4-4MOS场效应晶体管

以P型半导体作衬底 两边扩散两个高浓度的N区 形成两个PN结
基质： 基质：硅、锗、砷化镓和磷化铟等 栅材： 栅材：二氧化硅、氮化硅、和三氧化二铝等 通常， MOS管以金属Al (Metal) −SiO2 (Oxide) −Si (Semicond -uctor)作为代表结构 制备工艺：MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它 制备工艺： 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。 结构： 结构：环形结构、条状结构和梳状结构
平方律关系
截止， 夹断区
当UGS > UT 时，随着UGS的增加，沟道中导电载流子数量增多， 沟道电阻减小，在一定的UDS的作用下，漏极电流上升。 UGS < UT 后，进入亚阈值区 亚阈值区工作，漏极电流很小。 亚阈值区
UTN ，开启电压
4.1.3 MOSFET的分类 的分类 根据导电沟道的起因和沟道载流子的类别可分成4种 ; 1、N沟道和 沟道 、 沟道和 沟道MOS场效应晶体管 沟道和P沟道 场效应晶体管 N沟道 沟道MOS场效应晶体管 沟道 场效应晶体管 制作在P型衬底上，漏-源区为重掺杂N+区； 导电载流子是N型导电沟道中的电子 电子; 电子 加上漏-源偏压后，输运电流的电子从源端流向漏端。 漏-源偏压为正，相当于NPN晶体管的集电极偏压；
强反型时，表面附近出现的与体内极性相反的电子导电层 称为反型层 反型层——沟道 沟道，以电子导电的反型层称做N沟道 沟道。 反型层 沟道 沟道
一种典型的电压控制型器件
感应表面电荷
电流通路——从漏极经过沟道到源极
分析： 分析：
zero applied bias
UGS=0, UDS≠0，漏端PN结反偏，反偏电流很小——器件截止 截止
4.1 MOS场效应晶体管结构、工作原理和输出特性 场效应晶体管结构 工作原理和 场效应晶体管结构、 MOS管结构 管
源极(Source) 栅极Al (Gate) 漏极(Drain)
绝缘层SiO2(Insulator) 保护层
表面沟道(Channel) Ohmic contact 衬底电极(Substrate)
surface potential 2( Ei − EF ) US≥ 2ψ F = N沟强反型时能带图 Strong Inversion EF
q
P型衬底 band bending
ψ Fp
NA kT = ln q ni
金属栅板上的面电荷密度
衬底掺杂浓度NB 表面态电荷密度
+ 导电电子电荷面密度
表面耗尽层 空间电荷面密度
漏源电流基本上不随UDS的增大而上升。
（5）击穿特性——曲线BC段
当UDS 达到或超过漏端PN结反向击穿电压时，漏端PN结 发生反向击穿；
转移特性( 转移特性 输入电压-输出电流) MOS晶体管的转移特性：漏源极电流IDS随栅源电压UGS变 转移特性： 转移特性 化的曲线，反映控制作用的强弱
管子工作于放大区时函数表达式
UDS≠0
④ 使半导体表面势US =2ψ F, ψ F 为衬底半导体材料的费米 势，US的大小相当于为使表
外推
面强反型所需加的栅电压。
③工作在饱和区时，将栅压与沟道电流关 系曲线外推到零时所对应的栅电压；
4.2.2 阈值电压的相关因素 阈值电压——表面出现强反型时所加的栅-源电压； 强反型——表面积累的少子浓度等于甚至超过衬底 多子浓度的状态； 电荷分布 Charge Distribution
P沟道 沟道MOS场效应晶体管 沟道 场效应晶体管
制作在N型衬底上，漏-源区为重掺杂P+区 栅极施加负压时，表面出现强反型而形成P型导电沟道; 传输电流的导电载流子是空穴 空穴; 空穴 在漏-源电压作用下，空穴经过P型沟道从源端流向漏端; 漏-源偏压为负，相当于PNP晶体管的集电极偏置电压;
增强型和耗尽型 按零栅压时(UGS＝0 ), 是否存在导电沟道来划分； 增强型器件 UGS = 0时，不存在导电沟道，漏源间被背靠背的PN结二 0 PN 极管隔离，即使加上漏源电压，也不存在电流，器件处 于“正常截止状态 正常截止状态”； 正常截止状态
第四章 MOS场效应晶体管 场效应晶体管
双极晶体管：参加工作的不仅有少数载流子，也有多数载 双极晶体管：参加工作的不仅有少数载流子，也有多数载 少数载流子 流子， 流子，故统称为双极晶体管
场效应管： 场效应管：利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流 的三极管;一种载流子参与导电，又称单极型 的三极管;一种载流子参与导电，又称单极型 (Unipolar)晶体管。 晶体管。 晶体管
电路中的电学符号——教材有误
M OSFET 的 类型 ： 增强型 N 沟 道 M OS 管 （ E 型 N M OSFET） ） 耗尽型 N 沟 道 M OS 管 （ D 型 N M OSFET ） 增强型 P 沟 道 M OS 管 （ E 型 P M OSFET） ） 耗尽型 P 沟 道 M OS 管 （ D 型 P M OSFET） ）
X dm 2 ε 0 ε S (2ψ F = qN B )
1 2
(向衬底方向的厚度)
电荷密度也达到最大值 Q Bm = qN B X dm 电中性条件要求 QG + QSS + QBm + Qn = 0 反型层(inversion layer)电子只存在于极表面的一层 极表面的一层，简化为 极表面的一层 QG + QSS + QBm = 0 理想条件下的阈值电压 忽略氧化层中的表面态电荷密度 QG = −QBm = −[2ε 0ε S N B (2ψ F )] 理想情况下，表面势完全产生于外加栅极电压
类 N沟
型
增强型
衬底 P
漏源区 沟道载流子 N+ P+ 电子
漏源电压 阈值电压
UT >0
正
UT <0 UT <0
耗尽型 增强型
P沟
耗尽型
N
空穴
负
UT >0
4.2 决定阈值电压的因素
4.2.1 阈值电压的定义 阈值电压——在漏-源之间半导体表面处感应出导电沟 ①阈值电压 道所需加在栅电极上的电压UGS 。 临界栅-源电压 ②表示MOS管是否导通的临界栅 源电压 临界栅 源电压。
外加栅电压UGS在表面产生感应负电荷，随着栅极电压的增加，表 面将逐渐形成耗尽层。但耗尽层电阻很大，流过漏—源端的电流很 小，也只是PN结反向饱和电流，这种工作状态称为截止状态 截止状态。 截止状态
（2）线性区特性（UGS ≥UT）——曲线OA段 表面形成反型层时，反型层与衬底间 同样形成PN结，这种结是由表面电 场引起的; ——场感应结 场感应结
沟道夹断条件 UDS =UGS −UT
UDS +UT =UGS
当电压继续增加到漏端栅绝缘层上的有效电压降低于表面 强反型所需的阈值电压UT 时，漏端表面的反型层厚度减小 到零，即漏端处沟道消失，只剩下耗尽区，这就是：沟道 沟道 夹断。 夹断 使漏端沟道夹断所需加的漏-源电压UDS称为饱和漏-源电压 (UDsat)，对应的电流 I 称为饱和漏-源电流(IDsat)。
MOS场效应晶体管 场效应晶体管 场效应
MOS Field Effect Transistor Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor
4.1 MOS管的结构、工作原理和输出特性 管的结构、 管的结构 4.1.1 MOS场效应晶体管的结构 4.1.2 基本工作原理和输出特性 4.1.3 MOS场效应晶体管的分类 4.5 MOS管的交流小信号参数和频率特性 管的交流小信号参数和频率特性 4.2 MOS场效应晶体管的阈值电压 场效应晶体管的阈值电压 4.5.1 MOS场效应管的交流小信号参数 4.2.1 MOS管阈值电压的定义 4.5.2 MOS场效应晶体管的频率特性 4.2.2 MOS管阈值电压的表示式 4.6 MOS场效应晶体管的开关特性 场效应晶体管的开关特性 4.2.3 非理想条件下的阈值电压 4.6.1 MOS场效应晶体管瞬态开关过程 4.2.4 影响阈值电压的其他因素 4.6.2 开关时间的计算 4.2.5 阈值电压的调整技术 4.7 MOS场效应晶体管的二级效应 场效应晶体管的二级效应 4.3 MOS管的直流电流 电压特性 管的直流电流-电压特性 管的直流电流 4.7.1 非常数表面迁移率效应 4.3.1 MOS管线性区的电流-电压特性 4.7.2 体电荷效应对电流-电压特性的影响 4.3.2 MOS管饱和区的电流-电压特性 4.7.3 MOS场效应晶体管的短沟道效应 4.3.3 亚阈值区的电流-电压特性 4.7.4 MOS场效应晶体管的窄沟道效应 4.3.4 MOS管击穿区特性及击穿电压 4.8 MOS场效应晶体管温度特性 场效应晶体管温度特性 4.4 MOS电容及 电容及MOS管瞬态电路模型 电容及 管瞬态电路模型 4.8.1 热电子效应 4.4.1 理想MOS结构的电容-电压特性 4.4.2 MOS管瞬态电路模型-SPICE模型 4.8.2 迁移率随温度的变化 4.8.3 阈值电压与温度关系 4.8.4 MOS管几个主要参数的温度关系
（4）饱和区特性——曲线AB段 继续增加UDS比UDsat大得多时, (UDS −UDsat )将降落在漏端附 近的夹断区上,夹断区将随UDS的增大而展宽, 夹断点将随UDS 的增大而逐渐向源端移动,导电沟道的有效厚度基本不再改 变，栅下面表面被分成反型导电沟道区和夹断区两部分。
沟道中的载流子不断地由源端向漏端漂移，当到达夹断点 时，立即被夹断区的强电场扫入漏区，形成漏极电流。
当UGS > UT后，表面形成强反型导电沟道，若加上偏置电压UDS ， 载流子就通过反型层导电沟道，从源端向漏端漂移，由漏极收 集形成漏-源电流IDS。UGS增大，反型层厚度亦增厚，因而漏-源 电流线性增加。 UDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的;
（3）沟道夹断——曲线A点
绝缘层内不同点的电 场强度不同,左高右低
Ideal MOS Curves
Semiconductor surface
Neutrals region
Oxide
Inversion region Depletion region
P-type silicon
Band diagram
(p-type substrate)
表面强反型时，表面耗尽层(surface depletion-layer)宽度达到最大
耗尽型器件 当衬底杂质浓度低, 而SiO2层中的表面态电荷密度又 较大，在零栅压时，表面就会形成反型导电沟道，器件 处于导通状态; 要使沟道消失，必须施加一定的反向栅压，称为阈值 阈值 电压(夹断电压 电压 夹断电压)； 夹断电压 二者的差别：在于耗尽型管的二氧化硅绝缘层中掺有大量 的碱金属正离子 正离子(如Na++或K++)，会感应出大量的电子。 正离子
基本结构参数 基本结构参数 ---- 电容结构 MOS FET Fundamentals +
沟道宽度
表面电场 栅绝缘层厚度tOX 沟道长度 衬底掺杂浓度NA
扩散结深
D-S 间总有一个反接的PN结 产生垂直向下的电场
MOS管工作原理 管
正常工作时的偏置
感应表面电荷
电场排斥空穴
吸引电子
பைடு நூலகம்
栅压从零增加，表面将由耗尽逐步进入反型状态，产生电子积 积 累。当栅压增加到使表面积累的电子浓度等于或超过衬底内部 的空穴平衡浓度时，表面达到强反型 强反型，此时所对应的栅压称为 强反型 阈值电压U 阈值电压 T 。
原理： 原理：利用改变垂直于导电沟道的电场强度来控制沟道 的导电能力而实现放大作用; 的导电能力而实现放大作用
单极型器件(靠多数载流子导电)； 输入电阻高：可达1010Ω(有资料介绍可达1014Ω） 特 点
OUTLINE
以上、抗辐射能力强 ； 制作工艺简单、易集成、热稳定性好、功耗小、 体积小、成本低。
导电沟道呈现一个楔形 沿沟道有电位梯度
表面强反型形成导电沟道时，沟道呈现电阻特性，漏-源电流通 过沟道电阻时，将在其上产生电压降。 UDS较大时，靠近D区的导电沟道变窄。 栅绝缘层上的有效电压降从源到漏端逐渐减小，UDS很大时，降 落在栅下各处绝缘层上的电压不相等，反型层厚度不相等，因而 导电沟道中各处的电子浓度不相同；
源极和漏极之间始终有一个PN结反偏，IDS = 0
UGS≠0, UDS≠0，表面形成沟道，漏区与源区连通，电流明显； ——器件导通 导通
漏-源输出特性 源
曲线与虚线的交点为“夹断点 夹断点” 夹断点
预夹断轨迹
可变电 阻区
恒流区(放大区或饱和区) 击穿区
夹断区(截止区)
下面分区讨论 各区的特点
Operation Modes （1）截止区特性（UGS <UT 开启电压）