MOS场效应管的特性ppt课件
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23-场效应晶体管PPT模板
6．场效应管和三极管都可组成各种放大电路和开关电 路，但由于前者制造工艺简单，且具有耗电少、热稳定性好、 工作电源电压范围宽等优点，因而被广泛应用于大规模和超 大规模集成电路中。
1.5 场效应管的使用注意事项
1．使用场效应管时要注意电压极性，电压和电流的数 值不能超过最大允许值。
2．为了防止栅极击穿，要求一切测试仪器、电烙铁等 都必须有外接地线。焊接时用小功率烙铁，动作要迅速，或 切断电源后利用余热焊接。焊接时，应先焊源极，后焊栅极。
转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压UGS对漏 极电流ID的控制作用。gm的量纲为mA/V，所以，gm又称为 跨导，其定义为：
gm UIDGS（UDS为常数）
（2）输出特性曲线
输出特性曲线是指栅源电压UGS一定时，漏极电流ID与漏 极电压UDS之间的关系曲线ID＝f（UDS）。它可分为三个区： 可变电阻区、恒流区和截止区。
电工电子技术
场效应晶体管*
场效应晶体管（FET）是一种利用输入回路的电场效应 来控制输出回路电流的半导体器件，属于电压控制器件。它 只依靠一种载流子参与导电，故又称为单极型三极管。它具 有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗 小、制造工艺简单和便于集成化等优点。
根据结构不同，场效应管可分为结型场效应管（JFET） 和绝缘栅场效应管（MOS管）。由于MOS管的性能更优越， 发展更迅速，应用更广泛，因此，本节将仅介绍MOS管。
由于耗尽型MOS管自身能形成导电沟道，所以只要有 UDS存在，就会有ID产生。如果加上正的UGS，则吸引到反型 层中的电子增加，沟道加宽，ID增大。如果加上负的UGS，则 此电场将会削弱原来绝缘层中正离子的电场，使吸引到反型 层中的电子减少，沟道变窄，ID减小。若负UGS达到某一值， 则沟道中的电荷将耗尽，反型层消失，管子截止，此时的值 称为夹断电压UGS（off）或UP。
1.5 场效应管的使用注意事项
1．使用场效应管时要注意电压极性，电压和电流的数 值不能超过最大允许值。
2．为了防止栅极击穿，要求一切测试仪器、电烙铁等 都必须有外接地线。焊接时用小功率烙铁，动作要迅速，或 切断电源后利用余热焊接。焊接时，应先焊源极，后焊栅极。
转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压UGS对漏 极电流ID的控制作用。gm的量纲为mA/V，所以，gm又称为 跨导，其定义为：
gm UIDGS（UDS为常数）
（2）输出特性曲线
输出特性曲线是指栅源电压UGS一定时，漏极电流ID与漏 极电压UDS之间的关系曲线ID＝f（UDS）。它可分为三个区： 可变电阻区、恒流区和截止区。
电工电子技术
场效应晶体管*
场效应晶体管（FET）是一种利用输入回路的电场效应 来控制输出回路电流的半导体器件，属于电压控制器件。它 只依靠一种载流子参与导电，故又称为单极型三极管。它具 有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗 小、制造工艺简单和便于集成化等优点。
根据结构不同，场效应管可分为结型场效应管（JFET） 和绝缘栅场效应管（MOS管）。由于MOS管的性能更优越， 发展更迅速，应用更广泛，因此，本节将仅介绍MOS管。
由于耗尽型MOS管自身能形成导电沟道，所以只要有 UDS存在，就会有ID产生。如果加上正的UGS，则吸引到反型 层中的电子增加，沟道加宽，ID增大。如果加上负的UGS，则 此电场将会削弱原来绝缘层中正离子的电场，使吸引到反型 层中的电子减少，沟道变窄，ID减小。若负UGS达到某一值， 则沟道中的电荷将耗尽，反型层消失，管子截止，此时的值 称为夹断电压UGS（off）或UP。
《mos管工作原理》ppt课件
电路符号
用一个箭头表示一个mos管，箭头的一端是源极（s），另一端是漏极（d） ，中间是控制极（g）。
Mos管的开关原理
导通状态
当在控制极上加正电压时，氧化层下方的半导体层中的电子被排斥，形成一条从 源极到漏极的导电通道，电流可以通过这个通道流动。
关断状态
当在控制极上加负电压时，氧化层下方的半导体层中的电子被吸引，导电通道被 切断，电流无法通过。
《Mos管工作原理》ppt课件
2023-10-27
contents
目录
• Mos管简介 • Mos管的结构与原理 • Mos管的特性与参数 • Mos管的驱动与控制 • Mos管的应用实例 • Mos管的未来发展与趋势 • 总结与展望
01
Mos管简介
Mos管的概念
Mos管是金属氧化物半导体管的缩写，是一种具有极高开关 速度和低功耗的半导体器件。
Mos管在马达驱动中的应用
1 2
直流马达驱动
Mos管在直流马达驱动中作为开关器件，通过 控制电流的方向和大小来驱动马达运转。
步进马达驱动
步进马达驱动中，Mos管作为开关器件，控制 电流的方向和大小来驱动马达运转。
3
伺服马达驱动
伺服马达驱动中，Mos管作为开关器件，控制 电流的方向和大小来驱动马达运转。
集成元件控制电路
02
使用集成元件（如运算放大器、比较器等）构成开关控制电路
。
数字信号控制电路
03
使用数字信号（如TTL、CMOS等）构成开关控制电路。
Mos管的保护电路
过电压保护电路
当Mos管承受过电压时，保护电路可以保护Mos管不被损坏。
过电流保护电路
当Mos管承受过电流时，保护电路可以保护Mos管不被损坏。
用一个箭头表示一个mos管，箭头的一端是源极（s），另一端是漏极（d） ，中间是控制极（g）。
Mos管的开关原理
导通状态
当在控制极上加正电压时，氧化层下方的半导体层中的电子被排斥，形成一条从 源极到漏极的导电通道，电流可以通过这个通道流动。
关断状态
当在控制极上加负电压时，氧化层下方的半导体层中的电子被吸引，导电通道被 切断，电流无法通过。
《Mos管工作原理》ppt课件
2023-10-27
contents
目录
• Mos管简介 • Mos管的结构与原理 • Mos管的特性与参数 • Mos管的驱动与控制 • Mos管的应用实例 • Mos管的未来发展与趋势 • 总结与展望
01
Mos管简介
Mos管的概念
Mos管是金属氧化物半导体管的缩写，是一种具有极高开关 速度和低功耗的半导体器件。
Mos管在马达驱动中的应用
1 2
直流马达驱动
Mos管在直流马达驱动中作为开关器件，通过 控制电流的方向和大小来驱动马达运转。
步进马达驱动
步进马达驱动中，Mos管作为开关器件，控制 电流的方向和大小来驱动马达运转。
3
伺服马达驱动
伺服马达驱动中，Mos管作为开关器件，控制 电流的方向和大小来驱动马达运转。
集成元件控制电路
02
使用集成元件（如运算放大器、比较器等）构成开关控制电路
。
数字信号控制电路
03
使用数字信号（如TTL、CMOS等）构成开关控制电路。
Mos管的保护电路
过电压保护电路
当Mos管承受过电压时，保护电路可以保护Mos管不被损坏。
过电流保护电路
当Mos管承受过电流时，保护电路可以保护Mos管不被损坏。
《MOS概述及应用》课件
智能家居设备
MOS技术支持智能家居设备的 联网和智能控制功能。
医疗设备
MOS技术在医疗设备中的应用， 提高了设备的精度和稳定性。
MOS系统特点
1
高度集成
MOS技术可以实现高度集成，将大量的电子元器件集成到一个芯片上。
2
低功耗
MOS技术具有低功耗特性，有助于延长电子设备的电池寿命。
3
稳定性强
MOS技术可以提供稳定可靠的性能，适用于各类计算和控制应用。
放大器
MOS可以作为放大器使用，放大电信号的幅 度。
逻辑电路
MOS技术支持各种逻辑电路的设计，例如与 门、或门、非门等。
开关电路
MOS技术在开关电路中广泛应用，用于控制 和调节电流的流动。
MOS电容与电压关系
电容与电压关系
MOS的电容与门极电压相关， 可以通过改变电压来改变电容 的大小。
电荷储存
MOS的电容可以储存电荷，用 于存储和传输信息。
电压控制
改变门极电压可以控制电容中 的电荷，实现信息的读取和写 入。
ห้องสมุดไป่ตู้
MOS开关电路设计
1
分析需求
根据实际应用需求，分析开关电路的功能和性能要求。
2
电路设计
根据需求设计合适的电路拓扑结构和元件参数。
3
性能测试
对设计的开关电路进行性能测试，评估其稳定性和可靠性。
MOS工作原理
引入感应电荷
MOS通过控制门极电压，引 入感应电荷来控制电流的流 动。
阈值电压
当门极电压高于阈值电压时， MOS处于导通状态；低于阈 值电压时，处于截止状态。
控制电流流动
改变门极电压可以控制沟道 中电荷的浓度，从而控制电 流的流动。
MOS场效应管PPT课件
G
U G
U G
S NEMOS
转移特性
ID
S NDMOS
ID
S PEMOS
ID
D
ID
U
S PDMOS
ID
23
0 VGS(th) VGS
VGS(th) 0
VGS
.
VGS(th) 0 VGS
0 VGS(th VGS
)
饱和区（放大区）外加电压极性及数学模型
▪ VDS极性取决于沟道类型 N沟道：VDS > 0， P沟道：VDS < 0
▪ VGS极性取决于工作方式及沟道类型 增强型MOS管： VGS 与VDS 极性相同。 耗尽型MOS管： VGS 取值任意。
▪ 饱和区数学模型与管子类型无关
24
ID C 2 O lW X(VGS VGS()t2h)
.
临界饱和工作条件
|VGS| > |VGS(th) |， |VDS | = | VGS – 饱和区（放大区）工作VG条S(件th) |
之间PN结反偏，衬底应接电路最低电位（N沟道）或最高电
位（P沟道）。
- VD+S
U -VU+S S -VG+S G
D
P+
N+
N+
ID/mA VUS = 0
-2V -4V
P
O
VGS /V
若| VUS | 阻挡层宽度 耗尽层中负离子数
19
因VGS不变（G极正电荷量不变） 表面层中电子数 ID
根据衬底电压对ID的控制作. 用，又称U极为背栅极。
.
▪ 若考虑沟道长度调制效应
则VDS →沟道长度l →沟道电阻Ron略。
《MOS管教程》课件
利用两个或多个MOS管的 串并联，可以实现与逻辑 功能。
OR门
利用两个或多个MOS管的 串并联，可以实现或逻辑 功能。
NOT门
通过一个MOS管可以实现 非逻辑功能。
04
MOS管的驱动与保护
驱动电路
栅极驱动电路
提供合适的栅极电压，使MOS管正常工作。
源极驱动电路
控制源极的电压，使MOS管在正确的状态下工作。
音频放大
音频功率放大
利用MOS管的放大特性，可以用于音 频信号的功率放大，广泛应用于音响 设备中。
耳机驱动
音频信号处理
在音频信号处理电路中，MOS管可以 作为运算放大器或比较器使用，实现 音频信号的滤波、均衡等处理。
通过控制MOS管的导通和截止，可以 实现耳机的音量控制和音源切换。
数字逻辑门
AND门
漏极驱动电路
控制漏极的电流，使MOS管在合适的电流下工作。
保护电路
01
过流保护电路
当电流过大时，自动切断电源， 防止MOS管烧毁。
02
过压保护电路
03
欠压保护电路
当电压过高时，自动切断电源， 防止MOS管损坏。
当电压过低时，自动切断电源， 防止MOS管工作异常。
安全工作区
电压安全工作区
确保MOS管在正常工作电压范围内工作，避免过压或欠压。
预防措施
在电路设计时，应充分考虑导通电阻的影响，并留有一定的余量。
开关噪声
总结词
开关过程中产生的噪声
详细描述
MOS管在开关过程中会产生噪声，这种噪 声可能会对周围电路产生干扰。
解决方案
预防措施
采用低噪声的MOS管产品，并合理设计电 路布局和布线，减小电磁干扰。
OR门
利用两个或多个MOS管的 串并联，可以实现或逻辑 功能。
NOT门
通过一个MOS管可以实现 非逻辑功能。
04
MOS管的驱动与保护
驱动电路
栅极驱动电路
提供合适的栅极电压，使MOS管正常工作。
源极驱动电路
控制源极的电压，使MOS管在正确的状态下工作。
音频放大
音频功率放大
利用MOS管的放大特性，可以用于音 频信号的功率放大，广泛应用于音响 设备中。
耳机驱动
音频信号处理
在音频信号处理电路中，MOS管可以 作为运算放大器或比较器使用，实现 音频信号的滤波、均衡等处理。
通过控制MOS管的导通和截止，可以 实现耳机的音量控制和音源切换。
数字逻辑门
AND门
漏极驱动电路
控制漏极的电流，使MOS管在合适的电流下工作。
保护电路
01
过流保护电路
当电流过大时，自动切断电源， 防止MOS管烧毁。
02
过压保护电路
03
欠压保护电路
当电压过高时，自动切断电源， 防止MOS管损坏。
当电压过低时，自动切断电源， 防止MOS管工作异常。
安全工作区
电压安全工作区
确保MOS管在正常工作电压范围内工作，避免过压或欠压。
预防措施
在电路设计时，应充分考虑导通电阻的影响，并留有一定的余量。
开关噪声
总结词
开关过程中产生的噪声
详细描述
MOS管在开关过程中会产生噪声，这种噪 声可能会对周围电路产生干扰。
解决方案
预防措施
采用低噪声的MOS管产品，并合理设计电 路布局和布线，减小电磁干扰。
3 场效应管ppt课件
1. 结构（N沟道） 金属 源极 s 栅极 g 漏极 d SIO 绝缘层 2 N+
N+
符号
高掺杂N区
P型硅衬底 剖面图
由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电 阻很高，最高可达1014 。称绝缘栅型场效应管。
2 . 工作原理
当vGS = 0 时，d、s间没有导电沟道，i D =0
源极 s N+ 栅极 g 漏极 d
• MOSFET栅极与沟道间是绝缘的，因此iG0，输 入电阻很高。 • MOSFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制。 当VGS>VT时，FET导通，Rds可控； 当VGS<VT时，FET截止，Rds 无穷大 。
3. V-I 特性曲线
（1）输出特性 输出特性曲线
iD/mA i D f (v DS ) vGS const. 可变电阻区
8
vGS /V Vp -3 -2 -1 O 1 2 转移特性曲线 4
12 8 4
O
v DS
输出特性曲线
增强型 D
耗尽型 D D G S S N沟道 G S P沟道 D
G S N沟道
G
P沟道
G、S之间加一定 电压才形成导电沟道
在制造时就具有 原始导电沟道
3.2 结型场效应管
JFET的结构和工作原理
1. 结构和工作原理（N沟道）
二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子 可以在正或负的栅源电压下工作
(2) 耗尽型N沟道MOS管的特性曲线
耗尽型的MOS管vGS= 0时就有导电沟道，加反向电压到 一定值时才能夹断。
iD/mA UDS=常数 16 夹断电压 12 IDSS
iD/mA 16 vGS>0 vGS=0 vGS<0 4 8 12 16 20
N+
符号
高掺杂N区
P型硅衬底 剖面图
由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电 阻很高，最高可达1014 。称绝缘栅型场效应管。
2 . 工作原理
当vGS = 0 时，d、s间没有导电沟道，i D =0
源极 s N+ 栅极 g 漏极 d
• MOSFET栅极与沟道间是绝缘的，因此iG0，输 入电阻很高。 • MOSFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制。 当VGS>VT时，FET导通，Rds可控； 当VGS<VT时，FET截止，Rds 无穷大 。
3. V-I 特性曲线
（1）输出特性 输出特性曲线
iD/mA i D f (v DS ) vGS const. 可变电阻区
8
vGS /V Vp -3 -2 -1 O 1 2 转移特性曲线 4
12 8 4
O
v DS
输出特性曲线
增强型 D
耗尽型 D D G S S N沟道 G S P沟道 D
G S N沟道
G
P沟道
G、S之间加一定 电压才形成导电沟道
在制造时就具有 原始导电沟道
3.2 结型场效应管
JFET的结构和工作原理
1. 结构和工作原理（N沟道）
二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子 可以在正或负的栅源电压下工作
(2) 耗尽型N沟道MOS管的特性曲线
耗尽型的MOS管vGS= 0时就有导电沟道，加反向电压到 一定值时才能夹断。
iD/mA UDS=常数 16 夹断电压 12 IDSS
iD/mA 16 vGS>0 vGS=0 vGS<0 4 8 12 16 20
模拟电子技术经典教程-MOS场效应晶体管ppt课件
.
漏源电压对沟道的控制作用
当将沟出下随道使VV现延G向D沟SS=预伸变下道0,夹V，当附断逐化内D渐电断S近V”但，增D降当位S的。后I从继大低D分V基沟时，源续，G布本，S道当极源增=不漏不0被端V到大均,D电V最随S夹匀到夹继D流低SV，断使=断续ID，DS其0，增也V处时从增中G这增S加而，的-大d大V端称使而漏D沟时S。与耗为=上电道，V此尽栅“P升流时上时层夹极预，I由成，间沟断D夹趋楔=于的d道长0端形存于反电度分在压饱场会布沟最和。道基高自值电，本上。阻沿不向，着
VGS<0 ，使栅极PN 结反偏，iG=0。
VGS 0
VDS 0
VDS>0 ， 使 形 成 漏 电流iD。
问题：如果是P沟道，直流偏置应如何加？
.
栅源电压对沟道的控制作用
（动画2－9）
V漏G当间极S当沟继将V电道V续G形流GS将=减S成＜0为变时小多0零窄时，子时，，在沟的所IP漏道D漂N对将、继结移应减源续反运的小之变动偏栅。间窄，，源加，产形电有I生成D压继一漏耗V续定极尽GS减电电称层小压流为，直时。漏夹至，源断为在间电0漏的压。源V当P。
.
特性曲线
iD
IDSS (1
vGS VP
)2
vG DvG S-vD SVP
(a) N沟道结型FET (b) 输出特性曲线
.
(b) N沟道结型FET 转移特性曲线
各类场效应三极管的特性曲线
N
沟
绝 缘
道 增 强
栅型
场P
效沟
应道
管增
强
型
.
各类场效应三极管的特性曲线
N
沟
绝 缘
道 耗 尽
栅型
场P
效沟
漏源电压对沟道的控制作用
当将沟出下随道使VV现延G向D沟SS=预伸变下道0,夹V，当附断逐化内D渐电断S近V”但，增D降当位S的。后I从继大低D分V基沟时，源续，G布本，S道当极源增=不漏不0被端V到大均,D电V最随S夹匀到夹继D流低SV，断使=断续ID，DS其0，增也V处时从增中G这增S加而，的-大d大V端称使而漏D沟时S。与耗为=上电道，V此尽栅“P升流时上时层夹极预，I由成，间沟断D夹趋楔=于的d道长0端形存于反电度分在压饱场会布沟最和。道基高自值电，本上。阻沿不向，着
VGS<0 ，使栅极PN 结反偏，iG=0。
VGS 0
VDS 0
VDS>0 ， 使 形 成 漏 电流iD。
问题：如果是P沟道，直流偏置应如何加？
.
栅源电压对沟道的控制作用
（动画2－9）
V漏G当间极S当沟继将V电道V续G形流GS将=减S成＜0为变时小多0零窄时，子时，，在沟的所IP漏道D漂N对将、继结移应减源续反运的小之变动偏栅。间窄，，源加，产形电有I生成D压继一漏耗V续定极尽GS减电电称层小压流为，直时。漏夹至，源断为在间电0漏的压。源V当P。
.
特性曲线
iD
IDSS (1
vGS VP
)2
vG DvG S-vD SVP
(a) N沟道结型FET (b) 输出特性曲线
.
(b) N沟道结型FET 转移特性曲线
各类场效应三极管的特性曲线
N
沟
绝 缘
道 增 强
栅型
场P
效沟
应道
管增
强
型
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各类场效应三极管的特性曲线
N
沟
绝 缘
道 耗 尽
栅型
场P
效沟
MOS场效应晶体管ppt课件
MOS 场效应晶体管基本结构示意图
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。
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场效应管》课件
五、MOSFET的应用
MOSFET的基本应用
MOSFET广泛应用于放大器、开关电路、电 源管理和通信系统等领域。
MOSFET的开关电路
MOSFET用作开关可以实现快速开关和低功 耗。
MOSFET的功率放OSFET的数字电路
MOSFET可用于构建各种数字电路，如逻辑 门、存储器和微处理器。
2
MOSFET的特性曲线
特性曲线展示了MOSFET的电流和电压之间的关系，包括输出特性和传输特性等。
3
MOSFET的工作点计算
工作点计算帮助确定MOSFET的偏置电压和工作状态，以实现所需的电流和增益。
4
MOSFET的失真
失真是指MOSFET输出信号与输入信号之间的扭曲。了解失真有助于设计更稳定的电 路。
MOSFET是现代电子技术中的关键器件，推动了电子产品的发展和进步。
MOSFET的应用前景
MOSFET的应用前景广阔，将在各个领域继续发挥重要作用。
MOSFET的未来发展
MOSFET将不断追求更高的性能和更多的应用，拓展其未来的发展空间。
六、MOSFET的优缺点
MOSFET的优点
MOSFET具有高输入电阻、 低噪音、低功耗和快速响应 等优点。
MOSFET的缺点
MOSFET的缺点包括漏电流、 电压依赖性和温度特性等。
MOSFET与BJT比较
MOSFET与双极性晶体管 (BJT)相比，具有更高的输入 阻抗和更好的高频性能。
七、MOSFET的未来发展
MOSFET的种类
常见的MOSFET包括N沟道MOSFET和P沟道MOSFET，它们的工作原理和特性略有不同。
二、MOSFET的基本结构
MOSFET的结构图
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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定程度时才导通。 VT>0
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
2
2.5
VDS (V)
11
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
13
阈值电压VT
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
14
5.2 MOSFET的电容
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
15
Vgs<0
Cox
ox A tox
oxWL tox
MOS场效应管的特性
1
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
2
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
关系，因而增加MOS的栅宽和电流
可以减小器件的热噪声
29
闪烁噪声
闪烁噪声由沟道处二氧化硅与硅界 面上电子的充放电引起的
其等效电压值表示为 V12/ f
K2tox
WL
1 f
f
增加栅长和宽，可以降低闪烁噪声
30
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
VGS
G
VDS > VGS - VT
S
D
n+
- VGS - VT +
n+
10
MOS管的IV特性曲线
ID (A)
-4
x 10 6 5
VGS= 2.5 V
4
Resistive SaVtGuSr=at2i.0onV
3
VDS = VGS - VT
2
VGS= 1.5 V
1
VGS= 1.0 V
0
0
0.5
1
1.5
4
MOS管结构
5
MOS管－符号和标志
D
D
G
G
S
S
NMOS EnhDancement
NMOS
Depletion
D
G
G
B
S
S
PMOS Enhancement
NMOS with
Bulk Contact
6
MOS管工作状态
+
S
VGS
G
D
-
n+
n+
n-channel p-substrate B
Depletion Region
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
27
噪声
噪声来源于两个部分：
热噪声 闪烁噪声
28
热噪声
热噪声由沟道内载流子的无规则热
运动造成
其等效电压值表示为 Ve2g
2 T
3gm
f
由于gm与MOS的栅宽和电流成正比
22
VGS>VT
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
23
5.3 MOSFET的其它特性
体效应 温度特性 噪声
24
体效应
所有的FET的1/f噪声都高出相应的BJT的1/f 噪声约10倍。
31
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
16
C ( 1 1 )1 Cox CSi
Cox
ox A tox
oxWL tox
17
Vgs增加达到VT值
C ( 1 1 )1达到最小值 Cox CSi 18
Vgs继续增加
C Cox 19
MOS管电容变化曲线
20
MOS电容计算
21
VGS<VT
沟道未建立，MOS管源漏沟道不通 Cg＝Cgs＋Cox Cd＝Cdb
7
MOS管特性推导
栅极电压所感应的电荷Q为 Q CVge
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 L L2 v Eds Vds
通过MOS管源漏间的电流为
8
MOS管特性推导
I DS
Q
CVge L2
Vds
oxWL
tox
L2 VgeVds
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
2
2.5
VDS (V)
11
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
13
阈值电压VT
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
14
5.2 MOSFET的电容
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
15
Vgs<0
Cox
ox A tox
oxWL tox
MOS场效应管的特性
1
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
2
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
关系，因而增加MOS的栅宽和电流
可以减小器件的热噪声
29
闪烁噪声
闪烁噪声由沟道处二氧化硅与硅界 面上电子的充放电引起的
其等效电压值表示为 V12/ f
K2tox
WL
1 f
f
增加栅长和宽，可以降低闪烁噪声
30
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
VGS
G
VDS > VGS - VT
S
D
n+
- VGS - VT +
n+
10
MOS管的IV特性曲线
ID (A)
-4
x 10 6 5
VGS= 2.5 V
4
Resistive SaVtGuSr=at2i.0onV
3
VDS = VGS - VT
2
VGS= 1.5 V
1
VGS= 1.0 V
0
0
0.5
1
1.5
4
MOS管结构
5
MOS管－符号和标志
D
D
G
G
S
S
NMOS EnhDancement
NMOS
Depletion
D
G
G
B
S
S
PMOS Enhancement
NMOS with
Bulk Contact
6
MOS管工作状态
+
S
VGS
G
D
-
n+
n+
n-channel p-substrate B
Depletion Region
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
27
噪声
噪声来源于两个部分：
热噪声 闪烁噪声
28
热噪声
热噪声由沟道内载流子的无规则热
运动造成
其等效电压值表示为 Ve2g
2 T
3gm
f
由于gm与MOS的栅宽和电流成正比
22
VGS>VT
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
23
5.3 MOSFET的其它特性
体效应 温度特性 噪声
24
体效应
所有的FET的1/f噪声都高出相应的BJT的1/f 噪声约10倍。
31
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
16
C ( 1 1 )1 Cox CSi
Cox
ox A tox
oxWL tox
17
Vgs增加达到VT值
C ( 1 1 )1达到最小值 Cox CSi 18
Vgs继续增加
C Cox 19
MOS管电容变化曲线
20
MOS电容计算
21
VGS<VT
沟道未建立，MOS管源漏沟道不通 Cg＝Cgs＋Cox Cd＝Cdb
7
MOS管特性推导
栅极电压所感应的电荷Q为 Q CVge
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 L L2 v Eds Vds
通过MOS管源漏间的电流为
8
MOS管特性推导
I DS
Q
CVge L2
Vds
oxWL
tox
L2 VgeVds