第五章 MOS场效应管的特性
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，
MOS场效应管
N
N
P
G
P型基底 SiO2绝缘层
S
导电沟道
N沟道增强型
3
SG D
P
P
N
D G
S
P 沟道增强型
4
2、MOS管的工作原理
UGS=0时
UGS UDS
S GD
ID=0
对应截止区
N
N
P
D-S 间总有一
个反接的PN
结
5
UGS>0时
UGS UDS
S GD
UGS足够大时 （UGS>VGS(Th)） 感应出足够多电
画电路的交流等效电路如右图，这里采用的是MOS管的简化模型，可得：
AVv vo i gm vvggsR s DgmRD
46
二、有源电阻
ID
unCoxW 2L
(VGS
VGS
(
th )
)2
(1
VDS VA
)
unCoxW 2L
(VGS
VGS(th) )2 (1 VDS )
unCoxW 2L
予夹断曲线
40
四、主要参数：
1、夹断电压VP：
2、饱和漏极电流IDSS:
3、直流输入电阻RGS（DC）：栅压除栅流
4、低频跨导gm:
gm viGDS|vDS常数
5、输出电阻rd: 6、最大漏极电流IDM:
rd viDDS|vGS常数
7、最大耗散功率PDM:
8、击穿电压：V（BR）DS、V（BR）GS
V GS
)2
( th )
0 . 25 (11 2 I D 5 ) 2
I
5MOS场效应管的特性
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场效应管特性曲线及主要参数
12
Lec 05
华中科技大学电信系 张林
MOSFET是如何实现信号放大的？
与BJT类似，FET也有器件参数，选用时必须以此为依据
二、交流参数
iD
1. 输出电阻rds
rds
vDS iD
VG S
rds=
1 斜率
Q VGSQ
由 iD Kn (vGS VT )2 (1 vDS )
得
vDS
rds
[ λKn (vGS
vDS＝vGS－VT(或 vGD＝vGS－vDS＝VT)
可变电阻区
3V
2 (非饱和区)
① 截止区
1.5
当vGS＜VT时，导电沟道 1
尚 未 形 成 ， iD ＝ 0 ， 为 截
止工作状态。
0.5
饱和区 2.5V
2V vGS＝1.5V
截止区
0 2.5 5 7.5 10
vDS/V
2
Lec 05
华中科技大学电信系 张林
MOSFET是如何实现信号放大的？
其它类型的MOSFET —— N沟道耗尽型MOSFET
二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子，已存在导电沟道
可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流
s
g 掺杂后具有正 d
离子的绝缘层 二氧化硅
d
＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋
N＋
N＋
耗尽层 N 型沟道 P
衬底 g
B
s
B 衬底引线
特性方程 iD Kn (vGS VT )2 （非线性， ＝0）
可变电阻区工作条件 vGS >VT ， vDS <（vGS－VT）
特性方程 iD 2Kn (vGS VT ) vDS
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场效应管的特性ppt课件
12
阈值电压VT表达式
经过深入研究，影响VT的因素主要有四个： 材料的功函数之差
SiO2层中可移动的正离子的影响 氧化层中固定电荷的影响
界面势阱的影响
VTLeabharlann 2bpq Qd Cox
ms
q
Qm m
Cox
QF Cox
Qit (Us ) Cox
很多情况下，源极和衬底都接地 实际上，许多场合源极和衬底并不连接在
一起 源极不接地会影响
VT值，这称为体效应
25
体效应
某一CMOS工艺条件下阈值电压随源极-衬底电压变化曲线
26
温度
MOS的温度特性来源于沟道中载流子的迁 移率μ和阈值电压VT随温度的变化
载流子的迁移率μ随温度的变化的基本特征： T上升 μ下降
ox
tox
W L
(Vgs
VT
1 2
Vds
)Vds
ox
tox
W L
(Vgs
VT
)Vds
1 2
Vds
2
当Vgs－VT＝Vds时，近漏端的栅极有效控制电压Vge
＝ Vgs－VT－Vds＝0，感应电荷为0，沟道夹断，电流
不会增加，此时Ids为饱和电流。
9
MOS管饱和时
3.1 噪声 3.2 温度 3.3 体效应
§4. MOSFET尺寸按比例缩小 §5. MOSFET的二阶效应
3
5.1 MOSFET的结构和工作原理
集成电路中，有源元件有BJT、HBT、 PMOS、NMOS、MESFET和HEMT
鉴于当前大多数集成电路采用CMOS工 艺制造，掌握NMOS和PMOS两种元件 特性对设计集成电路具有重要意义
模拟电子技术第五章场效应管及其放大电路
况，称为预夹断。源区 而未夹断沟道部分为低阻，因
的自由电子在VDS电场力 的作用下，仍能沿着沟
此，VDS增加的部分基本上降落 在该夹断区内，而沟道中的电
道向漏端漂移，一旦到 场力基本不变，漂移电流基本
达预夹断区的边界处， 不变，所以，从漏端沟道出现
就能被预夹断区内的电 场力扫至漏区，形成漏
预夹断点开始， ID基本不随VDS
VDS ＝ VD － VS =VDD－IDRD－ VS
二、小信号模型
iD Kn vGS VT 2
Kn VGSQ vgs VT 2
漏极信号 电流
Kn VGSQ VT 2 2Kn VGSQ VT vgs Knvg2s
Kn
VGSQ
VT
2 gmvgs
K
nv
2 gs
IDQ id
3. 最大漏源电压V(BR)DS
指发生雪崩击穿时，漏极电流iD急剧上升时的vDS。与vGS有关。
4. 最大栅源电压 V(BR)GS
指PN结电流开始急剧增大时的vGS。
5.2 MOSFET放大电路
5.2.1 MOSFET放大电路
1. 直流偏置及静态工作点的计算 2. 小信号模型分析 3. MOSFET 三种基本放大电路比较
产生谐波或 非线性失真
λ= 0
λ≠ 0
共源极放大电路
例题5.2.4:
电路如图所示，设VDD=5V， Rd=3.9kΩ， VGS=2V， VT=1V， Kn=0.8mA/V2，λ=0.02V-1。试当管工作在饱和区时，试确定电路 的小信号电压增益。
例题5.2.5:
电路如图所示，设Rg1=150kΩ，Rg2=47kΩ，VT=1V，Kn=500μA/V2，λ=0， VDD=5V，-VSS=-5V， Rd=10kΩ， R=0.5kΩ， Rs=4kΩ。求电路的电压增益和 源电压增益、输入电阻和输出电阻。
场效应管的特性
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--------------------------------------------------------------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.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.2.场效应管的分类: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:3.场效应管的主要参数: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-源电容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T a---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η---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4.结型场效应管的管脚识别:判定栅极G:将万用表拨至R×1k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.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)。
场效应管的特点、参数及使用注意事项
场效应管的特点、参数及使用注意事项
1.场效应管的特点
场效应管是电压掌握型器件，它不向信号源索取电流，有很高的输入电阻，而且噪声小、热稳定性好，因此宜于做低噪声放大器，特殊是低功耗的特点使得在集成电路中大量采纳。
2.场效应管的主要参数
夹断电压U P ：指当U DS 值肯定时，结型场效应管和耗尽型MOS 管的I D 减小到接近零时U GS 的值称为夹断电压。
开启电压U T ：指当U DS 值肯定时，增加型MOS管开头消失I D 时的U GS 值称为开启电压。
跨导g m ：指U DS 肯定时，漏极电流变化量Δ I D 与栅-源极电压变化量Δ U GS 之比。
最大耗散功率P CM ：指管子正常工作条件下不能超过的最大可承受功率。
3.使用留意事项
（1）场效应管的栅极切不行悬空。
由于场效应管的输入电阻特别高，栅极上感应出的电荷不易泄放而产生高压，从而发生击穿损坏管子。
（2）存放时，应将绝缘栅型场效应管的三个极相互短路，以免受外电场作用而损坏管子，结型场效应管则可开路保存。
（3）焊接时，应先将场效应管的三个电极短路，并按源极、漏极、
栅极的先后挨次焊接。
烙铁要良好接地，并在焊接时切断电源。
（4）绝缘栅型场效应管不能用万用表检查质量好坏，结型场效应管则可以。
电子电工学——模拟电子技术 第五章 场效应管放大电路
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
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场效应管特性与参数测试实验电路设计
MOS场效应管特性与参数测试实验电路设计曹钟林【摘要】场效应管(简称FET)是一种由输入电压来控制其输出电流大小的半导体器件,是电压控制器件,其输入电阻非常高,输入端基本不取电流.由于金属-氧化物-半导体场效应管(简称MOSFET)栅极和沟道之间的绝缘层易被电压击穿,特别是栅源之间的耐压只有几十伏,外部静电电压极易造成栅源极间击穿损坏.文章针对MOSFET 在实验教学测量、测试过程中容易损坏的问题,根据MOSFET工作特性及测试要求,设计出较为便捷和安全可靠的MOSFET实验教学电路.【期刊名称】《无锡商业职业技术学院学报》【年(卷),期】2016(016)003【总页数】4页(P86-89)【关键词】场效应管;MOS;测试;参数;保护【作者】曹钟林【作者单位】无锡商业职业技术学院,江苏无锡 214153【正文语种】中文【中图分类】TN386.1（一）场效应管概述场效应管是一种电压控制电流的半导体器件，外形与封装基本类同三极管。
场效应管有三个电极，分别为栅极（gate）G，源极（source）S和漏极（drain）D。
概括地说，场效应管施加不同的栅源电压UGS和漏源UDS可以使场效应管工作在不同区域，即可变电阻区、恒流区、夹断区和击穿区。
如场效应管用于电压放大，管子工作应在恒流区，一般通过外部电路为场效应管建立合适的工作偏置电压，即给场效应管设置合适的静态偏置电压UGS和UDS，分压式偏置电路（见图1）是常见的方式。
需要指出的是场效应管应避免工作在击穿区。
（二）场效应管的管型特征辨识场效应管的管型有六种:N沟道结型场效应管（符号见图2）、P沟道结型场效应管（符号见图3）、N沟道增强型MOS场效应管（符号见图4）、P沟道增强型MOS场效应管（符号见图5）、N沟道耗尽型MOS场效应管（符号见图6）、P沟道耗尽型场效应MOS管（符号见图7）。
根据场效应管符号的辨识管型方法:栅极和沟道之间有电接触为结型，栅极和沟道之间没有电接触则为MOS型。
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
第五章 场效应管
场效应管与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗 高，温度稳定性好。 场效应管有两种: N沟道
结型场效应管JFET
P沟道 N沟道
耗尽型
绝缘栅型场效应管MOS
P沟道
增强型
耗尽型 增强型
5.1 结型场效应管(JFET)
5.1.1 JFET的结构和工作原理
1、结构
D漏极
基底 ：N型半导体
V GS
R g 2V DD R g1 R g 2
ID R
I D I DSS (1
V GS VP
)
2
VDS = VDD - ID (Rd + R )
VP=-1V
IDSS=0.5mA
ID=0.5mA(1+0.4-2ID)2 ID=(0.95+0.64, 0.95-0.64)mA
ID<=IDSS
夹断电压 VP VGS 0
饱和漏电流IDSS：vGS =0时的漏极电流。
夹断电压VP：iD接近于0时的栅源电压。 ①饱和区中的各条转移特性几乎重合， 通常我们就用一条曲线来表示。 v GS 2 ②转移特性的经验公式： i D I DSS (1 )
VP
P沟道JFET 夹断区 iD
输出特性曲线 0 v DS
vGS
S
VGS达到一定值时 （夹断电压VP）,耗 尽区碰到一起，DS 间被夹断，这时，即 使vDS 0V，漏极电 D 流iD=0A。
VDS=0时
ID N P VDS
G
P
VGS
S
(1)vDS对iD的影响
vGS<Vp且vDS>0、vGD=vGS-vDS<VP时 耗尽区的形状 D N iD vDS
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。
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MOS管饱和时
VGS V DS > V GS - V T
G
S
+
D
n+
-
VGS - VT
n+
MOS管的IV特性曲线
6
x 10
-4
VGS= 2.5 V
5
4 ID (A)
Resistive
Saturation VGS= 2.0 V
3
VDS = VGS - VT
VGS= 1.5 V
2
1
VGS= 1.0 V
t ox 1 2
V ds
2 V geV ds L
ox W
t ox t ox L
(V gs VT
V ds )V ds 1
2
ox W
(V gs VT )V ds 2 V ds L
当Vgs－VT＝Vds时，近漏端的栅极有效控制电压 Vge＝ Vgs－VT－Vds＝0，感应电荷为0，沟道夹断，电 流不会增加，此时Ids为饱和电流。
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
5.2 MOSFET的电容
噪声
噪声来源于两个部分：
热噪声 闪烁噪声
热噪声
热噪声由沟道内载流子的无规则热 运动造成 2 V T f 其等效电压值表示为 3g 由于gm与MOS的栅宽和电流成正比 关系，因而增加MOS的栅宽和电流 可以减小器件的热噪声
2 eg m
硅与硅界 面上电子的充放电引起的 其等效电压值表示为 V K t 1 f WL f 增加栅长和宽，可以降低闪烁噪声
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 MOS管的工作状态
非饱和状态 Cg＝Cgs＋2C/3 Cd＝Cdb＋C/3 饱和状态 Cg＝Cgs＋2C/3 Cd＝Cdb
5.3 MOSFET的其它特性
体效应 温度特性 噪声
体效应
很多情况下，源极和衬底都接地 实际上，许多场合源极和衬底并不连接 在一起 源极不接地会影响 VT值，这称为体效应
阈值电压VT表达式
经过深入研究，影响VT的因素主要有四个： 材料的功函数之差 SiO2层中可移动的正离子的影响 氧化层中固定电荷的影响 界面势阱的影响
VT 2 bp q Qd C ox
ms
q
Qm m C ox
QF C ox
Q it (U s ) C ox
阈值电压VT
MOS场效应管的特性
上次课：第4章 集成电路器件工艺
§1.引言 §2.双极型集成电路的基本制造工艺 §3.MESFET工艺与HEMT工艺 §4.CMOS集成电路的基本制造工艺 §5.BiCMOS集成电路的基本制造工艺
第五章 MOS场效应管的特性
§1. MOSFET的结构和工作原理 §2. MOSFET的寄生电容 §3. MOSFET的其它特性
沟道长度的调制
简化的MOS原理内，饱和后电流不再增 加 实际上，饱和区中电流Ids随Vds增加而缓 慢增加 这是由于沟道两端的耗尽区的宽度增加， 导致沟道距离减小，水平电场增加，电 流增加
沟道长度调制
L L L
2 Si qN
(V ds V Dsat )
沟道长度调制
W的变化
W Weff
ΔW
ΔW
W的变化
栅极宽度W不等于原先版图上所绘制的 Wdraw W=Wdraw-2ΔW， ΔW是“鸟嘴”侵入部 分厚度 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 率随Ev、Eh而退化
电场强度
水平电场对迁移率的影响要比垂直电场要大得 多。水平电场将加速载流子运动，当载流子速 度加速到一定值，水平速度饱和 一般N型硅的迁移率远大于P型硅的迁移率，但 两种载流子的饱和速度是相同的 电场不强时，N沟道的μ值比P沟道的要大，约 为2.5倍；当电场增强时，N管和P管达到同一 饱和速度，得到同一μ值，与掺杂无关
体效应
某一CMOS工艺条件下阈值电压随源极-衬底电压变化曲线
温度
MOS的温度特性来源于沟道中载流子的迁 移率μ和阈值电压VT随温度的变化 载流子的迁移率μ随温度的变化的基本特征： T上升 μ下降 阈值电压VT的绝对值随温度变化的基本特 征： T升高 VT减小
VT变化与衬底杂质浓度和氧化层厚度有关
电路密度增加到α 2 功耗降低为1/α 2 器件时延降低α 倍器件速度提高α 倍 线路上的延迟不变 优值增加α 2倍
未来的MOSFET
25 nm FINFET MOS transistor
5.5 MOSFET的二阶效应
随着MOS的尺寸缩小，出于精度要求必 须考虑二阶效应 二阶效应主要有
2 1/ f 2 ox
两点说明
有源器件的噪声特性对于小信号放大器、 振荡器等模拟电路至关重要 所有的FET的1/f噪声都高出相应的BJT的 1/f噪声约10倍。
5.4 MOSFET尺寸按比例缩小
为了提高器件集成度和性能，MOS管的尺寸迅速减小 为了在缩小器件尺寸的同时，同时保持大尺寸器件的 电流-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 压按同一比例因子K等比例缩小，同时掺杂浓度按比例 因子增大K倍，这就是经典的恒电场等比例缩小规律 等比例缩小方案：
3.1 噪声 3.2 温度 3.3 体效应
§4. MOSFET尺寸按比例缩小 §5. MOSFET的二阶效应
5.1 MOSFET的结构和工作原理
集成电路中，有源元件有BJT、HBT、 PMOS、NMOS、MESFET和HEMT 鉴于当前大多数集成电路采用CMOS工 艺制造，掌握NMOS和PMOS两种元件 特性对设计集成电路具有重要意义
狭沟道效应
L和W的变化 迁移率的退化 沟道长度的调制 短沟道效应引起的阈值电压的变化 狭沟道效应引起的阈值电压的变化
L的变化
多晶硅 N+ N+
L Lfinal Ldrawn
L的变化
栅极长度L不等于原先版图上所绘制的 Ldraw Lfinal=Ldraw-2ΔLpoly L=Ldraw-2ΔLpoly-2ΔLdiff 由于重叠效应，Cgs和Cgd也增加
D epletion Region
MOS管特性推导
栅极电压所感应的电荷Q为
Q CV ge
这些电荷在源漏电压VDS作用下，在t时 间内通过长度为L的沟道，即
L v L
E ds
L
2
V ds
通过MOS管源漏间的电流为
MOS管特性推导
I DS Q
CV ge L
2
oxW L
MOS电容结构复杂，最上面是栅极电极， 中间是SiO2和P型衬底，最下面是衬底电 极（欧姆接触） MOS电容大小与外加电压有关
Vgs<0 Vgs>0 Vgs增加达到VT值 Vgs继续增大
Vgs<0
C ox
ox A
t ox
oxW L
t ox
C ( C ox
1 C ox t ox
0
0
0.5
1 VDS (V)
1.5
2
2.5
阈值电压VT
阈值电压是MOS器件的一个重要参数 阈值电压VT是将栅极下面的Si表面反型所 必要的电压，这个电压与衬底浓度有关 按MOS沟道随栅压变化形成或消失的机 理，存在两种类型的MOS器件
耗尽型：沟道在VGS＝0时已经存在，VT≦0 增加型：沟道在VGS＝0时截止，当VGS“正” 到一定程度时才导通。 VT>0
MOS管结构
MOS管－符号和标志
D D G S G
S
NMOS Enhancement NMOS Depletion D D
G
G S
B
S
PMOS Enhancement
NMOS with Bulk Contact
MOS管工作状态
S + V GS D G
n+
n+
n-channel p-substrate B
恒电场 恒电压 准恒电压
恒电压缩减方案
参数 电压 电路密度 器件电流 功率 变化因子 1/α α
2
备注 L↓和W↓
1/α 1/α
2
Ids↓和Vds↓
电容
沟道延迟 连线电阻
1/α
1/α α
连线电容
连线响应时间 优值
1/α
1 α
2
R↑且C↓ ∝1/L2