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”。
场效应晶体管解析
CMOS闩锁效应
源漏区相对于衬底正偏时，会向邻近区域的反偏PN 接注入少子，相邻的NMOS和PMOS相互交换少子发生 闩锁效应。
CMOS器件的寄生双极晶体管被触发导通，在电源 和地之间存在一个低阻通路，产生大短路电流，导致 无法正常工作，甚至烧毁。
通过对沟道的注入可以改变MOS 晶体管的阈值电 压。P 型注入使阈值电压正向移动，N型注入使阈值电 压负向移动。
单独使用硼注入就可以调整两种类型晶体管的阈值 电压。简称为阈值调整。进行了注入的称为调整晶体管 ，而没有进行注入的晶体管称为自然晶体管。
许多工艺都提供自然晶体管作为一个工艺选项，该 选项需要一层单独的掩膜。
晶体管尺寸的缩小实际上改善了它的性能。减小 尺寸使得寄生电容变小，而开关速度变快。延迟减小
小尺寸晶体管不仅开关速度变快，而且翻转时的 功耗降低。
晶体管按比例缩小
5. 按比例缩小理论常用于转换现有的数字版图使之可 采用更新的工艺实现。设计者只需简单的运行一个 可把所有数据按特定比例缩小的程序，而不用辛苦 地重新设计版图。这种类型的按比例缩小称为光学 收缩（optical shrink），因为它与使用光学方法使用 现有掩膜缩小的结果相同。
芯片闩锁 测试 每个管脚上施加正向或者负向的测试电流脉冲，芯片
上电，电流脉冲从小到±100mA，最大到250mA，电流 施加之前和之后测量电源电流，如果不近似相等，则 不能通过测试
CMOS闩锁效应
当N阱或者衬底上的电流足够大，使得R1或R2上的压 降超过0.7V，就会使Q1或者Q2开启。
例如Q1开启，它会提供足够大的电流给R2，使得R2 的压降达到0.7V，R2也会开启，反馈电流给Q1，
场效应晶体管工作状态-概述说明以及解释
场效应晶体管工作状态-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分的内容为：场效应晶体管（Field Effect Transistor，缩写为FET）是一种重要的半导体器件，广泛应用于电子设备中。
它是一种可以控制电流流动的三个电极的器件，包括栅极、漏极和源极。
与普通的双极型晶体管相比，场效应晶体管具有更高的输入电阻、较低的噪声和较高的频率响应，使得它在放大、开关和模拟电路中具有很大的优势。
场效应晶体管的工作原理是基于栅极电场的控制作用。
通过在栅极施加一定的电压来控制漏极和源极之间的电流，从而实现对电路的控制。
场效应晶体管的工作状态可以通过栅极电压和漏极电流来表示，主要包括截止、放大和饱和三个状态。
在截止状态下，栅极电压较低，漏极电流较小，晶体管处于关闭状态，电路中几乎没有电流流动。
在放大状态下，栅极电压适当增加，漏极电流逐渐增大，晶体管开始放大信号。
在饱和状态下，栅极电压继续增加，漏极电流达到最大值，晶体管处于稳定放大状态。
场效应晶体管的特性参数包括漏极电流、互导、最大功率、负反馈等。
这些参数反映了器件的工作性能和特点，对于电子设备的设计和应用具有重要的指导意义。
总而言之，场效应晶体管作为一种重要的半导体器件，在电子设备中发挥着重要的作用。
它的工作原理和工作状态对于理解和应用该器件至关重要。
深入了解场效应晶体管的工作状态和特性参数，对于合理设计电子电路、提高电路性能具有重要意义。
1.2 文章结构文章结构部分的内容应包含对整个文章的结构进行简要介绍和概述。
需要说明文章的主要分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分主要包括概述、文章结构和目的。
在概述中，可以简要介绍场效应晶体管的重要性和广泛应用，以及为什么有必要探讨其工作状态。
接着，说明文章的结构，即引言、正文和结论三个主要部分。
最后，明确文章的目的，即为了深入理解场效应晶体管的工作状态及其特性参数。
正文部分是文章的核心，主要包括场效应晶体管的基本原理、工作状态以及特性参数。
《场效应晶体管》课件
在制造过程中，压力也是一个重要的参数，它能够影响材 料的物理性质和化学反应速度，从而影响晶体管的性能。
时间
时间是制造过程中的另一个重要参数，不同的工艺步骤需 要不同的时间来完成，时间过长或过短都可能影响晶体管 的性能。
气体流量
在化学气相沉积等工艺中，气体流量是关键的参数之一， 它能够影响材料的生长速度和均匀性，从而影响晶体管的 性能。
掌握搭建场效应晶体管放大电路的基本技 能。
05
06
学会使用示波器和信号发生器测试放大电 路的性能。
特性测量实验
实验三：场效应晶体管的 转移特性与输出特性测量
分析测量结果，理解场效 应晶体管的工作机制。
学习测量场效应晶体管频 率响应和噪声特性的方法。
掌握场效应晶体管转移特 性和输出特性的测量方法。
实验四：场效应晶体管的 频率响应与噪声特性测量
了新的可能。
制程技术优化与突破
制程技术
不断缩小晶体管的尺寸，提高集成度和能效比，同时降低制造成本。
突破
探索新型制程技术，如纳米线、纳米孔等新型器件结构，以提高场效应晶体管的性能和 稳定性。
应用领域的拓展与挑战
要点一
应用领域
场效应晶体管的应用领域不断拓展，包括通信、物联网、 智能制造、医疗电子等领域。
要点二
挑战
随着应用领域的拓展，对场效应晶体管的性能要求也越来 越高，需要不断研究和改进以满足市场需求。
Part
06
实验与习题
基本实验操作
实验一：场效应晶体管的认知与检测
01
02
了解场效应晶体管的基本结构和工作原理。
学习使用万用表检测场效应晶体管的方法 。
03
04
实验二：场效应晶体管放大电路的搭建与 测试
MOS场效应晶体管ppt课件
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 场效应晶体管
工作原理
mosfet通过在金属-氧化物-半导 体结构上施加电压，控制电子流动， 实现信号放大和开关作用。
结构
mosfet由栅极、源极、漏极和半导 体层组成，具有对称的结构。
mos 场效应晶体管的应用
集成电路
mosfet是集成电路中的基本元件， 广泛应用于数字电路和模拟电路 中。
工作原理概述
电压控制
导电通道的形成与消失
mos场效应晶体管是一种电压控制器 件，通过在栅极施加电压来控制源极 和漏极之间的电流流动。
随着栅极电压的变化，导电通道的形 成与消失，从而控制源极和漏极之间 的电流流动。
反型层
当在栅极施加正电压时，会在半导体 表面产生一个反型层，使得源极和漏 极之间形成导电通道。
电压与电流特性
转移特性曲线
描述栅极电压与漏极电流之间关 系的曲线。随着栅极电压的增加， 漏极电流先增加后减小，呈现出
非线性特性。
跨导特性
描述源极电压与漏极电流之间关 系的曲线。跨导反映了mos场效
应晶体管的放大能力。
输出特性曲线
描述漏极电压与漏极电流之间关 系的曲线。在一定的栅极电压下， 漏极电流随着漏极电压的增加而
增加，呈现出线性特性。
Part
03
mos 场效应晶体管的类型与 特性
nmos 场效应晶体管
总结词
NMOS场效应晶体管是一种单极型晶体管，其导电沟道由负电荷主导。
详细描述
NMOS场效应晶体管通常由硅制成，其导电沟道由负电荷主导，因此被称为 NMOS。在NMOS中，电子是主要的载流子，其源极和漏极通常为n型，而衬 底为p型。
制造工艺中的挑战与解决方案
1 2 3
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）
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
（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