MOS场效应晶体管2000001
mosfet半导体场效应晶体管mos管
主题：mosfet半导体场效应晶体管mos管一、介绍mosfet半导体场效应晶体管的基本概念mosfet（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor），即金属-氧化物-半导体场效应晶体管，是一种广泛应用于集成电路的半导体器件。
它由一段导电性较好的半导体材料形成的栅极和绝缘层构成，其结构与普通的晶体管有明显的不同，能够更好地控制电流。
二、mosfet半导体场效应晶体管的工作原理mosfet的工作原理主要包括局部场效应和接近场效应两种。
在局部场效应下，由于外加电压改变了栅极电场，从而控制了导通道的电荷密度；而在接近场效应下，则是通过改变栅极与半导体之间的电荷耦合来控制导通道。
这些原理使得mosfet在电子器件中大放异彩，成为了当今电子工业中不可或缺的一部分。
三、mosfet半导体场效应晶体管的特点和优势1. 高输入电阻：由于mosfet的栅极与通道之间的绝缘层，其输入电阻远高于普通晶体管，可降低输入功率。
2. 低输入电流：mosfet的控制方式与普通晶体管不同，可以通过改变栅极电场来控制电流，因此输入电流较低。
3. 低噪声：由于mosfet的工作原理，其本身产生的噪声很小，能够更好地保持信号的清晰度。
4. 大功率放大：mosfet在电子器件中功率放大的性能较好，能够适用于不同功率的应用场景。
四、mosfet半导体场效应晶体管的应用范围1. 集成电路：mosfet因为其体积小、功耗低、性能高等特点，被广泛应用于各类集成电路中，如微处理器、存储器等。
2. 功率放大器：mosfet在功率放大器中的应用也非常广泛，其高功率放大、低噪声等特点使得其成为了功率放大器的首选器件。
3. 波形整形电路：由于mosfet对信号的响应速度很快，能够在一定程度上实现波形的整形和放大，因此也被应用在波形整形电路中。
4. 逻辑电路：mosfet的工作原理使得其在逻辑电路中有较好的应用效果，能够实现快速开关和逻辑运算等功能。
MOS场效应晶体管
• 从衬底引出的电极
– 衬底极（Bulk or Substrate）
• 区域划分：
– 有源区 ——源区、漏区和栅区 – 场区 ——有源区以外的区域
沟道长度
L w
二、MOSFET工作原理 （NMOS为例）
1、未施加电压
图1 P 型半导体
2、表面电荷减少(施加正电压)
3、形成耗尽层（继续增大正电压）
耗尽层（高阻区）
4
§3.2 MOSFET的阈值电压
• 半导体的表面状态 • 阈值电压的表达式 • 影响阈值电压的因素
一、半导体的表面状态
VG = ?
二、阈值电压的表达式
• 阈 电压 VT 的定义： – Si/SiO2界面半导体一侧刚达到强反型 时的栅源电压。 • 推 导阈 电压的基本假定 – 长沟、宽沟器件（忽略边缘效应） – 衬底均匀掺杂 – SiO2层中电荷QOX分布在Si/SiO2界面的 SiO2一侧 – 强反型近似成立
G S
四、MOSFET 的输出特性和转移特性
1. 输出 特性
NMOS
增强型 p n+ 电子 >0 D→ S S→ D >0
D B G S
PMOS
增强型 N p+ 空穴 <0 S→ D S→ D <0
D B G S
耗尽型
耗尽型
饱和区 线性区
击穿区
<0
D B G
>0
D B S
IDS ~ V DS（ VGS为参量 ） NMOS（ 增 强型）
§3.1 MOS晶体管的基本工作原理
• MOS晶体管的结构 • MOS晶体管的工作原理 • MOS晶体管的分类和符号
一、MOSFET的结构
场效应晶体管的主要参数
场效应晶体管的主要参数嘿，朋友们！今天咱们来聊聊场效应晶体管那些重要的参数，这可有意思啦！咱先来说说夹断电压。
这夹断电压就好像是一个门槛，低于它，场效应晶体管这扇门就关得紧紧的，电流想过去那可没门儿！你想想，要是这门槛设得不合适，那整个电路不就乱套啦？再讲讲开启电压。
它就像是一把钥匙，达到这个电压，晶体管这扇神奇的大门才会为电流敞开。
要是开启电压不准确，那不就像钥匙对不上锁孔，怎么都打不开宝藏的大门嘛！漏极饱和电流也不能忽略。
这就好比是一条河的流量，流量大了小了都会影响下游的情况。
电流太大，可能会让电路承受不住；太小呢，又达不到咱们想要的效果，多让人头疼啊！还有直流输入电阻，它就像是电路中的一道关卡，电阻大了，电流通过就困难重重；电阻小了，又好像关卡没了作用，随便啥电流都能畅通无阻，那可不行！栅源极间的电容也很关键哟！这电容就像一个小水库，存多了存少了都会影响水流的速度和稳定性。
电容太大，信号传递就变得慢吞吞；太小呢，又不能很好地储存能量，是不是很麻烦？场效应晶体管的跨导也得重视起来。
跨导就像是电流的向导，它决定了输入电压对输出电流的控制能力。
跨导强，控制起来就得心应手；跨导弱，就像向导迷了路，电流也跟着不知所措。
最后说说最大耗散功率。
这就像是人的体力上限，超过了这个上限，晶体管可就累垮啦，甚至会“罢工”！所以得清楚它的最大耗散功率，可别把它累坏咯！总之，场效应晶体管的这些参数就像一场精彩戏剧里的各个角色，每个都有着至关重要的作用。
只有把它们都了解清楚，才能让场效应晶体管在电路的舞台上大放异彩，为我们的电子世界带来奇妙的变化！。
白底9第9章MOS场效应晶体管
9-2-4 短、窄沟道效应对阈值电压的影响2
窄沟道效应 现象：图1-1-9, W方向，电场的边缘效应使W增加 分析：耗尽层体积增加--使栅压控制的耗尽层电荷增加--使阈值电压增加 公式：1-2-30 其它 场区注入使Vt增加 漏感应势垒降低效应使Vt下降 综合公式：1-2-31
9-3 电流方程
MOS晶体管的瞬态特性
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9-1，MOS晶体管工作原理
01
02
03
04
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9-1-1 MOS晶体管的基本结构 MOS晶体管--- MOSFET,金属-氧化物-半导体场效应晶体管 基本结构：源区，漏区，沟道区,图1-1-2，图1-1-1, 主要结构参数： 沟道长度（1-1-2,栅极图形沟道长度poly,实际沟道长度S-D） 沟道宽度W (1-1-3, W= W1 +W2 +W3) 栅氧化层厚度tox 源漏区结深 Xj （见图1-1-1 ）
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9-2-2 体效应对阈值电压的影响
Vbs不是0时，产生体效应。
1
例：对 nmos管 Vbs <0，源和漏PN结反偏-- QBm 增加--阈值电压增加
计算：公式1-2-11和1-2-13（下页）
理论结果： Vbs增加，则阈值电压增加 衬底浓度增加，则阈值电压增加
实验结果：图1-2-1
1，材料： 金属类型фMS ，氧化层中的电荷QOX 半导体沟道区掺杂浓度NA 半导体材料参数 ni ; εi 2，氧化层厚度：越厚则阈值电压越大 衬底参杂高，则阈值电压越大 3，温度：温度上升，阈值电压下降 4，和器件的横向尺寸无关 调整考虑： 降低。以便降低芯片耗电。 控制器件类型 平衡对偶器管子（CMOS）
MOS场效应晶体管
在平带条件下对应的总电容称为MOS 结构的平带电容CFB
CFB
tOX
OX0
1 2
OSX
LD
右图表示了P型半 导体MOS结构的理 想C-U曲线
MOS电容-电压曲线
4.1.2 实际MOS 结构及基本特性
几种影响理想MOS结构的特性 1.功函数差的影响
左图为几种主要硅栅极材料 的功函数差随浓度的变化
BU GSEOX (matxO)X 实际MOS场效应晶体管栅-源之间的击穿电压，将比 上式的计算值更低。
4.4.4 输出特性曲线与直流参数
Ⅰ区：非饱和区。 Ⅱ区：饱和区。 Ⅲ区：雪崩区。 Ⅳ区：截止区。
MOS场效应晶体管的完整输出特性曲线
不同USB值下的MOSFET输出特性曲线 a) USB=0V b) USB=1V c) USB=2V d) USB=4V
IDS U G SU TUDS 1 2UD2S
3. 饱和区的伏安特性
IDsat 12UGSUT 2
饱和时沟道电荷和电场分布
线性工作区对应上图的直线段1 非饱和区对应与曲线上的段2 饱和区则对应于曲线上的段3
4.4.2 亚阀区的伏安特性
当栅极电压UGS稍低于阀值电压UT，甚至UGS=0时，在栅 氧化层正电荷作用下，栅下P型半导体的表面很可能处于 弱反型状态，沟道中仍有很小的漏电流通过。
通常将栅源电压低于阀值电压，器件的工作状态处于亚阀 值区，流过沟道的电流成为亚阀值电流。
弱反型时亚阀值电流由下式给出
IDSqW qETS Dn
L1nP0eqTUS
1eqUTDS
Wn
L
qT2q2q0NAU S S
1
2
ni2 NA
q US
MOS场效应晶体管课件
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。
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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
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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。
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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。
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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
mos场效应晶体管
mos场效应晶体管
Mos场效应晶体管是一种由晶体管和一组极性电极组成的可控制的电晶体元件，它的构造有着三个基本构元：主要是活塞片，源极和漏极。
Mos场效应晶体管是半导体电子器件中的重要一部分，它由两个栅极桥式构成，由垂直排列的源极，漏极，活塞片和双栅极构成，通过改变活塞片的位移来改变电路参数，以实现对电路的控制，是工业等领域应用十分广泛的半导体元件。
它具有较低的截止电压，低风险，高稳定性，低功耗，高可靠性等优点，适用于低功耗、放大、抑制、调节等电路应用。
MOS场效应晶体管
分类
Junction type Field Effect Transistor
场 效 应 管
结型场效应三极管JFET 结型场效应三极管
N沟道 沟道 P沟道 沟道
绝缘栅型场效应三极管IGFET 绝缘栅型场效应三极管 Insulated Gate Field Effect Transistor
特性曲线
vG S 2 i D = I D SS (1 ) VP
vGD = vGS - vDS = VP
(a) N沟道结型 沟道结型FET 沟道结型 输出特性曲线
(b) N沟道结型 沟道结型FET 沟道结型 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
漏源电压对沟道的控制作用
出现预夹断后， 漏电流I 也增大。此时由于存在沟道电阻， 继续增大时，夹断长度会自上向 出现预夹断后 ， 当 VDS 继续增大时 此时由于存在沟道电阻 ， 当 VGS=0,VDS增大时 ， 漏电流 D也增大 。，时，d端 继续增大到使V -V漏电流I 端 当V增大时， 继续增大到使VGS，漏电流 =0 DS V =0,V =0时 端与栅极间的反压最高， DS=VP 当 GS 时 端与栅极间的反压最高，沿着 将使沟道内电位分布不均匀，其中d端与栅极间的反压最高 将使沟道内电位分布不均匀，其中 下延伸， 下延伸 ， 但从源极到夹断处的沟道上沟道电场基本不 DS D 附近的沟道被夹断，这称为“ 附近的沟道被夹断，这称为“预夹 沟道向下逐渐降低，源端最低，从而使耗尽层成楔形分布。 沟道向下逐渐降低，源端最低DS增加而上升，趋于饱和值。 变化， 基本不随V 增加而上升，趋于饱和值。 随VDS变化，ID基本不随V ，从而使耗尽层成楔形分布。 断”。
场效应晶体管的结构工作原理和输出特性
场效应晶体管的结构工作原理和输出特性场效应晶体管（Field Effect Transistor，缩写为FET）是一种用于放大和开关电路的电子元件。
它具有高输入阻抗、低输出阻抗和较高的增益，使其在电子设备和通信系统中得以广泛应用。
本文将详细介绍场效应晶体管的结构、工作原理和输出特性。
一、场效应晶体管的结构1. MOSFET：MOSFET是栅极金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）的简称。
它由一个由绝缘层隔开的金属栅极、半导体材料（通常为硅）和源/漏极组成。
栅极与绝缘层之间的绝缘层可以是氧化硅（SiO2）或氮化硅（Si3N4）。
MOSFET根据绝缘层材料和极性的不同，可分为N沟道（NMOS）和P沟道（PMOS）两种类型。
2. JFET：JFET是结型场效应晶体管（Junction Field-Effect Transistor）的简称。
它由一个P型或N型半导体形成的结和源/漏极组成。
P型JFET的源极和漏极为P型半导体，N型JFET的源极和漏极则为N型半导体。
JFET有两种常见的结构类型：沟道型和增强型，分别以n-沟道和p-沟道为特征。
二、场效应晶体管的工作原理1.MOSFET工作原理：(1) NMOS：当栅极电压为正，使NMOS栅极与源极之间的管道有效导通，称为“开通”（On）状态。
栅极电势改变PN结的反向电场，使电子进入N沟道并导致漏极电流增加。
当栅极电压为零或负值时，NMOS处于截止（Off）状态，电子无法流动，漏极电流接近于零。
(2)PMOS：当栅极电压为负值，使PMOS栅极与源极之间的管道导通，称为“开通”状态。
栅极电势改变PN结的反向电场，使空穴进入P沟道并导致漏极电流增加。
当栅极电压为零或正值时，PMOS处于截止状态，空穴无法流动，漏极电流接近于零。
2.JFET工作原理：(1)沟道型JFET：沟道型JFET的栅极电势改变了PN结的反向电场，调节了P沟道中的电子浓度。
《场效应晶体管》课件
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
二维mos场效应晶体管的结构
二维mos场效应晶体管（二维MOSFET）作为一种重要的半导体器件，具有结构简单、成本低廉、功耗小、速度快等优点，在电子行业得到广泛应用。
其结构设计和制造工艺对器件性能有着重要的影响。
本文将介绍二维MOSFET的结构设计及相关特点。
二、二维MOSFET的结构1. 二维MOSFET的基本结构二维MOSFET是由衬底、栅极、绝缘层和沟道层组成的。
衬底通常为p型或n型半导体材料，而栅极通常是金属或多晶硅制成的。
绝缘层位于衬底上，用于隔离栅极与衬底，常见的材料包括氧化硅或氮化硅。
沟道层是二维材料，如石墨烯或硅基石墨烯，用于传输载流子。
2. 二维MOSFET的工作原理当在栅极上施加正电压时，栅极下方的绝缘层中会形成正电荷，吸引衬底中的自由电子或空穴移动至沟道层，形成导通通道。
当施加负电压或不施加电压时，形成截至通道，器件关闭。
三、二维MOSFET的特点1. 尺寸小由于二维MOSFET采用了二维材料作为沟道层，其尺寸相比传统MOSFET得到了极大的缩小，可实现微米甚至纳米级的尺寸。
二维材料具有高载流子迁移率，使得二维MOSFET具有较快的开关速度和传输速度，适合高频应用。
3. 低功耗由于二维MOSFET的结构精简，功耗较低，可有效降低设备使用过程中的能量消耗。
4. 制造成本低制备二维材料的成本相对较低，而且制造工艺相对简单，使得二维MOSFET的制造成本大大降低。
4. 对二维材料的要求二维MOSFET对沟道层的材料要求严格，需要具有高载流子迁移率、较大电子迁移长度等特性。
目前广泛应用的二维材料包括石墨烯和硅基石墨烯。
五、结论二维MOSFET作为一种新型的场效应晶体管，具有结构简单、速度快、功耗低等优点，成为未来半导体器件行业的研究热点之一。
在实际应用中，对二维材料的研究和制备工艺的不断改进将进一步推动二维MOSFET技术的发展。
二维MOSFET的结构设计和制造工艺对其性能具有重要影响。
随着二维材料领域的不断创新和发展，相信二维MOSFET将在未来的电子器件领域大放异彩。
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场效应管
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.
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.见下图 :
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.
5.常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.
MOS管工作原理---什么叫mos场效应管（一)
1.概念:
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（100000000～1000000000Ω）、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.
4.1_MOS场效应晶体管的结构工作原理和输出特性
B
N沟道增强型MOSFET的符号如
左图所示。左面的一个衬底在内部与
S
源极相连，右面的一个没有连接，使
用时需要在外部连接。 动画2-3
4.1.2 N沟道增强型MOSFET的工作原理
对N沟道增强型MOS场效应三极管的工作原理，分两个方面进行
讨论，一是栅源电压UGS对沟道会产生影响，二是漏源电压UDS也会对 沟道产生影响，从而对输出电流，即漏极电流ID产生影响。
3. N沟道增强型MOSFET的特性曲线
N沟道增强型MOSFET的转移特性曲线有两条，转移特性曲线和漏
极输出特性曲线。
1．转移特性曲线 ID/ m A
N沟道增强型MOSFET的转移特 性曲线如左图所示，它是说明栅源电
U DS 10V
压UGS对漏极电流ID的控制关系，可
4
用这个关系式来表达，这条特性曲线
S iO 2
取一块P型半导体作为衬底，用 B表示。
用氧化工艺生成一层SiO2 薄膜 绝缘层。
然后用光刻工艺腐蚀出两个孔。
扩散两个高掺杂的N型区。从而 形成两个PN结。（绿色部分）
B
从N型区引出电极，一个是漏极
D，一个是源极S。
D
B
G
G
精选可编辑ppt
S
7
D
在源极和漏极之间的绝缘层上镀
一层金属铝作为栅极G。
⑥ 最大漏极功耗PDM
最大漏极功耗可由PDM= VDS ID决定，与双极型 三极管的PCM相当。
精选可编辑ppt
25
(2)场效应三极管的型号
场效应三极管的型号, 现行有两种命名方法。其一是与 双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代 表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反 型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如, 3DJ6D是结型N沟 道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三管。
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
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）
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Cox tox tox
通常， ox=3.98.85410-4 F/cm2；A 是面积，单位 是cm2；tox是厚度，单位是cm。
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MOS电容—SiO2和耗尽层介质电容
2）当Vgs>0时，栅极上的正电荷排斥了Si中的空穴， 在栅极下面的Si表面上，形成了一个耗尽区。
tox
Vds
VgeVds = '. 栅极-沟道间 0 L
2
ox W
tox tox
氧化层介电常数,
1 (Vgs VT Vds )Vds L 2 1 2 Vgs VT Vds Vds L 2
' = 4.5, 0 = 0.88541851.10-11 C.V-1.m-1
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MOSFET特性曲线
在非饱和区 I ds Vds C a1Vgs b1 线性工作区
在饱和区
Ids 线性区
I ds a2 Vgs VT
2
(Ids 与 Vds无关) . MOSFET是平方律器件!
饱和区 击穿区
0
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Vds
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5.1.2 MOSFET电容的组成
µ n = 650 cm2/(V.s) 电子迁移率(nMOS) µ p = 240 cm2/(V.s) 空穴迁移率(pMOS)
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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 L
2
oxWL
耗尽区中没有可以自由活动的载流子，只有空穴被赶走 后剩下的固定的负电荷。这些束缚电荷是分布在厚度 为Xp 的整个耗尽区内，而栅极上的正电荷则集中在栅 极表面。这说明了 MOS电容器可以看成两个电容器的 串联。 以SiO2为介质的电容器——Cox 以耗尽层为介质的电容器——CSi 1 总电容C为:
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MOSFET的三个基本几何参数
poly-Si G D W S
Lmin、 Wmin和 tox 由工艺确定 Lmin： 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
diffusion L
tox
p+/n +
通常选取L= Lmin，由此，设计者只需选取W
W影响MOSFET的速度，决定电路驱动能力和功耗 2019/1/29
2
p+/n +
栅长: L 栅宽: W 氧化层厚度: tox
n(p)
MOSFET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 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， Q=CVge
1 1 C C C Si ox
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比原来的Cox要小些。
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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: 1 1 2 利用泊松公式 qNA Si Si 式中NA是P型衬底中的 掺杂浓度，将上式积分 1 qN A 2 ' qN A dxdx Xp 得耗尽区上的电位差 ：
式中Vge是栅极有效控制电压。
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电荷在沟道中的渡越时间
非饱和时，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
MOS的伏安特性
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：
Vge是栅级对衬底的有效控制电压 其值为栅级到衬底表面的电压减VT
ox W
1 with Vge Vgs VT Vds 2
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MOS的伏安特性—漏极饱和电流
当Vgs-VT=Vds时，满足:
dIds 0 dVds
2 tox L
Ids达到最大值Idsmax， 1 ox W 2 I V V 其值为 dsmax gs T Vgs-VT=Vds， 意 味 着 近 漏 端 的 栅 极 有 效 控 制 电 压 Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT = Vgd-VT =0 感应电荷为 0 ，沟道夹断，电流不会再增大，因而， 这个 Idsmax 就是饱和电流。
5.1 MOS场效应管
5.1.1 MOS管伏安特性的推导
两个PN结： 图 5.1 1）N型漏极与P型衬底； 2）N型源极与P型衬底。 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。 一个电容器结构： 栅极与栅极下面的区域形成一个电容器，是 MOS 管的核 心。
Si
Si
从而得出束缚电荷层厚度
Xp
2 Si q NA
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MOS电容 —耗尽层电容
这时，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
它是耗尽层两侧电位差的函数，因此，耗尽层 电容为，