2.4 MOS 场效应晶体管解析
mosfet半导体场效应晶体管mos管
主题：mosfet半导体场效应晶体管mos管一、介绍mosfet半导体场效应晶体管的基本概念mosfet（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor），即金属-氧化物-半导体场效应晶体管，是一种广泛应用于集成电路的半导体器件。
它由一段导电性较好的半导体材料形成的栅极和绝缘层构成，其结构与普通的晶体管有明显的不同，能够更好地控制电流。
二、mosfet半导体场效应晶体管的工作原理mosfet的工作原理主要包括局部场效应和接近场效应两种。
在局部场效应下，由于外加电压改变了栅极电场，从而控制了导通道的电荷密度；而在接近场效应下，则是通过改变栅极与半导体之间的电荷耦合来控制导通道。
这些原理使得mosfet在电子器件中大放异彩，成为了当今电子工业中不可或缺的一部分。
三、mosfet半导体场效应晶体管的特点和优势1. 高输入电阻：由于mosfet的栅极与通道之间的绝缘层，其输入电阻远高于普通晶体管，可降低输入功率。
2. 低输入电流：mosfet的控制方式与普通晶体管不同，可以通过改变栅极电场来控制电流，因此输入电流较低。
3. 低噪声：由于mosfet的工作原理，其本身产生的噪声很小，能够更好地保持信号的清晰度。
4. 大功率放大：mosfet在电子器件中功率放大的性能较好，能够适用于不同功率的应用场景。
四、mosfet半导体场效应晶体管的应用范围1. 集成电路：mosfet因为其体积小、功耗低、性能高等特点，被广泛应用于各类集成电路中，如微处理器、存储器等。
2. 功率放大器：mosfet在功率放大器中的应用也非常广泛，其高功率放大、低噪声等特点使得其成为了功率放大器的首选器件。
3. 波形整形电路：由于mosfet对信号的响应速度很快，能够在一定程度上实现波形的整形和放大，因此也被应用在波形整形电路中。
4. 逻辑电路：mosfet的工作原理使得其在逻辑电路中有较好的应用效果，能够实现快速开关和逻辑运算等功能。
MOS晶体管结构详细解析
MOS晶体管结构详细解析MOS晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Transistor）是一种广泛应用于电子器件中的半导体器件，也就是通常所说的场效应晶体管（Field-Effect Transistor，简称FET）的一种。
相比于双极晶体管，MOS晶体管具有更好的性能和更大的适用范围。
1.P型衬底：MOS晶体管的底部是一块P型衬底，通常为硅单晶衬底。
衬底可以提供基准电位和机械支撑，同时也可以降低晶体管的噪声和电流泄漏。
2.接地加区：在P型衬底中引入N型材料，形成N+接地加区。
该区域被用于连接电源负极，以为晶体管提供一个相对稳定的基准电位。
3. 氧化物层：在P型衬底上会覆盖一层氧化物（例如SiO2），起到电绝缘和保护的作用。
同时，氧化物也是Gate和衬底之间的电容层。
4. 金属栅极（Gate）：在氧化物层上面，我们通常放置一层金属栅极，可以通过控制栅极电压来控制晶体管的导电性。
5. N型沟道：当Gate电压较低时，P型衬底上的氧化物层下方形成一个通道，该通道中的材料为N型硅。
在这个沟道中，当Gate电压较低时，杂质离子的电子被吸引到栅极附近，形成一个可导电的通道。
6. P+加区：在N型沟道的两侧，通过掺杂硼（Boron）形成P+加区，即Source（源区）和Drain（漏区）。
这两个区域是用来连接电源正极和负极的。
7. S/D金属接触：Source和Drain区域都覆盖了一层金属接触，用于连接传输线以及外部电路。
当Gate电压较低时，MOS晶体管工作在截止区，即不导电状态。
当Gate电压较高时，形成的N型沟道内的电子可以在Source和Drain之间导电，即MOS晶体管处于导通状态。
MOS晶体管的工作原理大致如下：当Gate电压高于其中一阈值电平时，电子可以从Source注入沟道，然后流到Drain，形成漏电流。
增加Gate电压可以增加通道中的电子数目，从而增加漏电流。
而Gate电压低于阈值电平时，沟道中的电子数量非常少，导致漏电流非常小，即处于截止状态。
MOS管电路工作原理及详解
MOS管电路工作原理及详解在电子世界里，咱们的MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）就像是个神奇的小精灵，它能让电流自由穿梭，就像魔术师手里的魔杖一样。
想象一下，你正站在一片漆黑的森林里，突然一束光从天而降，照亮了整个森林，那不就是MOS管在发光吗？这个小精灵有个特别的地方，就是它的“开关”，一按下去，电流就畅通无阻；再一按，电流就像被按下了暂停键，啥也不动。
这就是MOS管的工作原理，简单粗暴，却又无比精准。
你知道吗，MOS管就像是一个微型的“开关”，它有两片金属片，中间夹着一个半导体，当电压足够高的时候，半导体就会被“点亮”，电流就能通过；电压低了，半导体就“熄灭”，电流就断了。
这就是MOS管的基本工作原理。
想象一下，你正在玩一个游戏，这个游戏的规则就是：当你的分数达到一定水平时，你就可以得到一个奖励；如果你的分数低于某个标准，那你就要被淘汰。
这就是MOS管在电路中的角色，它就像一个裁判，决定哪些信号可以通行，哪些信号需要被屏蔽。
但是，MOS管可不是只有开关功能那么简单哦。
它还有自己的“个性”，比如有些MOS管是N沟道的，有些是P沟道的。
这就决定了它们的工作方式和性能差异。
有的MOS管像是个急性子，反应快，适合做高频器件；有的则慢悠悠的，稳扎稳打，适合做低频器件。
这就是MOS管的多样性，它们各有千秋，各得其所。
MOS管还有“家族”之分呢！有的小精灵是三极管，有的小精灵是双极结型晶体管。
这些“家族成员”都有自己的特点和优势，就像不同的人有不同的性格一样。
这就是为什么我们要根据实际需求选择合适的MOS管，而不是盲目地追求“万能”。
MOS管也不是万能的。
有些时候，我们可能需要一些“特殊技能”才能驾驭它。
比如，要让一个MOS管正常工作，你得给它一个合适的偏置电压；要是想让它在特定条件下工作，那就得给它加上一些特殊的驱动信号。
这就需要我们具备一定的电子知识，才能让这些小精灵们发挥出最大的潜力。
MOS管就像是电子世界的魔法师，它们通过简单的开关动作，操控着电流的流动。
《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。
mos管的解析
MOS管的解析第一部分：介绍MOS管金属-氧化物-半导体场效应晶体管，通常称为MOS管，是一种关键的半导体器件，广泛应用于电子领域。
它在现代电子设备和集成电路中扮演着至关重要的角色。
为了更深入理解MOS管，我们将逐步探讨其结构、工作原理和应用领域。
1.1 结构MOS管通常由金属、氧化物和半导体材料构成。
其基本结构包括两个金属电极，分别被称为源极和漏极，它们与半导体材料之间通过一个绝缘层，即氧化物层，相隔开。
这个结构创造了一个场效应晶体管，通过改变栅极电压，可以控制源极和漏极之间的电流。
1.2 工作原理MOS管的工作原理基于栅极电压的控制。
当栅极施加正电压时，在氧化物层下形成一个电场，将半导体材料中的载流子排斥或吸引到接近漏极或源极的区域。
这种电场效应导致通道的形成或截断，从而控制了电流的流动。
MOS管有两种主要类型：N沟道MOS（NMOS）和P沟道MOS（PMOS），它们分别使用不同的载流子类型。
第二部分：MOS管的应用领域MOS管作为一种强大的电子器件，被广泛用于各种应用领域。
以下是一些主要领域的应用示例：2.1 集成电路MOS管在集成电路（ICs）中扮演着关键的角色。
ICs是现代电子设备的基础，包括计算机、智能手机、芯片卡等。
MOS管的微小尺寸和低功耗特性使其成为高度集成电路的理想选择。
2.2 数模转换MOS管用于模拟信号的数字到模拟转换（ADC）和模拟到数字转换（DAC）。
这些应用包括音频处理、通信系统和传感器技术。
2.3 逻辑电路MOS管用于数字逻辑电路，如门电路、触发器和寄存器。
它们用于执行各种计算和控制任务，是计算机处理和存储信息的核心。
2.4 放大器MOS管也被用作放大器，用于放大电信号，例如音频和射频信号。
这些放大器在音响系统、通信设备和射频通信中发挥着重要作用。
2.5 电源管理MOS管在电源管理电路中用于调整电压和电流，以满足不同设备的电能需求。
这对于延长电池寿命和提高设备效率至关重要。
MOS场效应晶体管课件
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
②
③
④
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
2023/12/22
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。
2023/12/22
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。
2023/12/22
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，
MOS场效应管的基本结构和工作原理
MOS场效应管的基本结构和工作原理很多人对MOS场效应管的工作原理、基本结构和检测方法不是很了解，尤其对于电工来说，如果有一个直观的概念可能在日常工作中能节省很多时间，而小编今天就搜集了整个对MOS场效应管的详细介绍，希望对各位电工朋友有所帮助。
MOS场效应管即金属-氧化物-半导体型场效应管，英文缩写为MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor，即金属氧化物合成半导体的场效应晶体管），属于绝缘栅型。
特点：金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层，因此具有很高的输入电阻（最高可达1015Ω）。
它也分N沟道管和P沟道管。
通常是将衬底（基板）与源极S接在一起。
MOS场效应管的基本结构和工作原理MOS场效应三极管分为：增强型（又有N沟道、P沟道之分）及耗尽型（分有N沟道、P沟道）。
N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号见图1。
其中：电极 D（Drain）称为漏极，相当双极型三极管的集电极；电极 G（Gate）称为栅极，相当于的基极；电极 S（Source）称为源极，相当于发射极。
1、N沟道增强型MOSFET（1）结构根据图1，N沟道增强型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，用符号B表示（2）工作原理① 栅源电压VGS的控制作用当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，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，所以仍然不足以形成漏极电流ID。
MOS场效应晶体管
分类
Junction type Field Effect Transistor
场 效 应 管
结型场效应三极管JFET 结型场效应三极管
N沟道 沟道 P沟道 沟道
绝缘栅型场效应三极管IGFET 绝缘栅型场效应三极管 Insulated Gate Field Effect Transistor
特性曲线
vG S 2 i D = I D SS (1 ) VP
vGD = vGS - vDS = VP
(a) N沟道结型 沟道结型FET 沟道结型 输出特性曲线
(b) N沟道结型 沟道结型FET 沟道结型 转移特性曲线
各类场效应三极管的特性曲线
N 沟 道 增 强 型 P 沟 道 增 强 型
绝 缘 栅 场 效 应 管
漏源电压对沟道的控制作用
出现预夹断后， 漏电流I 也增大。此时由于存在沟道电阻， 继续增大时，夹断长度会自上向 出现预夹断后 ， 当 VDS 继续增大时 此时由于存在沟道电阻 ， 当 VGS=0,VDS增大时 ， 漏电流 D也增大 。，时，d端 继续增大到使V -V漏电流I 端 当V增大时， 继续增大到使VGS，漏电流 =0 DS V =0,V =0时 端与栅极间的反压最高， DS=VP 当 GS 时 端与栅极间的反压最高，沿着 将使沟道内电位分布不均匀，其中d端与栅极间的反压最高 将使沟道内电位分布不均匀，其中 下延伸， 下延伸 ， 但从源极到夹断处的沟道上沟道电场基本不 DS D 附近的沟道被夹断，这称为“ 附近的沟道被夹断，这称为“预夹 沟道向下逐渐降低，源端最低，从而使耗尽层成楔形分布。 沟道向下逐渐降低，源端最低DS增加而上升，趋于饱和值。 变化， 基本不随V 增加而上升，趋于饱和值。 随VDS变化，ID基本不随V ，从而使耗尽层成楔形分布。 断”。
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（3）假定VGS增加, VDS=0
电场将两个N+的电子和P衬底 中电子继续吸引到表层与空穴 复合。排斥空穴，最终电子浓 度>空穴浓度。形成反型层。
两个N+相通，源、 漏极间形成N型 导电沟道。
VGS
VDS
S
N+
G D
N+
P 型衬底
空间电荷区
B
使导电沟道刚刚形成的VGS称为开启电压VGS(th)(或VT)
B
S
D
B
MOS场效应晶体管
（2）假定VGS>0（很小）, VDS=0
垂直于衬底表面产 生电场 VGS 电场将两个N+的多子 电子和P衬底中少子电子吸引 到表层与空穴复合。排斥空 穴，留下负空间电荷。
VDS
ID=0
N+
- -
S
N+
G D
P 型衬底
VGS很小时，源、漏极被 空间电荷隔断。
B
MOS场效应晶体管
SiO2
S
N+
G
D
N+
(掺杂浓度低)
P 型衬底
B 漏极和源极间的区域称为导电沟道
MOS场效应晶体管
由金属、氧化物和半导体 制成。称为金属-氧化物-半导 体场效应管，或简称 MOS 场 效应管（ MOSFET ） 栅极和其它电极及衬底之间 是绝缘的，所以又称为绝缘 栅场效应管（ IGFET ）
S
N+
MOS场效应晶体管
VDS>0
VGS足够大时,形成导 电沟道，如此时加有 漏源电压VDS，就可以 形成漏极电流ID。 导电沟道相当于电阻,VGS 越大此电阻越小。
VGS
VDS
ID>0
N+
S
N+
G D
P 型衬底 B
导电沟道形成后，VDS越大，ID越大。
MOS场效应晶体管
VDS>0
在栅极上电压为0时，漏源之间相 当于两个背靠背的 PN 结。且相隔很 远，可认为ID=0。 当栅极上加一定的电压后，源漏 之间加电场后会有明显的电流通过。 由于器件的电流是由电场控制的， 这就是场效应管的由来。
M
+
－
MOS场效应晶体管
2. MOS场效应晶体管(MOSFET)晶体结构 结型场效应管 场效应晶体管 绝缘栅场效应管 耗尽型 N沟道 P沟道 增强型 N沟道 P沟道
MOS场效应晶体管
结构示意图
L 沟道长度 W 沟道宽度
D(Drain)为漏极 G(Gate)为栅极 S(Source)为源极
MOS场效应晶体管
VGS
VDS ID=0
N
+
S
N+
G D
P 型衬底
B
VGS
VDS
D
S
N+
G
ID>0
N+
栅极电压——纵向电场 漏源电压——横向电场
P 型衬底 B
MOS场效应晶体管 这种在VGS=0时没有导电通道，而必须在栅极上加一定 的电压才形成的沟道的MOS管，称增强型MOS晶体管
VDS
两个P+相通，源、 漏极间形成P型导 电沟道。
VGS
S
P+
G D
P+
空间电荷区
N 型衬底
PMOS
B
MOS场效应晶体管
4
场效应晶体管的直流特性
(1)增强型NMOS A 转移特性曲线
I D f (VGS ) |VD S 常数
当VGS<VT时， 导电沟道还没有形成，ID≈0。 当VGS>VT时，导电沟道已形成， VDS>0,产生声漏源电流。随着 VGS的增大，ID也增大。
半导体中的少数载流子电子会到表面与空穴复 合，同时表面处的电子被排斥，电子留在表面。 表面处空穴的空穴浓度比内部低得多，能带向 下弯曲
M
－
MOS场效应晶体管 (3)少数载流子反型
VG>0(金属接正)
VG继续增大，表面处电子浓度增加并 超过空穴的浓度，形成与原来半导体导 电类型相反的一层，叫反型层。
N+
D
N+
(掺杂浓度低)
P 型衬底
B
MOS场效应晶体管
（1）假定VGS=0 VDS=0
VGS
两个N+被各自的空间电荷包围, 漏源之间相当于两个背靠背的 S
N+
VDS ID=0
D
N+
G
PN 结。无论漏源之间加何种
极性电压，总有一个PN结是 反偏的。且只有很小的反偏电 流，可认为ID=0 。
P 型衬底
增强型 NMOS
S
N+
PMOS
D
N+
G
S
P+
G
D
P+
(掺杂浓度低)
P 型衬底
(掺杂浓度低)
D(Drain)为漏极， G(Gate)为栅极， S(Source)为源极，
N 型衬底
B
符号 D B S
B D
B G S
G
MOS场效应晶体管 S
D(Drain) 为漏极 G(Gate) 为栅极 S(Source) 为源极 N+
G
D
N+
P 型衬底
(掺杂浓度低)
B
MOS场效应晶体管
3
工作原理（以增强型NMOS为例）
绝缘栅场效应管利用 VGS 来控制“感应电荷”的多少，
改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极
电流 ID。正常工作时， VGB>0，源极 S 和漏极 D与衬底之间的 pn结必须加电压。 VGS>0， VDS>0 且VGS>VDS S G
(金属-绝缘体-半导体，Metal-Insalator-Semiconductor)
MIS结构实际就是一个电容 I S 两端加电压后， 当 M—— M—S两端相对的两个面上被充电。 半导体 金属 绝缘层
金属：自由电子密度高，电荷分布在一个原子厚度的范围内 半导体：自由载流子密度低，电荷分布在一定厚度的表面层
MOS场效应晶体管 根据金属 — 半导体间所加电压VG的变化，半导体的电荷分布， 表面电势的变化，分为堆积、耗尽、反型三种情况。
－
以P型半导体为例：
M
(1)多数载流子堆积
VG<0(金属接负)
S
+
表面层出现空穴堆积而 带正电荷能带向上弯曲。
MOS场效应晶体管
+
(2)多数载流子耗尽
VG>0(金属接正)
G
D
N+
(掺杂浓度低)
P 型衬底
B MOSFET的结构是完全对称的，不加偏压下，无法 区分那一端是源极，那一端是漏极。
对于NMOS，加偏压后，将电位低的一端称源极，电 位高的一端呈漏极，电流方向从漏极流向源极。
PMOS相反。
MOS场效应晶体管
工艺
用扩散的方法 制作两个 N+区
在硅片表面生一 层薄 SiO2 绝缘层 在绝缘层上喷金 属铝（铝铜硅） 引出栅极 G 用金属引出 源极 S 和漏极 D
MOS场效应晶体管
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
半导体的特性 PN结和晶体管 双极型晶体管 MOS场效应晶体管 集成电路的无源器件
MOS场效应晶体管
2.4 MOS场效应晶体管(MOSFET)
Mental-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor 1. MIS结构
VT
无沟道
有沟道
MOS场效应晶体管
B 输出特性曲线
I D f (VDS ) |VG S 常数