第五章 MOS场效应管的特性
5MOS场效应管的特性
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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，
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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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（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
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（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
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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
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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
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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。
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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
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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
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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
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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
MOS场效应管的开关特性
MOS场效应管的开关特性MOS场效应管的开关特性MOS场效应管是数字电路最常用的器件，在合适的出入信号作用下，具有开关特性。
MOS场效应管开关特性分析：⑴MOS场效应管开关电路，如图示：⑵左面是增强型N沟通MOS，简称NMOS,右面是增强型P沟通MOS，简称PMOS,各接成反向器电路图。
查看给定的电路元件和信号源的参数。
NMOS的漏极（D）接在+5V的电源上，器件参数中设定它的阈值V th＝+1.5V，当加在栅极（G）和源极（S）间的电压V GS＜V th时，管子截止，而当V GS＞V th时，管子导通；PMOS的漏极接在-5V的电源上，器件参数中设定它的阈值V th ＝-1.5V，当V GS＞V th时，管子截止，而当V GS＜V th时，管子导通。
为了使截止和导通两个状态界限分明，V GS与V th的差别要比较大。
电路输出端的电容是下级电路对本级的作用的代表，MOS管的输入电阻很大，一般可当做无穷大，其作用主要表现为电容性。
⑶作MOS管的瞬态分析曲线，观察两种MOS管导通截止开关特性①点击“仿真分析”选“瞬态分析”②参数输入窗口输入终止时间2N（表示毫微秒）时间步数200观察节点号为1 4 7 10③从得到的曲线图上，观察到NMOS加入方波脉冲信号源（深蓝）时，反向输出（绿色），PMOS加入方波脉冲信号源（浅蓝）时，反向输出（紫色）。
在本例中，NMOS电路输入的低电平为-1V，高电平为4V，输入低电平时管子截止，输出端电压等于供电电源的值（+5V），输入高电平时管子导通，输出端的电压是导通电压，是接近于0V 的正数；PMOS电路输入的低电平为-3V，高电平为2V，输入低电平时管子导通，输出端的电压是导通电压，是接近于0 的负数，输入高电平时管子截止，输出端电压等于供电电源的值（-5V）。
进一步看，不论哪种方式，输出波形都不是突变的方波，而是有过渡过程，这是由晶体管的电容效应造成。
另外，晶体管在“截止”与“导通”之间的变化也是一个电阻渐变的过程。
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
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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
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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。
场效应管的特性
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。
[编辑本段]1.概念: 场效应管场效应晶体管（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（100MΩ～1 000MΩ）、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、热稳定性好等优点,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. [编辑本段]2.场效应管的分类: </B>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. [编辑本段]3.场效应管的主要参数: </B>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-漏电容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Ta---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[编辑本段]4.结型场效应管的管脚识别: </B>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. [编辑本段]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(NPN型)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)。
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。
第五章MOS场效应管的特性
式中Vge是栅极有效控制电压。
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东南大学
射 频 与 光 电 集 成 电 路 研 究 所
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
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
MOS电容是一个相当复杂的电容，有多层介质： 首先，在栅极电极下面有一层SiO2介质。SiO2下面是P型 衬底，衬底是比较厚的。最后，是一个衬底电极，它同 衬底之间必须是欧姆接触。 MOS电容还与外加电压有关。 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， oxWL oxWL
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
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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
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34 57 62
Electrode
864 4503 363 308
Poly P+ 109 1383
Poly N+ 880 SUB
35
12 4526 17
Poly P+
N+
P+ 22 13 7 N_well
51
Cross view of parasitic capacitor of TSMC_0.35um CMOS technology
1
Si
qNA
式中NA是P型衬底中的掺杂浓度，ρ为空间电荷密度， 为电势，
将上式积分得耗尽区上的电位差 ： 1 qN A 2 ' qN A dxdx Xp Si Si 从而得出束缚电荷层厚度
Xp 2 Si q NA
MOS管的电容
MOS电容 —耗尽层电容
Us : Si表面电位;
Vox: SiO2层上的压降。
阈值电压VT
Us 的计算
电压Us 与衬底浓度Na有关。 在半导体理论中，P型半导体的费米能级是靠近满带的，而N 型半导体的费米能级则是靠近导带的。要想把P型变为N型， 外加电压必须补偿这两个费米能级之差。
已知p型半导体
bp
p 0 ni e
MOS管的电容
MOS电容—耗尽层电容特性
3） 随着Vgs的增大，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，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，这时在 Si 表面，电子浓度与空穴浓度 相等，成为本征半导体，半导体呈中性。 若Vgs 再增大，排斥掉更多的空穴，吸引了更多的电子， 这时，Si表面的电子浓度超过了空穴的浓度，形成 N 反型层， 耗尽层厚度的增加就减慢了，CSi的减小也减慢了。
MOS管的电容
深亚微米CMOS IC工艺的寄生电容
Cap. N+Act. P+Act. Poly M1 M2 M3 Units
Area (sub.)
Area (poly) Area (M1) Area (M2) Area (N+act.) Area (P+act.)
526
937
83
25
54
10
18 46
′ = 4.5,
1 2 Vgs VT Vds Vds 2
1 Vge Vgs VT Vds 2
= '.0 栅极-沟道间氧化层介电常数,
0 = 0.88541851.10-11 C.V-1.m-1
Vge：栅级对衬底的有效控制电压
MOS管特性
MOS管的电容
MOS电容—凹谷特性
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 ② ⑤ ③ ④
⑥
MOS管的电容
5.1.3 MOS电容的计算
• MOS电容C
• 源极和衬底之间结电容Csb • 漏极和衬底之间结电容Cdb • 栅极与漏极、源极扩散区间 都存在着交迭，引出线之间杂 散电容，都计入Cgs和Cgd。
MOS管的电容
SiO2和耗尽层介质电容
2 ） 当 Vgs>0 时， MOS 电容器可以看成两个电容器 的串联。 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。耗尽区中空穴被赶走 后剩下的固定的负电荷，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，基底接负极。
由此，设计者只需选取W
MOS管特性
n(p)
MOSFET的伏安特性:电容结构
当VGS<=0，
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VGS>0时 P 型区内的空穴被不断地排斥到衬底方向，少子电子在栅 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，当VGS>=VT时形成从漏极到源极的导电沟道。
MOS管的电容
MOS电容CG、CD的讨论计算
MOS电容CMOS=CG+CD(二极管接法） 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。
CG = Cgs + Cox
CD = Cdb
沟道建立， MOS 管导通。 MOS 电容是变化的，呈 凹谷状，这时MOS电容C对Cg， Cd都有贡献，它 们的分配取决于MOS管的工作状态。
(Ids与Vds无关, 与 Vgs有关)
I ds a2 V Idsgs VT
线性区
2
饱和区 击穿区
0
MOS管特性
Vds
5.1.2 MOSFET电容的组成
MOS 电容是一个相当复杂的电容，具有多层介 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。
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)
集成电路设计基础
Basic of Integrated Circuit Design
电子信息工程系 武 斌
Science and Technology of Electronic Information
MOS管特性
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 5.4 MOSFET的温度特性 5.5 MOSFET的噪声
MOS管特性
MOSFET特性曲线
• 在非饱和区 呈线性电阻 • 饱和区
I ds
ox W
tox
ds C
1 2 V V V Vds gs T ds L 2
I ds V
a1Vgs b1
2 1 ox W I ds Vgs VT 2 tox L
MOSFET饱和特性
当Vgs-VT=Vds时，满足: Ids达到最大值Idsmax，其值为 Vgs-VT=Vds，意味着： Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT =0 沟道夹断，电流不会再增大， 因而，这个 Idsmax 就是饱和电流。
dIds 0 dVds
I dsmax 1 ox W 2 Vgs VT 2 tox L
G G + + + + + + tox 沟道 耗尽层 P型衬底 Vss Vss
MOS管的电容
Co 沟道 Cdep
d
MOS电容
1 ）当 Vgs<0 时，在 Si 表面和栅极之间， 形成了平板电容器，其容量为：
Cox
oxWL
tox
oxWL
tox
通 常 ， ox=3.98.85410-4 F/cm2 ； W 为栅宽， L 为栅极长， 单位是 cm2 ； tox 是厚度，单位是cm。
MOS管的电容
MOS电容的计算
2）若Vgs>VT， 若处于非饱和状态，则按1/3与2/3分配，即 CG = Cgs + C •2/3 CD = Cdb +C •1/3 CMOS
因为在非饱和状态下，与栅极电荷成比例的沟道电流由Vgs 和Vds的系数可知：栅极电压Vgs与漏极电压Vds对栅极电荷 的影响力为2:1的关系，故贡献将分别为 2/3与1/3 。
1 I ds Vgs VT Vds Vds tox L 2
MOS管的电容
W
MOS电容的计算
若处于饱和状态，则表明沟道电荷已与Vds无关， 那么： CG = Cgs + C•2/3, CD = Cdb + 0
实际上在饱和状态下，沟道长度受到Vds的调制，当Vds 增加时，漏端夹断区耗尽层长度L增大，有效沟道长度LL’变小, Ids增加。然而，L的增大使得漏极耗尽层宽度有 所增加，增大了结电容。故，
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
Q qNAWL X p WL 2 Si qNA
Ei E F k 0T
p0 EF Ei kT ln ni 2 bp 2kT N a US ln q q n i
掺杂浓度Na越大，VT就越大
25 VT 阈值电压
Vox的计算
Vox 根据从金属到氧化物到 Si 衬底 Xm 处的电场分布曲 线导出: ≈Q/C 已知Qox=Qsi， 且φ=2KT ln(Na/ni)
5.6 MOSFET尺寸按比例缩小
5.7 MOS器件的二阶效应
Science and Technology of Electronic Information
MOS管特性
5.1.1 MOS管伏安特性的推导
两个PN结：
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