MOS晶体管基础
MOS晶体管基本特性表征
0.00025 0.0002
Vgs=0.3V Vgs=0.6V Vgs=0.9V Vgs=1.2V Vgs=1.5V
0.00015
线性区
0.8 1 1.2 Vg(V)
Ion
饱和区
Ids (A)
0.0001
• MOSFET最主要的特性曲线为Id-Vg, Id-Vd曲线. 特别是Id-Vg;
0.00005
Ids (A)
5.00E-03 4.00E-03 3.00E-03 2.00E-03
1.00E-12 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Vgs (V)
1.00E-03
0.00E+00 0
Id (A)
Id (A)
Vt2@1E-7*W/L
Vd=-0.1V Vd=-1.2V
5.00E-03
1. 沟道越短，DIBL越大；
2. DIBL有时会表现为亚阈摆幅增大, 即 增加Ioff;
1.00E-05 1.00E-06
3. DIBL会降低输出电阻, 使器件用于模 拟电路特性变差, 用于数字电路速度下 降.
1.00E-07 1.00E-08 1.00E-09
1.00E-02
0
0.15um LV,
4.00E-03 3.00E-03
Vd=-0.1V Vd=-1.2V
2.00E-03
1.00E-03
0.00E+00
0.2
0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
MOSFET Basic Characterization
(MOS晶体管基本特性表征)
Wenyu Gao 2020/04/18
mos晶体管构造
mos晶体管构造
MOS晶体管是一种金属-氧化物-半导体结构的晶体管。
它由金属电极、氧化物层和半导体层构成。
具体构造如下：
1. 基底：MOS晶体管的基底一般由P型或N型半导体材料制成。
基底上通常还有N型或P型掺杂区域，用于形成晶体管的源极和漏极。
2. 掺杂区域：在基底上进行掺杂，形成N型或P型掺杂层。
这些掺杂区域在晶体管中起到控制电流流动的作用。
3. 介电层：在掺杂区域上面涂覆一层氧化物(通常是SiO2)作为绝缘层。
介电层具有绝缘性，用于隔离金属电极和半导体层。
4. 金属电极：在氧化物层上覆盖金属电极，常用的金属是铝(Al)或铜(Cu)。
金属电极用于控制晶体管的工作状态。
5. 门极：金属电极中的一部分，被称为门极。
门极通过控制施加在它和基底之间的电压，改变掺杂区域中的电荷分布，从而控制晶体管的导电性。
总结起来，MOS晶体管的构造包括基底、掺杂区域、介电层和金属电极。
其中，金属电极中的门极通过控制施加的电压来控制晶体管的导电性。
场效应管的基础知识
场效应管的基础学问英文名称：MOSFET （简写：MOS ）中文名称：功率场效应晶体管（简称：场效应管）场效应晶体管简称场效应管，它是由半导体材料构成的。
与一般双极型相比，场效应管具有许多特点。
场效应管是一种单极型半导体（内部只有一种载流子一多子）分四类：N沟通增加型；P沟通增加型;N沟通耗尽型；P沟通耗尽型。
增加型MOS管的特性曲线场效应管有四个电极，栅极G、漏极D、源极S和衬底B ,通常字内部将衬底B与源极S相连。
这样，场效应管在外型上是一个三端电路元件场效管是一种压控电流源器件，即流入的漏极电流ID栅源电压UGS掌握。
1、转移特性曲线:应留意：①转移特性曲线反映掌握电压VGS与电流ID之间的关系。
②当VGS很小时,ID基本为零，管子截止;当VGS大于某一个电压VTN时ID随VGS的变化而变化，VTN称为开启电压，约为2V0③无论是在VGS2、输出特性曲线：输出特性是在给顶VGS的条件下，ID与VDS之间的关系。
可分三个区域。
①夹断区：VGS②可变电阻区：VGS>VTN且VDS值较小。
VGS值越大，则曲线越陡，D、S极之间的等效电阻RDS值就越小。
③恒流区：VGS>VTN且VDS值较大。
这时ID只取于VGS ,而与VDS无关。
3、MOS管开关条件和特点：管型状态,N-MOS , P-MOS特点截止VTN , RDS特别大，相当与开关断开导通VGS2VTN , VGS<VTN , RON很小，相当于开关闭合4、MOS场效应管的主要参数①直流参数a、开启电压VTN ,当VGS>UTN时，增加型NMOS管通道。
b、输入电阻RGS , 一般RGS值为109〜1012。
高值②极限参数最大漏极电流IDSM击穿电压V(RB)GS , V(RB)DS最大允许耗散功率PDSM5、场效应的电极判别用RxlK挡，将黑表笔接管子的一个电极，用红表笔分别接此外两个电极，如两次测得的结果阻值都很小，则黑表笔所接的电极就是栅极(G),此外两极为源(S)、漏(D)极，而且是N型沟场效应管。
MOS晶体管基本特性表征
短沟MOSFET— I-V 特性曲线
DIBL (drain induced barrier low)：
σ = |Vt1 – Vt2| / |Vdd-0.1| 1. 2. 3. 沟道越短，DIBL越大； DIBL有时会表现为亚阈摆幅增大, 即 增加Ioff; DIBL会降低输出电阻, 使器件用于模 拟电路特性变差, 用于数字电路速度下 降.
Ids (A)
5.00E-03 4.00E-03 3.00E-03 2.00E-03 1.00E-03
0
0.2
0.4 0.6 Vgs (V)
0.8
1
1.2
0.00E+00 0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 上海宏力半导体制造有限公司 Vds(V)
9 Confidential
Grace Semiconductor Manufacturing Corporation
上海宏力半导体制造有限公司 Grace Semiconductor Manufacturing Corporation
5 Confidential
I-V 特性曲线 线性区(萨氏方程)：
L C W s ox L V Rch ds (V gs Vth ) I ds I ds
Ioff 1.00E-10
1.00E-11 1.00E-12 0 0.2 0.4
C Cit C Cit S 2.3Vt (1 d ) 60m V(1 d ) Cox Cox
Vth V fb 2 f 2 f Vsb
1. 2.
0.6
0.8
0.15um LV, W/L=10/10
Vgs Vth
Id (A)
5.00E-05 4.00E-05 3.00E-05 2.00E-05 1.00E-05
MOS管基本认识(快速入门)
MOS管基本认识（快速入门）1、三个极的判定：G极(gate)—栅极，不用说比较好认。
S极(source)—源极，不论是P沟道还是N沟道，两根线相交的就是。
D极(drain)—漏极，不论是P沟道还是N沟道，是单独引线的那边。
2. N沟道与P沟道判别:箭头指向G极的是N沟道；箭头背向G极的是P沟道。
3. 寄生二极管方向判定:不论N沟道还是P沟道MOS管，中间衬底箭头方向和寄生二极管的箭头方向总是一致的：要么都由S指向D，要么都有D指向S。
4. MOS开关实现的功能1>信号切换；2>电压通断。
5. MOS管用作开关时在电路中的连接方法关键点:1>确定那一极连接输入端，那一极连接输出端2>控制极电平为？V 时MOS管导通3>控制极电平为？V 时MOS管截止NMOS：D极接输入，S极接输出PMOS：S极接输入，D极接输出反证法加强理解NMOS假如：S接输入，D接输出由于寄生二极管直接导通，因此S极电压可以无条件到D极，MOS管就失去了开关的作用。
PMOS假如：D接输入，S接输出同样失去了开关的作用。
6. MOS管的开关条件N沟道—导通时Ug> Us,Ugs> Ugs(th)时导通P沟道—导通时Ug< Us,Ugs< Ugs(th)时导通总之，导通条件：|Ugs|>|Ugs(th)|7. 相关概念BJT :Bipolar Junction Transistor 双极性晶体管，BJT是电流控制器件；FET :Field Effect Transistor 场效应晶体管，FET是电压控制器件. 按结构场效应管分为：结型场效应（简称JFET）、绝缘栅场效应（简称MOSFET）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。
总的来说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。
半导体物理与器件-第十章-MOSFET基础(1)(MOS结构-CV特性)
11.2.2反型状态(高频)
加较大的正栅压，使反型层电荷出现，但栅 压变化较快，反型层电荷跟不上栅压的变化， 只有耗尽层电容对C有贡献。此时，耗尽层宽 度乃至耗尽层电容基本不随栅压变化而变化。
C' (inv)
C' (dep)min
tox
ox ox
tox
xdT
f 5 ~ 100Hz
f ~ 1MHz
强反型状态(低频)
加大的正栅压且栅压变化较慢，反型层 电荷跟得上栅压的变化
C' (inv)
Cox
ox
tox
平带 本征
41
10.2 C-V特性
n型与p型的比较
负偏栅压时为堆积模式， 正偏栅压时为反型模式。
p型衬底MOS结构
n型衬底MOS结构
正偏栅压时为堆积模式， 负偏栅压时为反型模式。
42
10.2 C-V特性
Cox
Cox
＋2 fp
ms
| Q'SD max | Cox
VFB＋2 fp
|QSDmax|=e Na xdT
f (半导体掺杂浓度,氧化层电荷,平带电压,栅氧化层电容）27
10.1 MOS电容 阈值电压:与掺杂/氧化层电荷的关系
P型衬底MOS结构
Q′ss越大，则VTN的绝对值 越大； Na 越高，则VTN的值（带符 号）越大。
栅压频率的影响
43
小节内容
理想情况CV特性
CV特性概念 堆积平带耗尽反型下的概念 堆积平带耗尽反型下的计算
频率特性
高低频情况图形及解释
44
10.2.3固定栅氧化层电荷和界面电荷效应
对MOS的C-V的影响主要有两种： （1）固定栅氧化层电荷 （2）氧化层-半导体界面电荷
mos场效应晶体管的二级效应
mos场效应晶体管的二级效应摘要：一、mos 场效应晶体管简介1.定义2.基本原理二、二级效应的定义与影响1.什么是二级效应2.二级效应的影响三、降低二级效应的方法1.设计优化2.工艺改进正文：mos 场效应晶体管（MOSFET）是一种广泛应用于集成电路的半导体器件，具有高输入阻抗、低噪声和低失真等优点。
然而，在实际应用中，mos 场效应晶体管会受到一种名为“二级效应”的现象的影响，导致性能下降。
本文将对mos 场效应晶体管的二级效应进行探讨。
首先，我们需要了解mos 场效应晶体管的基本原理。
mos 场效应晶体管由源极、漏极和栅极三个端口组成。
当栅极施加正向电压时，栅极与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，使其向漏极方向运动，从而形成电流。
二级效应是指在实际工作过程中，由于器件内部物理现象的相互作用，导致器件性能受到一定程度的影响。
在mos 场效应晶体管中，二级效应主要包括电荷积累、热载流子注入、电子- 空穴复合等。
这些效应会导致器件的阈值电压变化、漏电流增加、输出特性曲线变得不稳定等性能问题。
那么，如何降低mos 场效应晶体管的二级效应呢？方法有多种，以下简要介绍两种：1.设计优化：通过优化器件结构、材料选择和工艺参数，可以有效地降低二级效应。
例如，采用高介电常数材料制作栅极绝缘层，可以降低电荷积累效应；调整源极和漏极的掺杂浓度，可以减小热载流子注入效应。
2.工艺改进：在制造过程中，通过改进工艺技术，也可以降低二级效应。
如采用低温度工艺，可以降低电子- 空穴复合；在器件表面覆盖保护层，可以减少氧化物损伤和界面态产生。
总之，mos 场效应晶体管的二级效应是一个影响器件性能的重要因素。
mos管基础知识
MOS管的基础知识什么是场效应管呢？场效应管式是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，并以此命名。
由于它是靠半导体中的多数载流子导电，又称单极性晶体管。
它区别晶体管，晶体管是利用基极的小电流可以控制大的集电极电流。
又称双极性晶体管。
一，MOS管的种类，符号。
1JFET结型场效应管----利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制来改变导电沟道的宽度，从而控制漏极电流的大小。
结型场效应管一般是耗尽型的。
耗尽型的特点：a,PN结反向电压，这个怎么理解，就是栅极G,到漏极D和源极s有个PN结，b,未加栅压的时候，器件已经导通。
要施加一定的负压才能使器件关闭。
C,从原理上讲，漏极D和源极S不区分，即漏极也可作源极，源极也可以做漏极。
漏源之间有导通电阻。
2IGFET绝缘栅极场效应管----利用栅源电压的大小来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。
增强型效应管特点：A,栅极和源极电压为0时，漏极电流为0的管子是增强型的。
B,栅源电压，这个之间是个绝缘层，绝缘栅型一般用的是SIO绝缘层。
2耗尽型绝缘栅场效应晶体管的性能特点是:当栅极电压U。
=0时有一定的漏极电流。
对于N沟道耗尽型绝缘栅场效应晶体管，漏极加正电压，栅极电压从0逐渐上升时漏极电流逐渐增大，栅极电压从0逐渐下降时漏极电流逐渐减小直至截止。
对于P沟道耗尽型绝缘栅场效应晶体管，漏极加负电压，栅极电压从0逐渐下降时漏极电流逐渐增大，栅极电压从0逐渐上升时漏极电流逐渐减小直至截止。
1，按功率分类：A,小信号管，一般指的是耗尽型场效应管。
主要用于信号电路的控制。
B,功率管，一般指的是增强型的场效应管，只要在电力开关电路，驱动电路等。
2，按结构分类：增强型，耗尽型结型场效应管：N沟道结型场效应管 P沟道结型场效应管（一般是耗尽型）绝缘栅型场效应管：N沟道增强型，P沟道增强型，N沟道耗尽型，P沟道耗尽型。
二,用数字万用表测量MOS管的方法用数字万用表判断MOS的管脚定义。
《晶体管电路设计(上)》
《晶体管电路设计(上）》一、晶体管基础知识1. 晶体管的分类与结构晶体管是一种半导体器件，按照结构和工作原理的不同，可分为两大类：双极型晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）。
双极型晶体管包括NPN型和PNP型，而场效应晶体管主要包括增强型MOS管和结型场效应管。
2. 晶体管的工作原理（1）双极型晶体管（BJT）工作原理：当在基极与发射极之间施加适当的正向电压，基区内的少数载流子会增多，导致集电极与发射极之间的电流增大，从而实现放大作用。
（2）场效应晶体管（FET）工作原理：通过改变栅极电压，控制源极与漏极之间的导电通道，实现电流的放大。
3. 晶体管的特性参数（1）直流参数：包括饱和压降、截止电流、放大系数等。
（2）交流参数：包括截止频率、增益带宽积、输入输出阻抗等。
二、晶体管放大电路设计1. 放大电路的基本类型（1）反相放大电路：输入信号与输出信号相位相反。
（2）同相放大电路：输入信号与输出信号相位相同。
（3）电压跟随器：输出电压与输入电压基本相等。
2. 放大电路的设计步骤（1）确定电路类型：根据实际需求选择合适的放大电路类型。
（2）选择晶体管：根据电路要求，选取合适的晶体管型号。
（3）计算电路参数：包括偏置电阻、负载电阻、耦合电容等。
（4）电路仿真与调试：利用电路仿真软件进行仿真，并根据实际效果调整电路参数。
三、晶体管开关电路设计1. 开关电路的基本原理晶体管开关电路利用晶体管的截止和饱和状态，实现电路的通断控制。
当晶体管处于截止状态时，开关断开；当晶体管处于饱和状态时，开关闭合。
2. 开关电路的设计要点（1）选择合适的晶体管：确保晶体管在截止和饱和状态下都能满足电路要求。
（2）优化电路参数：合理设置驱动电流、开关速度等参数，以提高开关电路的性能。
（3）考虑开关损耗：在设计过程中，尽量降低开关过程中的能量损耗，提高电路效率。
《晶体管电路设计(上）》四、晶体管稳压电路设计1. 稳压电路的作用与分类稳压电路的主要作用是保证输出电压在一定范围内稳定不变，不受输入电压和负载变化的影响。
MOS晶体管基础
栅极 SiO2 漏极
Cox
Cox=eox/tOX
9
VTH
VTH
= VFB
+ 2fF
+1 COX
2KS
e 0
qN
(
A
2
f F
+VBS)
影响MOS晶体管特性的几个重要参数
• MOS晶体管的宽长比（W/L)
• MOS晶体管的开启电压VTH
栅极氧化膜的厚度tox
沟道的掺杂浓度（NA) 衬底偏压（VBS)
10
▪ 栅极电容从衬底向源漏极转变 ▪ 电容值减小到一半。 因此，电路中如果要利用栅极电容，设计时需应使 电路避开在阈值电压附近的工作。
➢晶体管饱和时
栅极电容的对象主要为源极 电容值减小到2/3程度
由上可知，在饱和区，栅漏电容主要由CGDO决定， 其值大约为栅极电容的20%左右。
MOS寄生元24 素
5V
7
ID 非饱和区
饱和区
VDsat=VG-VTH
VD
ID
mnCoxW 2L
[2(VG-VTH)VD-VD2]
(0<VD<VG-VTH)
mnCoxW 2L
(VG-VTH) 2
(0< VG-VTH < VD)
8
源极
mnCoxW 2L
mn ：为Si中电子的迁移率 Cox : 为栅极单位电容量
W : 为沟道宽 L : 为沟道长
RS S
RD D
RG (40W) 源漏电阻
RD, RS (各1W)
CSB
B CDB
MOS寄生元21 素
22
MOSFET栅极电容
典型参数：CBiblioteka X=6fF/mm2, CO=0.3fF/mm2(0.25mm工艺；NMOS,PMOS共通）
第3章-MOS集成电路器件基础
第三章 MOS集成电路器件基础
PMOS在截止区、 线性区、 恒流区的电流方程如 式(3 - 5)所示：
|UGS|<|UTHP| (3-5a)
0
(截止区)
I DP
PCox W [2(U
2 L
pCox 2
W L
U
GS
GS UTHP
UTHP 2 (1
)U DS
U
2 DS
(3-5b) ]|UDS|<|UGS|-|UTHP|
第三章 MOS集成电路器件基础
G 多晶硅 D
S
氧化 层
W
N＋ P型 衬 底
Leff
N＋
Ldra wn
LD
图3 - 1 NMOS管的简化结构
第三章 MOS集成电路器件基础
3.1.2 N阱及PMOS 为了使MOS管的电流只在导电沟道中沿表面流动
而不产生垂直于衬底的额外电流， 源区、 漏区以及沟 道和衬底间必须形成反偏的PN结隔离， 因此， NMOS 管的衬底B必须接到系统的最低电位点(例如“地”)， 而PMOS管的衬底B必须要接到系统的最高电位点(例如 正电源UDD)。 衬底的连接如图3 - 2(a)、 (b)所示。
出来的， 但在集成电路中， 在同一硅片衬底上要做许 多管子， 为保证它们正常工作， 一般N管的衬底要接 到全电路的最低电位点, P管的衬底接到最高电位点UDD。
第三章 MOS集成电路器件基础
UDD
G2
V2
B2 S2
G1
V1
S1
B1
图3-10 UBS<的MOS 管（V2）
第三章 MOS集成电路器件基础
源区(N＋ )
反型层 源区(N＋ )
电流
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基础和选型学习资料
目次1 MOS基础知识和分类 (2)1.1 N沟道增强型MOS管 (2)1.1.1 N沟道增强型MOS管的结构 (2)1.1.2 N沟道增强型MOS管的工作原理 (2)1.1.3 N沟道增强型MOS管的特性曲线、电流方程及参数 (3)1.2 N沟道耗尽型MOS管 (3)1.2.1 N沟道耗尽型MOS管的结构 (3)1.2.2 与N沟道增强型MOS管的区别 (4)1.3 P沟道MOS管 (5)1.3.1 P沟道MOS管与N沟道MOS管的区别 (5)1.3.2 P沟道MOS管特性比较 (5)2 MOS选型 (5)2.1 首先确定选用N MOS还是P MOS (6)2.1.1 MOS做低频物理开关 (6)2.1.2 MOS做高频开关 (6)2.2 确定主要参数 (7)2.2.1 确定Vds (7)2.2.2 确定Id (7)2.2.3 预估MOS的功耗，大致确定MOS的温升 (7)2.2.4 MOS的寄生参数 (8)MOS基础和选型1 MOS基础知识和分类1.1 N沟道增强型MOS管1.1.1 N沟道增强型MOS管的结构图 1.1 结构示意图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。
然后在半导体表面覆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。
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。
1.1.2 N沟道增强型MOS管的工作原理vGS对iD及沟道的控制作用a)vGS=0 的情况从图 1.1 (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。
当栅——源电压vGS=0时，即使加上漏——源电压vDS，而且不论vDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏——源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流iD≈0。
MOS场效应晶体管ppt课件
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。
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
nmos沟道形成原理
nmos沟道形成原理引言：MOS（金属-氧化物-半导体）场效应晶体管是一种常用的半导体器件，广泛应用于各种电子设备中。
而nmos（n型金属-氧化物-半导体）沟道形成原理是nmos晶体管工作的基础，本文将对其进行详细介绍。
一、nmos晶体管结构及工作原理nmos晶体管由n型沟道、p型衬底和金属栅极构成。
当栅极电压为正值时，栅极与沟道之间形成正向电场，使n型沟道中的自由电子受到排斥，沟道中的电子浓度减少，形成一个具有正电荷的沟道。
当沟道形成后，当源极和漏极之间施加正向电压时，电子可以从源极注入沟道，通过沟道流向漏极，形成电流。
二、nmos沟道形成原理nmos沟道形成的关键是通过栅极电压的控制，在p型衬底上形成一个n型沟道。
具体来说，当栅极施加正向电压时，栅极与沟道之间的氧化层中会形成一个正电荷区域，这个正电荷区域与p型衬底之间形成了电场。
当电场达到一定强度时，电场会促使p型衬底中的空穴向上漂移，同时将p型衬底中的电子吸引到栅极附近。
这样，n型沟道中的电子浓度减少，形成一个具有正电荷的沟道。
三、nmos沟道形成过程1. 零偏：在未施加电压时，栅极、源极和漏极之间没有电流流过。
2. 开启：当栅极施加正向电压时，栅极与沟道之间形成电场，使得n型沟道中的电子受到排斥，电子浓度减少，形成一个正电荷的沟道。
3. 饱和：当正向电场达到一定强度时，电场不再增大，沟道中的电子浓度趋于稳定。
4. 关闭：当栅极电压变为负值或零时，栅极与沟道之间的电场消失，正电荷区域消失，n型沟道中的电子浓度恢复正常。
四、nmos沟道形成原理的应用nmos沟道形成原理是nmos晶体管工作的基础，也是各种电子设备中实现信号放大和开关控制的关键。
在数字集成电路中，nmos 晶体管通常用于实现逻辑门电路和存储器单元，通过控制栅极电压，可以实现信号的放大、传输和处理。
结论：nmos沟道形成原理是nmos晶体管工作的基础，通过栅极电压的控制，在p型衬底上形成一个n型沟道，从而实现信号放大和开关控制。
mos场效应管制作工艺的基本步骤
一、介绍mos场效应管MOS场效应管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，简称MOSFET）是一种常用的场效应晶体管，被广泛应用于集成电路和功率放大器中。
它具有高输入电阻、低噪声系数、高频率特性和较高的可靠性，因此在电子行业中拥有广泛的应用。
二、MOS场效应管的制作工艺1. 基础工艺准备MOS场效应管的制作首先需要准备硅衬底，通常是n型或p型硅衬底。
在准备硅衬底之前，需要对硅片进行清洗、抛光和去除常见的杂质和附着物，以确保硅衬底表面的光洁度和平整度。
2. 渗透层制备接下来是为了增强氧化层和MOS栅极的定位而形成的渗透层的制备。
渗透层主要由P型或N型多晶硅薄膜组成，其厚度通常在200-300nm之间。
3. 氧化层生长氧化层的生长通常使用干法氧化或湿法氧化的方法。
干法氧化是通过高温下氧化气体的作用，在硅表面生长出氧化层；湿法氧化则是在加热的气氛中，采用水蒸气和氧气混合气体生长氧化层。
氧化层的厚度通常在20-300nm之间。
4. 光刻工艺在氧化层上，在所需要的位置上，通过光刻胶技术进行图案设计，然后投射紫外光，再通过显影和蚀刻等工艺将所需的图案转移到氧化层上。
5. 栅极制备在光刻工艺过程中形成的图案将作为掩膜，用于栅极的形成。
通常使用富勒烯等材料来用于栅极的制备。
6. 接触沟槽制备通过刻蚀技术，形成MOSFET的接触沟槽。
接触沟槽是用于源漏掺杂（通常为N+或P+掺杂）的区域。
7. 接触金属制备在接触沟槽中形成接触金属，通常使用铝或金属合金作为接触金属。
这一步骤需要经过金属蒸发或其他金属沉积工艺。
8. 清洗和退火对制备好的MOSFET晶体管进行清洗和热退火处理，来确保晶体管的结构完整和性能稳定。
三、总结MOS场效应管的制作工艺是一个复杂而精细的过程，需要多种材料和工艺的结合。
它的制备包括了硅片准备、渗透层制备、氧化层生长、光刻工艺、栅极制备、接触沟槽制备、接触金属制备和清洗和退火等基本步骤。
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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一. MOS晶体管
本节课主要内容 MOS晶体管
❖ 器件结构 ❖ 电流电压特性 ❖ 电流方程 ❖ 沟道长、短沟道效应、衬底偏压效应
2
MOSFET
MOS晶体管
3
栅极(G)
源极(S) N沟MOS晶体管的基本结构
漏极(D) 源极
栅极（金属）
绝缘层（SiO2）
漏极
n+ MOS晶体管的动作
n+
饱和区外插VTH
在晶体管的漏源极加上接近电源 VDD的电压，画出VGS-IDS的关 系曲线，找出该曲线的最大斜率， 此斜率与X轴的交点定义为阈值 电压。
以漏电流为依据定义VTH
在晶体管的漏源极加上接近电源 VDD的电压，画出VGS-Log(IDS) 的关系曲线，从该曲线中找出电 流为1微安时所对应的VGS定义 为阈值电压。
20
微小MOS晶体管
MOSFET的寄生效应
Gate
Cgs
Cg
Cgd
Cj
Cd Cj
SUB
G
CGS
RG CGD CGB
➢寄生电容不可忽视 ➢寄生电阻与管子的导通电阻 （数十KW）相比，通常可 以忽略不计 例如：
栅极电容
CGS, CGD, CGB (各为1.0fF) 漏源电容
CDB, CSB (各为0.5fF) 栅极电阻
PMOS的IDS-VDS特性（沟道长>1mm)
MOS晶体管
11
MOS管的电流解析方程（L〉1mm)
工艺参数
与（VGS-VTH) 的平方成正比
MOS晶体管
12
VG nMOS晶体管的I-V特性
源极(S)
栅极(G)
ID VD
漏极(D)
ID
增强型（E)
ID
耗尽型(D)
VTH
VTH
VG
VG
13
阈值电压的定义
MOS晶体管
14
MOS管短沟道效应
➢ IDS W/L, L要尽可能小
➢短沟道效应由器件的沟道 长决定
➢沟道变短时，漏极能带的 影响变大，电流更易流过 沟道，使得阈值电压降低
MOS晶体管
15
衬底偏压效应
★ 通常衬底偏压VBS=0, 即NMOS的衬底接地， PMOS衬底接电源。
★ 衬底偏压VSB<0时，阈值电压增大。
更进一步，在漏极加上3.3V的 电压，漏极的电位下降，从源 极有电子流向漏极，形成电流。 （电流是由漏极流向源极）
3.3V
++++++++
电流
3.3V
6
栅极(G)
源极(S)
漏极(D)
VG=0V VS=0V VD=3.3V
漏极保持3.3V的电压，而将栅 极电压恢复到0V，这时表面的 电位提高，源漏间的通路被切 断。
RS S
RD D
RG (40W) 源漏电阻
RD, RS (各1W)
CSB
B CDB
MOS寄生元素
21
22
MOSFET栅极电容
典型参数：COX=6fF/mm2, CO=0.3fF/mm2(0.25mm工艺；NMOS,PMOS共通）
MOS寄生元素
23
有关栅极电容的知识
➢阈值电压附近，栅极电容变动较大
◙ 散乱引起速度饱和 ◙ 沟道长小于1微米时，NMOS饱和 ◙ NMOS和PMOS的饱和速度基本相同 ◙ PMOS不显著
饱和早期开始
18
微小MOS晶体管
短沟道MOS晶体管电流解析式
19
微小MOS晶体管
微小MOS晶体管的静态特性(沟道长小于1mm)
NMOS ▪当VDSAT=1V,速度饱和
PMOS ▪电流是NMOS的一半 ▪没有速度饱和
▪ 栅极电容从衬底向源漏极转变 ▪ 电容值减小到一半。 因此，电路中如果要利用栅极电容，设计时需应使 电路避开在阈值电压附近的工作。
➢晶体管饱和时
栅极电容的对象主要为源极 电容值减小到2/3程度
由上可知，在饱和区，栅漏电容主要由CGDO决定， 其值大约为栅极电容的20%左右。
MOS寄生元素
24
MOS晶体管的扩散电容
半
导
体
p型硅基板
基
板
MOS晶体管实质上是一种使
电流时而流过，时而切断的开关4
栅极(G)
源极(S)
漏极(D)
VG=3.3V VS=0 VD=0
栅极电压为3.3V时，表面的 电位下降，形成了连接源漏 的通路。
3.3V
++++++++
5
栅极(G)
源极(S)
漏极(D)
VG=3.3V VS=0
VD=3.3V
如果源极是浮 动的，由于衬 底效应，阈值 电压就会增大。
MOS晶Байду номын сангаас管
16
微小MOS晶体管的静态特性(沟道长小于1mm) 长沟道MOS晶体管
短沟道MOS晶体管
与栅源电压 的平方成正比
1至1.4次方成正比
1至1.4次方成正比 平方成正比 17
微小MOS晶体管
载流子的饱和速度引起的 Early Satutation
MOS寄生元素
25
MOS晶体管的导通电阻
D
导通电阻：
Req
G
电流
IDS
S
29
MOS晶体管的导通电阻
30
5V
7
ID 非饱和区
饱和区
VDsat=VG-VTH
VD
ID
mnCoxW 2L
[2(VG-VTH)VD-VD2]
(0<VD<VG-VTH)
mnCoxW 2L
(VG-VTH) 2
(0< VG-VTH < VD)
8
源极
mnCoxW 2L
mn ：为Si中电子的迁移率 Cox : 为栅极单位电容量 W : 为沟道宽 L : 为沟道长
栅极 SiO2 漏极
Cox
Cox=eox/tOX
9
VTH
VTH
= VFB
+ 2fF
+1 COX
2KS
e 0
qN
(
A
2
f F
+VBS)
影响MOS晶体管特性的几个重要参数
• MOS晶体管的宽长比（W/L)
• MOS晶体管的开启电压VTH
栅极氧化膜的厚度tox
沟道的掺杂浓度（NA) 衬底偏压（VBS)
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