MOS场效应晶体管 PPT
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MOS场效应晶体管
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
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 4.2 MOS场效应晶体管的阈值电压 4.2.1 MOS管阈值电压的定义 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 4.6.1 MOS场效应晶体管瞬态开关过程 4.6.2 开关时间的计算 4.7 MOS场效应晶体管的二级效应 4.7.1 非常数表面迁移率效应 4.7.2 体电荷效应对电流-电压特性的影响 4.7.3 MOS场效应晶体管的短沟道效应 4.7.4 MOS场效应晶体管的窄沟道效应 4.8 MOS场效应晶体管温度特性 4.8.1 热电子效应 4.8.2 迁移率随温度的变化
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——沟道，以电子导电的反型层称做N沟道。
感应表面电荷
一种典型的电压控制型器件 (VCCS)
电流通路——从漏极经过沟道到源极
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
源极和漏极之间始终有一个PN结反偏，IDS = 0
-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
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：环形结构、条状结构和梳状结构
基本结构参数 ---- 电容结构 MOS FET Fundamentals +
（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
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。
4.5 MOS管的交流小信号参数和频率特性 4.5.1 MOS场效应管的交流小信号参数 4.5.2 MOS场效应晶体管的频率特性
4.2.3 非理想条件下的阈值电压 4.2.4 影响阈值电压的其他因素 4.2.5 阈值电压的调整技术 4.3 MOS管的直流电流-电压特性 4.3.1 MOS管线性区的电流-电压特性 4.3.2 MOS管饱和区的电流-电压特性 4.3.3 亚阈值区的电流-电压特性 4.3.4 MOS管击穿区特性及击穿电压 4.4 MOS电容及MOS管瞬态电路模型 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
绝缘层SiO2(Insulator) 保护层
表面沟道(Channel) Ohmic contact 衬底电极(Substrate)
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：硅、锗、砷化镓和磷化铟等 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
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 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)。
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
漏-源输出特性
曲线与虚线的交点为“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）
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。
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
第四章 MOS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 流子，故统称为双极晶体管
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 (Unipolar)晶体管。
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;
单极型器件(靠多数载流子导电)；
特点
OUTLINE
输入电阻高：可达1010(有资料介绍可达1014）
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。
4.1 MOS场效应晶体管结构、工作原理和输出特性
MOS管结构
源极(Source) 栅极Al (Gate) 漏极(Drain)
UDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的;
（3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
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；
沟道宽度
栅绝缘层厚度tOX
表面电场 沟道长度 衬底掺杂浓度NA
D-S 间总有一个反接的PN结 产生垂直向下的电场
扩散结深
MOS管工作原理
正常工作时的偏置
感应表面电荷
电场排斥空穴 吸引电子
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 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，此时所对应的栅压称为 阈值电压UT 。
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
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 4.2 MOS场效应晶体管的阈值电压 4.2.1 MOS管阈值电压的定义 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 4.6.1 MOS场效应晶体管瞬态开关过程 4.6.2 开关时间的计算 4.7 MOS场效应晶体管的二级效应 4.7.1 非常数表面迁移率效应 4.7.2 体电荷效应对电流-电压特性的影响 4.7.3 MOS场效应晶体管的短沟道效应 4.7.4 MOS场效应晶体管的窄沟道效应 4.8 MOS场效应晶体管温度特性 4.8.1 热电子效应 4.8.2 迁移率随温度的变化
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——沟道，以电子导电的反型层称做N沟道。
感应表面电荷
一种典型的电压控制型器件 (VCCS)
电流通路——从漏极经过沟道到源极
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
源极和漏极之间始终有一个PN结反偏，IDS = 0
-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
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：环形结构、条状结构和梳状结构
基本结构参数 ---- 电容结构 MOS FET Fundamentals +
（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
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。
4.5 MOS管的交流小信号参数和频率特性 4.5.1 MOS场效应管的交流小信号参数 4.5.2 MOS场效应晶体管的频率特性
4.2.3 非理想条件下的阈值电压 4.2.4 影响阈值电压的其他因素 4.2.5 阈值电压的调整技术 4.3 MOS管的直流电流-电压特性 4.3.1 MOS管线性区的电流-电压特性 4.3.2 MOS管饱和区的电流-电压特性 4.3.3 亚阈值区的电流-电压特性 4.3.4 MOS管击穿区特性及击穿电压 4.4 MOS电容及MOS管瞬态电路模型 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
绝缘层SiO2(Insulator) 保护层
表面沟道(Channel) Ohmic contact 衬底电极(Substrate)
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：硅、锗、砷化镓和磷化铟等 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
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 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)。
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
漏-源输出特性
曲线与虚线的交点为“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）
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。
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
第四章 MOS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 流子，故统称为双极晶体管
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 (Unipolar)晶体管。
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;
单极型器件(靠多数载流子导电)；
特点
OUTLINE
输入电阻高：可达1010(有资料介绍可达1014）
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。
4.1 MOS场效应晶体管结构、工作原理和输出特性
MOS管结构
源极(Source) 栅极Al (Gate) 漏极(Drain)
UDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的;
（3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
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；
沟道宽度
栅绝缘层厚度tOX
表面电场 沟道长度 衬底掺杂浓度NA
D-S 间总有一个反接的PN结 产生垂直向下的电场
扩散结深
MOS管工作原理
正常工作时的偏置
感应表面电荷
电场排斥空穴 吸引电子
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 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，此时所对应的栅压称为 阈值电压UT 。