。
其基本结构包括金属、氧化物和半导体三个部分。
在MOS管中，基极电压通过控制半导体中的电荷分布，进而控制电流的流动。
二、MOS管的基极电压基极电压是MOS管中一个非常重要的参数，它直接影响到MOS管的开关速度、驱动能力、功耗以及稳定性等性能。
适当的基极电压可以保证MOS管的正常工作，提高系统的效率和稳定性。
三、MOS管的伏安特性伏安特性是指电流和电压之间的关系。
在MOS管中，伏安特性表现为非线性关系。
当基极电压增加时，漏极电流也会增加。
这种特性使得MOS管具有高输入阻抗和低输出阻抗的优点。
四、MOS管的工作原理MOS管的工作原理是基于半导体中的电荷分布受电场控制而改变的原理。
当基极电压施加到半导体上时，会在半导体中产生一个电场，这个电场会改变电荷的分布。
当基极电压改变时，电场也会改变，从而改变电荷的分布，进而改变电流的流动。
五、MOS管的开关特性MOS管具有高速开关特性，可以在非常短的时间内完成开关动作。
当基极电压改变时，MOS管可以迅速地开启或关闭，从而实现高速开关动作。
这种特性使得MOS管在许多电子设备中得到广泛应用。
六、MOS管的热稳定性热稳定性是指电子设备在高温条件下保持正常工作的能力。
在MOS管中，热稳定性取决于其制造工艺和材料选择。
高质量的制造工艺和材料选择可以保证MOS管在高温条件下保持稳定的工作状态。
七、MOS管的可靠性可靠性是指电子设备在长时间使用过程中保持正常工作的能力。
在MOS管中，可靠性取决于其制造工艺和材料选择以及使用环境。
高质量的制造工艺和材料选择可以保证MOS管的可靠性。
同时，正确的使用和维护也可以提高MOS管的可靠性。
八、MOS管的制造工艺制造工艺是指制造电子设备所采用的技术和方法。
在MOS管的制造过程中，需要采用先进的制造工艺和技术以确保其质量和性能。
第5讲 MOS管阈值电压和IV讲解
记忆方法：“体相当于另一个栅，VBS与VGS 对ID的作用方向相同”【拉扎维】。
问题：ID1与ID2哪个大？
Id1
Id2
5V G
vg
D
S 4V
vs
5V vd
2V G
vg
D
S 1V
vs
2V vd
MOS管IV特性方程
IV特性即ID与VGS和VDS之间的方程
线性区
B
漏
C
Xd
N+
D
-Q´b（栅氧化层下方电荷） -VSB
推导思路
如何使栅氧化层与半导体接触面的表面势与 衬底材料的静电势大小相等，方向（符号） 相反。
NMOS管的体（P型）的静电势为
V fp
Ei
E fp q
kT ln q
NA ni
使表面势为-Vfp（正数）需要施加的栅源电 压即阈值电压。
dV dy
接上页
ID dy W n QI ( y) dV
ID dy W n Cox VGS V ( y) VTHN dV
定义跨导参数
KPn n Cox
ID
L
0 dy W KPn
VDS 0
VGS
V ( y) VTHN
dV ( y)
积分后得到线性区方程
线性区方程
如果该小块沟 道中电子总数 为N，则单位面 积电荷为
dy
QI
(
y
)
W
N dy
q
单位面积电荷可由单位面积电容和电压得出
Y点附近单位面积栅氧化层、沟道和耗尽层中中的电 荷为的电荷。
VGS V(y)
0
多晶
SiO2 沟道中的电子
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
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)
MOSFET的主要参数一、直流参...
vDS较小时, iD随vDS升 高而迅速增大.
vDS增加到使 vGD=vGS-vDS =VT时 为预夹断, iD达到 饱和.
vDS继续增加使 vGD=vGS-vDS <VT , 夹断 区延长, vDS的增大部分 几乎全部用于克服夹 断区对iD的阻力,使iD基 本保持恒定不变.
2. 夹断电压VP或VGS(off) （耗尽型参数）
3. 饱和漏极电流IDSS （耗尽型参数）
4. 直流输入电阻RGS （109Ω～1015Ω ）
二、交流参数 1. 输出电阻rds
rds
vDS iD
Q
反映vDS对iD的影响，是输出 特性曲线上某工作点处的切
线斜率的倒数。
在饱和区，rds的值较大。
NMOS增强型：rds
V-I 特性方程：
iD Kn [2(vGS VT ) vDS vD2 S ]
其中电导常数
Kn
nCox
2
W L
vDS较小时，上式可近似为
iD 2Kn (vGS VT ) vDS
rdso
dvDS diD
vG S常数
1 2Kn (vGS
VT )
2V
rdso是一个受vGS控制的可变 电阻,且vGS增大 rdso减小
32
小信号模型分析
（1）MOSFET小信号模型的建立（=0）
iD +
+
v DS
v-GS
-
iD Kn (vGS VT )2 Kn (VGSQ vgs VT )2 Kn[(VGSQ VT ) vgs]2
Kn (VGSQ VT )2 2Kn (VGSQ VT )vgs Knvg2s
第5讲 MOS管阈值电压和IV讲解
对于长沟道MOS管
VDS ,sat ? VGS ? VTHN
简化饱和区方程
当VDS,sat较小时可简化为
ID
?
KPn 2
?W L
(VGS
? VTHN )2 (1 ? ? VDS )
短沟道MOS管
? 问题： (1)对短沟道MOS管这些公式适用吗？ (2)如何获取KPn? (3)如果不适用，怎么办？
阈值电压与VBS关系曲线
体电位的作用
? 记忆方法：“体相当于另一个栅，VBS与VGS 对ID的作用方向相同”【拉扎维】。
问题：ID1与ID2哪个大？
Id1
Id2
5V G
vg
D
S 4V
vs
5V vd
2V G
vg
D
S 1V
vs
2V vd
MOS管IV特性方程
IV特性即ID与VGS和VDS之间的方程
考虑沟道中间的一
W
个小块的平面图。
如果该小块沟 道中电子总数 为N，则单位面 积电荷为
dy
QI?( y)
?
N W ?dy
q
单位面积电荷可由单位面积电容和电压得出
Y点附近单位面积栅氧化层、沟道和耗尽层中中的电 荷为的电荷。
VGS V(y)
0
多晶
SiO2 沟道中的电子
耗尽层 衬底
电荷
Qc?h ( y) ? CO?X ?VGS ? V ( y)?
S
G
N+ 耗尽层 P衬底
+ VDS
ID
D
Xdl
N+
耗尽层
引入沟道长度调制系数的修正
沟道夹断后，ID随VDS增加的原因是有效沟道长
mos管特性曲线
mos管特性曲线MOS管特性曲线是以晶体管（MOS）为研究对象的一类特性曲线，是电子设计工程师在进行电子产品设计时必须熟悉的基本概念。
MOS管特性曲线是基于MOS管的特性进行曲线拟合，其中包括输入端与输出端特性曲线、电源抑制特性曲线、信号耗散特性曲线，噪声特性曲线等。
MOS管是一种特殊的晶体管，它比其他晶体管具有更佳的电气特性，它的特点是在双极性输入情况下，被控制的输出电流的流量大小取决于输入电压。
因此，MOS管又可以称为“电压控制电流”管型。
MOS管特性曲线是用来反映MOS管特性变化规律，它以曲线形式表示MOS管电路中各参数之间的关系。
它可以帮助工程师更好地了解MOS管的特性，从而能够更好地发挥MOS管的性能。
MOS管特性曲线主要分为输入端特性曲线、输出端特性曲线和信号耗散特性曲线三种。
输入端特性曲线是指MOS管的输入端特性变化的曲线图。
通常情况下，MOS管的输入端电压处于正偏移和负偏移之间，V1和V2分别代表正偏移电压和负偏移电压。
输入端特性曲线的特点是：在正偏移电压V1下，随着输入电压Vin的增大，输出电流Iout减小；当输入电压Vin=V1时，输出电流Iout达到最大值；在负偏移电压V2下，随着输入电压Vin的增大，输出电流Iout增大。
输出端特性曲线表示MOS管的输出端特性变化的曲线图。
在输出端特性曲线中，输出电压Vout变化范围由VddVss决定。
在介于Vdd 和Vss之间，输出电压Vout是随着输入电压Vin的变化而变化的。
如果输入电压Vin越低，输出电压Vout越高；反之，输入电压Vin越高，输出电压Vout越低。
信号耗散特性曲线是MOS管输出电压Vout随电源电压Vdd变化的曲线图。
这里，输出电压Vout会随电源电压Vdd而变化，其特点为Vout减小而Vdd增大。
信号耗散特性曲线中，电源电压Vdd通常取值范围从正偏移电压V1到负偏移电压V2，输出电压Vout的变化范围则随Vdd的变化而变化。
mos管的二极管等效电路
mos管的二极管等效电路建立mos管的二极管等效电路时，我们需要了解mos管的基本原理以及它与普通二极管之间的区别。
本文将详细介绍mos管的工作原理、mos 管与二极管的差异、mos管的等效电路以及如何建立mos管的二极管等效电路。
首先，我们将介绍mos管的工作原理。
MOS场效应管（MOSFET）是一种三端器件，它由门极（G）和源极（S）以及漏极（D）组成。
控制电压通过在栅极上施加，而电流在漏极和源极之间流动。
MOS管的基本工作原理包括栅极电压控制漏极源极电流、漏极源极电压控制漏极电流以及漏极电流被源极电流控制。
与普通二极管相比，mos管有着显著的不同之处。
首先，mos管是一种双极性器件，可以同时用作n沟道和p沟道。
其次，mos管的主要控制信号是栅极电压，而不是二极管中的偏置电流。
此外，mos管的导通和截止电压范围更广，其可以控制的电流也更大。
因此，我们必须采取不同的方法来建立mos管的二极管等效电路。
建立mos管的二极管等效电路的第一步是确定mos管的漏极源极电压与漏极电流之间的关系。
为此，我们可以通过制作一个输入输出特性曲线（也称为I-V特性曲线）来验证这一点。
通过不同的栅极电压和不同的漏极源极电压，我们可以获得不同的漏极电流值。
通过对这些值进行分析，我们可以找到漏极源极电流与漏极电流之间的关系。
第二步是找到mos管的驱动条件和关键参数。
这些参数包括漏极电流的初始值、工作电压范围以及栅极电压的变化范围。
通过确定这些参数，我们可以为二极管等效电路提供基本的输入和输出条件。
第三步是建立mos管的二极管等效电路。
mos管的等效电路通常包括一个二极管连接到源极和漏极之间，栅极以及其他电源或负载。
在此等效电路中，漏极电流由二极管的伏安特性决定，而栅极电压由外部电路提供。
通过调整栅极电压和其他控制参数，我们可以模拟mos管的行为。
最后是验证mos管的二极管等效电路的正确性。
这可以通过比较等效电路的输出与实际mos管的输出来实现。
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。
MOS管i-v特性
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( vGS ＞V T )式中I DO 是v GS =2V T 时的漏极电流i D 。
2.参数2GS DOD)1(-=TV v I iMOS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。
mos管的电压关系
MOS管的电压关系1. 介绍MOS管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）是一种常用的半导体器件，广泛应用于电子电路中。
了解MOS管的电压关系对于设计和分析电路至关重要。
本文将深入探讨MOS管的电压关系。
2. MOS管的结构MOS管由三个主要部分组成：栅极（Gate）、漏极（Drain）和源极（Source）。
栅极与漏极、源极之间通过绝缘层（通常是氧化硅）隔离。
3. MOS管的工作原理MOS管的工作原理是基于栅极电压对漏极和源极之间的电流控制。
当栅极电压变化时，会改变绝缘层下面的电荷分布，从而影响漏极和源极之间的电流。
4. MOS管的电压参数MOS管的电压参数包括栅极电压（Vgs）、漏极电压（Vds）和源极电压（Vss）。
这些电压参数在MOS管的工作中扮演着重要的角色。
4.1 栅极电压（Vgs）栅极电压是指栅极与源极之间的电压差。
它决定了绝缘层下面的电荷分布，从而控制漏极和源极之间的电流。
当栅极电压为正时，MOS管处于导通状态；当栅极电压为负时，MOS管处于截止状态。
4.2 漏极电压（Vds）漏极电压是指漏极与源极之间的电压差。
它决定了MOS管中的电场分布和漏极电流的大小。
当漏极电压小于栅极电压时，MOS管处于饱和区，此时漏极电流基本保持不变；当漏极电压大于栅极电压时，MOS管处于线性区，此时漏极电流随漏极电压的增大而线性增加。
4.3 源极电压（Vss）源极电压是指源极与地之间的电压差。
它对MOS管的工作没有直接影响，但在分析和设计电路时需要考虑。
5. MOS管的电压关系MOS管的电压关系可以通过绘制电流-电压（I-V）特性曲线来描述。
下面将分别讨论栅极电压、漏极电压和源极电压对MOS管的影响。
5.1 栅极电压对MOS管的影响栅极电压的变化会改变绝缘层下面的电荷分布，从而影响漏极和源极之间的电流。
当栅极电压为正时，电流增大；当栅极电压为负时，电流减小。
双向可控mos管
双向可控mos管摘要：I.简介- 双向可控mos管的定义- 作用II.结构和工作原理- 结构- 工作原理III.特性- 电压控制- 电流控制- 输入阻抗- 输出阻抗IV.应用领域- 电子设备- 通信设备- 计算机V.发展趋势- 技术进步- 市场需求- 未来展望正文：I.简介双向可控mos管，是一种半导体器件，具有双向导通特性，可以控制电路中的电流流动方向。
它广泛应用于各种电子设备、通信设备和计算机等领域。
II.结构和工作原理双向可控mos管主要由源极、漏极和栅极三个端口组成。
当栅极施加正向电压时，源极和漏极之间的电阻变小，从而形成导通状态；当栅极施加反向电压时，源极和漏极之间的电阻变大，从而形成截止状态。
III.特性双向可控mos管具有以下特性：- 电压控制：栅极电压可以控制双向可控mos管的导通和截止，具有较好的可控性。
- 电流控制：源极和漏极之间的电流可以控制双向可控mos管的导通程度，具有较高的电流控制精度。
- 输入阻抗：双向可控mos管的输入阻抗较高，可以减小电路中的信号干扰。
- 输出阻抗：双向可控mos管的输出阻抗较低，可以提高电路的驱动能力。
IV.应用领域双向可控mos管广泛应用于以下领域：- 电子设备：如电源、放大器、开关等。
- 通信设备：如信号放大器、功率放大器、开关电源等。
- 计算机：如显卡、主板、电源等。
V.发展趋势随着科技的进步和市场需求的不断提高，双向可控mos管的发展趋势如下：- 技术进步：随着制造工艺的不断发展，双向可控mos管的性能将不断提高，尺寸将不断缩小。
- 市场需求：随着新能源、物联网、人工智能等领域的快速发展，对双向可控mos管的需求将不断增加。
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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<v GS<0的情况下均能实现对iD的控制，而且仍能保持栅-源极间有很大的绝缘电阻,使栅极电流为零。
这是耗尽型MOS管的一个重要特点。
图(b)、(c)分别是N沟道和P沟道耗尽型MOS管的代表符号。
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。