微电子器件第七章MOS场效应晶体管讲义

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场效应晶体管

场效应晶体管

aN沟道增强型MOS管 (1OS管的结构示意图及符号
把一块掺杂浓度较低 的P型半导体作为衬底, 然后在其表面上覆盖一层 SiO2的绝缘层,再在SiO2 层上刻出两个窗口,通过 扩散工艺形成两个高掺杂 的N型区(用N+表示),并 在N+区和SiO2的表面各自 喷上一层金属铝,分别引 出源极、漏极和控制栅极。 衬底上也引出一根引线, 通常情况下将它和源极在 内部相连。
(2)工作原理 当UDS>0时,将产生较大的漏极电流ID。如果使UGS<0,则它将 削弱正离子所形成的电场,使N沟道变窄,从而使ID减小。当UGS 更负,达到某一数值时沟道消失,ID=0。使ID=0的UGS我们也称为 夹断电压,仍用UGS(off)表示。UGS<UGS(off)沟道消失,称为耗尽型。 4 场效应晶体管的主要参数 a直流参数 (1)开启电压UGS(th) 开启电压是增强型绝缘栅场效应晶体管的参数,栅源电压小 于开启电压的绝对值,场效应晶体管不能导通。 (2)夹断电压UGS(off) 夹断电压是耗尽型场效应晶体管的参数,当UGS=UGS(off) 时, 漏极电流为零。
(3)饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应晶体管,当UGS =0时所对应的漏极电流。 (4)直流输入电阻RGS(DC) 场效应晶体管的栅—源电压与栅极电流之比。对于结型场效 应晶体管,反偏时RGS(DC) 略大于107Ω ,对于绝缘栅型场型效应 晶体管,RGS(DC) 约为109~1015Ω 。 b交流参数 (1)低频跨导gm 低频跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。
bN沟道耗尽型MOS管 (1) 结构 耗尽型MOS管,是在制 造过程中,预先在SiO2绝缘 层中掺入大量的正离子, 因此,在UGS=0时,这些正 离子产生的电场也能在P型 衬底中“感应”出足够的 电子,形成N型导电沟道, 如图所示。 衬底通常在内部与源 极相连。

场效应管的工作原理详解

场效应管的工作原理详解

场效应管工作原理MOS场效应管电源开关电路。

这是该装置的核心,在介绍该部分工作原理之前,先简单解释一下MOS 场效应管的工作原理。

MOS 场效应管也被称为MOS FET,既Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor(金属氧化物半导体场效应管)的缩写。

它一般有耗尽型和增强型两种。

本文使用的为增强型MOS场效应管,其内部结构见图5。

它可分为NPN型PNP型。

NPN型通常称为N沟道型,PNP型也叫P沟道型。

由图可看出,对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上,同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。

我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。

但对于场效应管,其输出电流是由输入的电压(或称电场)控制,可以认为输入电流极小或没有输入电流,这使得该器件有很高的输入阻抗,同时这也是我们称之为场效应管的原因。

为解释MOS场效应管的工作原理,我们先了解一下仅含有一个P—N结的二极管的工作过程。

如图6所示,我们知道在二极管加上正向电压(P端接正极,N端接负极)时,二极管导通,其PN结有电流通过。

这是因为在P型半导体端为正电压时,N型半导体内的负电子被吸引而涌向加有正电压的P型半导体端,而P 型半导体端内的正电子则朝N型半导体端运动,从而形成导通电流。

同理,当二极管加上反向电压(P端接负极,N端接正极)时,这时在P型半导体端为负电压,正电子被聚集在P型半导体端,负电子则聚集在N型半导体端,电子不移动,其PN结没有电流通过,二极管截止。

对于场效应管(见图7),在栅极没有电压时,由前面分析可知,在源极与漏极之间不会有电流流过,此时场效应管处与截止状态(图7a)。

当有一个正电压加在N沟道的MOS场效应管栅极上时,由于电场的作用,此时N型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而涌向栅极,但由于氧化膜的阻挡,使得电子聚集在两个N沟道之间的P型半导体中(见图7b),从而形成电流,使源极和漏极之间导通。

微电子学概论-ch2MOS场效应晶体管

微电子学概论-ch2MOS场效应晶体管
P
N沟道
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表面空间电荷层和反型层
VG<0
VG<0
--------
--------
P
P
多子被吸引表面
半导体内的变化并不显著
上一页 下一页
OUTLINE
结型场效应晶体管 MIS结构 MOS电容结构 MOSFET
上一页 下一页
电容的含义
•平行板电容器 电容C定义为: C Q A
间被夹断,这时,即
使USD 0V,漏极 D ID
电流ID=0A。
P
G NN
UGS S
USD
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USD 对导电性能的影响
越靠近漏端,PN
结反压越大
G
UGS<VT且USD>0、UGD<VT时 耗尽区的形状
D ID
P
USD
NN
UGS S
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沟道中仍是电阻 特性,但是是非 线性电阻。
上一页 下一页
小结:MOS
• 沟道区(Channel),沟道长度L • 栅极(Gate) • 源区/源极(Source) • 漏区/漏极(Drain) • NMOS、PMOS、CMOS • 阈值电压Vt,击穿电压 • 特性曲线、转移特性曲线 • 泄漏电流(截止电流)、驱动电流(导通电流)
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G
D ID P
NN
UGS S
USD=0V时 USD
上一页 下一页
UGS越大耗尽区越宽,
沟道越窄,电阻越大。 D
但区当宽度UG有S较限小U,D时存S=,在0V耗导时尽
电沟道。DS间相当于 线I性D 电阻。
P
USD
G NN

半导体物理与器件-第7章

半导体物理与器件-第7章
图 7.6 为 N 型衬底 MOS 结构加两种电压时的示意图, 图中表示出了电荷的分布和电场方向。图 7.7 ( a )、( b ) 和( c )分别为 N 型衬底 MOS 结构在多数载流子堆积状态、 多数载流子耗尽状态和少数载流子反型状态下的能带图。
第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件
第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件
第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件
7. 1 理想 MOS 结构 7. 2 MOSFET 基础 习题
第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件
MOS 结构是当今微电子技术的核心结构。 MOS 结构指的 是金属 ( Metal )、氧化物( Oxide )二氧化硅和半导体( Semiconductor )硅构成的系统,更广义的说法是金属 ( Metal )绝缘体(Insulator )半导体( Semiconductor )结 构,即 MIS 结构。其中用到的绝缘体不一定是二氧化硅。半 导体也不一定是硅。由于 MIS 结构和 MOS 结构较为相似, 在本章中将主要分析 讨论 MOS 结构。
第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件
从半导体表面开始的空间电荷区内存在电场,到空间电荷区的 另一端,电场强度减小为零。由于存在电场,在空间电荷区内 还存在电势的变化,并导致电势能在空间电荷区内逐点 变化,导致了能带的弯曲。下面针对一种具体的 MOS 结构分 析它在不同的外加偏压下空间电荷区内的具体变化情况。
7. 1 理想 MOS 结构 在这一节中将讨论理想 MOS 结构的情况。
第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件
7. 1. 1 MOS 结构的构成 MOS 结构由三部分组成,即由氧化层、氧化层隔开的金

《MOS场效应晶体管》课件

《MOS场效应晶体管》课件

MOS场效应晶体管的制造工艺
1
制造工艺流程
MOS场效应晶体管的制造过程包括晶圆加工、掺杂、薄膜沉积、光刻和封装等 关键步骤。
2
生产中的注意事项
在MOS场效应晶体管的生产过程中,需要注意材料的纯净度、工艺参数的控制 和设备的精确性,以确保器件的质量和性能。
结束
感谢您的聆听,希望这份课件能够帮助您更好地理解MOS场效应晶体管的重 要性和应用,欢迎进一步探索和学习更多相关知识。
原则和优缺点
两种类型的MOS场效应晶体管在特性、工作模式和应用上存在一些原则和优缺点,需要根 据具体需求选择合适的类型。
MOS场效应晶体管的应用
应用领域
MOS场效应晶体管广泛应用于集成电路、通信、计 算机、消费电子等领域,是现代电子技术的重要组 成部分。
电路中的应用
MOS场效应晶体管在逻辑门、放大器、模拟电路和 功率电子等电路中发挥关键作用,满足不同应用的 要求。
MOS场效应晶体管的特性和工作原理
1 主要特性
2 工作原理
MOS场效应晶体管场效应晶体管通过控制栅极电压来调节 电流,实现信号的放大、开关和调制等功能。
MOS场效应晶体管的分类
分类介绍
MOS场效应晶体管根据栅极与通道之间的结构和电荷输运机制进行分类,主要包括增强型 和耗尽型。
《MOS场效应晶体管》课 件
通过这份课件,您将了解到有关MOS场效应晶体管的重要概念、特性、应用 及制造工艺,欢迎加入我们的学习之旅!
MOS场效应晶体管简介
MOS场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)是一种关键的电子器件,广泛应用于现 代半导体技术中。它由金属、氧化物和半导体材料构成,具有卓越的电子控制能力。

1、MOS型晶体管的基本结构

1、MOS型晶体管的基本结构

MOS型晶体管的基本结构
主讲人:席筱颖
MOS 晶体管全称是MOS 型场效应晶体管,简称MOS 管。

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 英文名称为:
主要特点:
这种晶体管结构简单,几何尺寸可以做得很小,输入阻抗高,功耗低,性能稳定,易于大规模集成。

——MOSFET
金属——氧化物——半导体
场效应晶体管
n
+
n +
P Si
-Fox
S
D G
Fox
栅SiO 2
栅SiO 2
Fox
Fox
Al 或多晶硅
(a) nMOS 型晶体管基本结构S :Source (源极或源区)D :Drain (漏极或漏区)G :Gate (栅极)
Fox :Field oxide (场氧化层)
MOS 电容(b) nMOS 型晶体管三维透视图
P Si
-n +n +
n
+
n
+
P Si
-Fox
S
D G
Fox
栅SiO 2
值得说明的是,在器件没有接入电路之前,源区和漏区是完全相同的结构,此时任意n+结构都可定义为源区或者漏区。

当器件接入电路时,对于NMOS 管,电位低的一端定义为源区,电位高的一端定义为漏区。

PMOS 管则相反。

谢谢。

MOS场效应晶体管(7)课件

MOS场效应晶体管(7)课件

MOS场效应晶体管的基本结构通常是一个四端器件,其基 本结构如图所示。
MOS场效应晶体管(7)课件
7.1.2 MOS场效应晶体管工作原理 如果在栅源之间加上电压VGS,就会产生一个垂直于氧化
物-半导体界面的电场,栅极下方的半导体一侧表面会出现表 面电荷。随着栅极外加电压的变化,表面电荷的数量随之改 变。
共源n沟道MOSFET高频小信号等效电路
MOS场效应晶体管(7)课件
MOS场效应晶体管(7)课件
7.2.6 MOS场效应晶体管开关特性 MOS场效应晶体管的开关特点是:
① 电压控制; ② 导通类型是电阻型,残余电压为0; ③ 在保证衬底和漏、源之间P-N结不正向偏置的前提下,给衬
底加一定的偏压电路,D、S之间可以实现双向导通; ④ 1. 静态开关特性
MOS场效应晶体管(7)课件
2. 动态开关特性 1)MOS晶体管的极间电容 2)动态开关过程
MOS场效应晶体管(7)课件
MOS场效应晶体管(7)课件
7.2.2 MOS场效应晶体管转移特性
由于MOS场效应晶体管输入阻抗大,输入回路电流可以忽
略不计,因此我们通常分析输出的漏极电流ID和输入的栅源 极间电压VGS的关系,也就是MOSFET的转移特性,MOSFET的转 移特性反应的是VGS对ID及沟道的控制作用。
n沟道增强型 MOSFET转移特性曲线
MOS场效应晶体管(7)课件
7.1.3 MOS场效应晶体管的分类 MOS场效应晶体管有增强型和耗尽型两种。
增强型
耗尽型
MOS场效应晶体管(7)课件
MOS场效应晶体管(7)课件
7.2 MOS场效应晶体管特性 7.2.1 MOS场效应晶体管输出特性
输出特性考虑的是当MOS场效应管开启,在不同栅极电压 作用下,输出漏极电流和漏源极间电压的关系。

MOS场效应晶体管课件

MOS场效应晶体管课件
形,如图6.2 。
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。
2023/12/22
15
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



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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18
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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16
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,
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14
§7.2 MOSFET的阈值电压
一、MOSFET的阈值电压表达式
MOSFET的阈值电压VT是
栅极下面的半导体表面呈现 强反型,从而出现导电沟道 时所加的栅源电压。
1.MOS结构中的电荷分布 2.强反型条件 3.理想MOS结构的阈值电压 4.实际MOS结构的阈值电压
QG Qox Qn QB 0
p
0 p
e qVs
kT
n e q(Vs F ) kT i
p e0 q(Vs 2F ) kT p
N e q(Vs 2F ) kT A
p
0 p
nieqF
kT
NA
图7-6 表面电子浓度与表面势的关系
18
§7.2 MOSFET的阈值电压 一、MOSFET的阈值电压表达式
3.理想MOS结构的阈值电压
VT
QBmax Cox
2F
VG Vox Vs 强反型时:
Vox
QG Cox
QBmax Cox
Vs 2F
QBmax qN A xd max
qN
A[
2 0Vs
qN A
1
]2
qN
A[
4 0 kT
q2 N A
ln
N
A
]
1 2
ni
1
[40qN AF ] 2
C ox
0 ox
tox
20
21
p e N e 0 q(Vs 2F ) kT p
q(Vs 2F ) kT A
当Vs
2F
2kT q
ln
NA ni
时,ns
p0p
NA
半导体表面能带弯曲至表面势等于两倍费
米势时,半导体表面呈现强反型状态。
17
§7.2 MOSFET的阈值电压 一、MOSFET的阈值电压表达式
ns
n
0 p
e
qVs
kT
ni2
电路符号
n沟MOSFET
耗尽型
增强型
p型 n+区 电子
>0 由D→S
VT<0
VT>0
D
D
G
BG
B
S
S
p沟MOSFET
耗尽型
增强型
n型 p+区 空穴
<0 由S→D
VT>0
VT<0
D
D
G
BG
B
S
S
13
§7.2 MOSFET的阈值电压 一、MOSFET的阈值电压表达式 二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析 三、关于强反型状态
2
§7.1 MOSFET基本结构和工作原理 一、MOSFET的基本结构 二、MOSFET的基本工作原理 三、MOSFET的分类
3
§7.1 MOSFET基本结构和工作原理 一、MOSFET的基本结构
图7-1 n沟MOSFET结构示意图
N沟道增强型MOSFET结构示意图
4
§7.1 MOSFET基本结构和工作原理 一、MOSFET的基本结构
10
§7.1 MOSFET基本结构和工作原理 二、MOSFET的基本工作原理 栅源电压对沟道的影响
11
§7.1 MOSFET基本结构和工作原理
二、MOSFET的基本工作原理
漏源电压对沟道的影响
12
§7.1 MOSFET基本结构和工作原理
三、MOSFET的分类
类型
衬底 S、D区 沟道载流子
VDS IDS方向 阈值电压
§7.2 MOSFET的阈值电压
一、MOSFET的阈值电压表达式
4.实际MOS结构的阈值电压
•平带电压VFB
VFB
Vms
Qox Cox
VT
Vms
Qox Cox
QBmax Cox
2F
栅源电压: ✓抵消金-半之间接触电势差 ✓补偿氧化层中电荷 ✓建立耗尽层电荷(感应结) ✓提供强反型的2倍费米势









VTn
Qox Cox
1 Cox
{2 0qN A[Vs
V ( y)
VBS
1
]} 2
2kT q
ln
NA ni
Vms
图7-5 MOS结构强反型时的能带图(a) 和电荷分布(b)
15
§7.2 MOSFET的阈值电压
一、MOSFET的阈值电压表达式
2.强反型条件 强反型:是指半导体表面积累的少数载流子的浓度达到和超过体 内平衡多子浓度的状态
表面势:半导体表面的电势VS
ns
n e(EF Ei ) i
kT
p0p
n e(Ei EF ) i
图7-2 MOSFET的物理模型
当栅极加有电压0<VGS<VT时,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,将漏极和源极沟通,所以不足 以形成漏极电流ID。
9
§7.1 MOSFET基本结构和工作原理 二、MOSFET的基本工作原理
表面耗尽层 反型层载流子的屏蔽作用 场感应结 理想MOS结构
• 忽略氧化层中电荷的影响 • 不计金属-半导体功函数差
理想MOS结构的阈值电压
QG Qox Qn QB 0
QG QB max 0
19
§7.2 MOSFET的阈值电压 一、MOSFET的阈值电压表达式
3.理想MOS结构的阈值电压
微电子器件原理
第七章 MOS场效应晶体管
第七章 MOS场效应晶体管
§7.1 基本结构和工作原理 §7.2 阈值电压 §7.3 I-V特性和直流特性曲线 §7.4 频率特性 §7.5 功率特性和功率MOSFET结构 §7.6 开关特性 §7.7 击穿特性 §7.8 温度特性 §7.9 短沟道和窄沟道效应
VTn
Vms
Qox Cox
qN A xd max Cox
2kT q
ln
NA ni
VTp
Vms
Qox Cox
qN D xd max Cox
2kT q
ln
ND ni
22
§7.2 MOSFET的阈值电压
二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析 1、VDS 2、VBS
1.偏置电压的影响 2.栅电容Cox 3.功函数差Φms 4.衬底杂质浓度的影响 5.氧化膜中电荷的影响
kT
当(EF Ei )s (Ei EF )V 时,ns p0p
定义费米势: F
(Ei
EF )体内 q
p0p
nieqF
kT
NA
F
kT q
ln
NA ni
16
§7.2 MOSFET的阈值电压
一、MOSFET的阈值电压表达式
2.强反型条件
ns
n
0 p
e
qVs
kT
ni2
p
0 p
e qVs
kT
n e q(Vs F ) kT i
5
6
§7.1 MOSFET基本结构和工作原理 一、MOSFET的基本结构
7
§7.1 MOSFET基本结构和工作原理
8Байду номын сангаас
§7.1 MOSFET基本结构和工作原理
二、MOSFET的基本工作原理
MOSFET的基本工作原理是基于半导体的“表面场效应”
当 VGS=0V 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。
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