第五章 MOS场效应管的特性.

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MOS场效应管

MOS场效应管
两个N区
N
N
P
G
P型基底 SiO2绝缘层
S
导电沟道
N沟道增强型
3
SG D
P
P
N
D G
S
P 沟道增强型
4
2、MOS管的工作原理
UGS=0时
UGS UDS
S GD
ID=0
对应截止区
N
N
P
D-S 间总有一
个反接的PN

5
UGS>0时
UGS UDS
S GD
UGS足够大时 (UGS>VGS(Th)) 感应出足够多电
画电路的交流等效电路如右图,这里采用的是MOS管的简化模型,可得:
AVv vo i gm vvggsR s DgmRD
46
二、有源电阻
ID

unCoxW 2L
(VGS
VGS
(
th )
)2
(1

VDS VA
)

unCoxW 2L
(VGS
VGS(th) )2 (1 VDS )

unCoxW 2L
予夹断曲线
40
四、主要参数:
1、夹断电压VP:
2、饱和漏极电流IDSS:
3、直流输入电阻RGS(DC):栅压除栅流
4、低频跨导gm:
gm viGDS|vDS常数
5、输出电阻rd: 6、最大漏极电流IDM:
rd viDDS|vGS常数
7、最大耗散功率PDM:
8、击穿电压:V(BR)DS、V(BR)GS
V GS
)2
( th )
0 . 25 (11 2 I D 5 ) 2
I

MOSFET场效应管(MOS管)

MOSFET场效应管(MOS管)
MOSFET場效應管
MOS管基本知識
MOS管的定義與類型 MOS管結構圖及封裝 MOS管的基本參數 MOS管的作用 MOS管與三極管的區別 如何判斷MOS管好壞
MOS管的定義與類型
MOSFET(場效應管)是Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor的首字母 缩写﹐簡稱MOS管。 它是只有一種載流子參與 導電的半導體器件﹐是用輸入電壓控制輸出電 流的半導體器件。
MOS管常用封裝
SOT-89
MOS管基本參數
參數符號 參數名稱
VGS(th)
BVDSS
閾值(開啟)電壓 擊穿電壓
RDS(on)
導通電阻
IDSS
漏電流
MOSห้องสมุดไป่ตู้的作用
開關﹕ NMOS的特性,Vgs大于一定的值就会导通,适合用于源极
接地时的情况(低端驱动),只要栅极电压达到4V或10V就可以了。 PMOS的特性則剛好相反。
Vout
Vin
放大
MOS管與三極管的區別
結構 工作原理
作用
相同點
P/N結構成 小信號控制 開關﹑放大
不同點
MOS管控制端(G)是 絕緣的,三極管控制端 (B)是導通的。 MOS管受電壓控制﹐ 三極管受電流控制。
MOS管偏于開關作用 三極管偏于放大作用
如何判斷MOS管好壞
量測前﹐先把GS兩端短路放電﹐然后用歐姆表 量測DSG任意兩端電阻為M歐級﹐假若先量測GS, 再量測DS兩端電阻﹐其阻值會明顯變小或者通路。 這些都是一個正常的MOS管所具備的。
MOS管分為兩大類型﹕耗盡型(DMOS )和增強 型(EMOS )。每一類都有N溝道和P溝道兩種導 電類型。實際應用的是增強型的N溝道和P溝道 MOS管﹐即NMOS和PMOS。

5MOS场效应管的特性

5MOS场效应管的特性
是一个非线性电容,随电位差的增大而减小。
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5MOS场效应管的特性
• 随着Vgs的增大,排斥掉更多的空穴,耗尽层厚度 Xp增大,耗尽层上的电压降就增大,因而耗尽层 电容CSi就减小。耗尽层上的电压降的增大,实际 上就意味着Si表面电位势垒的下降,意味着Si表面 能级的下降。
• 一旦Si表面能级下降到P型衬底的费米能级,Si表 面的半导体呈中性。这时,在Si表面,电子浓度 与空穴浓度相等,成为本征半导体。
击穿区
0
Vds
10
5MOS场效应管的特性
MOS电容是一个相当复杂的电容,有多层介质: 在栅极电极下面有一层SiO2介质。SiO2下面是P型衬底,最后
是衬底电极,同衬底之间是欧姆接触。 MOS电容与外加电压有关。
1)当Vgs<0时,栅极上的负电荷吸引了P型衬底中的多数载流 子—空穴,使它们聚集在Si表面上。这些正电荷在数量上 与栅极上的负电荷相等,于是在Si表面和栅极之间,形成 了平板电容器,其容量为,
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5MOS场效应管的特性
• •
在非饱和区 饱和区
IdsVdsCa1Vgsb1
Idsa2V gs V T2
Idstoo xx W LVgsV TV ds1 2V ds2
Ids 1 2tooxxW LVgsVT 2
(Ids 与 Vds无关) . MOSFET是平方律器件!
Ids
饱和区
线性区
5
5MOS场效应管的特性
• 当栅极不加电压或加负电压时,栅极下面的区域保持P型导 电类型,漏和源之间等效于一对背靠背的二极管,当漏源电 极之间加上电压时,除了PN结的漏电流之外,不会有更多 电流形成。
• 当栅极上的正电压不断升高时,P型区内的空穴被不断地排 斥到衬底方向。当栅极上的电压超过阈值电压VT,在栅极 下的P型区域内就形成电子分布,建立起反型层,即N型层, 把同为N型的源、漏扩散区连成一体,形成从漏极到源极的 导电沟道。这时,栅极电压所感应的电荷Q为,

MOS场效应管特性曲线及主要参数

MOS场效应管特性曲线及主要参数

12
Lec 05
华中科技大学电信系 张林
MOSFET是如何实现信号放大的?
与BJT类似,FET也有器件参数,选用时必须以此为依据
二、交流参数
iD
1. 输出电阻rds
rds
vDS iD
VG S
rds=
1 斜率
Q VGSQ
由 iD Kn (vGS VT )2 (1 vDS )

vDS
rds
[ λKn (vGS
vDS=vGS-VT(或 vGD=vGS-vDS=VT)
可变电阻区
3V
2 (非饱和区)
① 截止区
1.5
当vGS<VT时,导电沟道 1
尚 未 形 成 , iD = 0 , 为 截
止工作状态。
0.5
饱和区 2.5V
2V vGS=1.5V
截止区
0 2.5 5 7.5 10
vDS/V
2
Lec 05
华中科技大学电信系 张林
MOSFET是如何实现信号放大的?
其它类型的MOSFET —— N沟道耗尽型MOSFET
二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子,已存在导电沟道
可以在正或负的栅源电压下工作,而且基本上无栅流
s
g 掺杂后具有正 d
离子的绝缘层 二氧化硅
d
++++++++++
N+
N+
耗尽层 N 型沟道 P
衬底 g
B
s
B 衬底引线
特性方程 iD Kn (vGS VT )2 (非线性, =0)
可变电阻区工作条件 vGS >VT , vDS <(vGS-VT)
特性方程 iD 2Kn (vGS VT ) vDS

第五章MOS场效应管的特性

第五章MOS场效应管的特性

饱和区 击穿区
0
2019/1/31
Vds
9
东南大学
射 频 与 光 电 集 成 电 路 研 究 所
5.1.2 MOSFET电容的组成
MOS电容是一个相当复杂的电容,有多层介质: 首先,在栅极电极下面有一层SiO2介质。SiO2下面是P型 衬底,衬底是比较厚的。最后,是一个衬底电极,它同 衬底之间必须是欧姆接触。 MOS电容还与外加电压有关。 1 )当 Vgs<0 时,栅极上的负电荷吸引了 P 型衬底中的多 数载流子—空穴,使它们聚集在Si表面上。这些正电 荷在数量上与栅极上的负电荷相等,于是在Si表面和 栅极之间,形成了平板电容器,其容量为, oxWL oxWL
它是耗尽层两侧电位差的函数,因此,耗尽层 电容为,
dQ 1 CSi WL 2 Si qNA dv 2
1 2
Si qNA WL 2
是一个非线性电容,随电位差的增大而减小。
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东南大学
射 频 与 光 电 集 成 电 路 研 究 所
' = 4.5, 0 = 0.88541851.10-11 C.V-1.m-1
Vge是栅级对衬底的有效控制电压 其值为栅级到衬底表面的电压减VT
ox W
1 with Vge Vgs VT Vds 2
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7
东南大学
射 频 与 光 电 集 成 电 路 研 究 所
Cox tox tox

通常, ox=3.98.85410-4 F/cm2;A 是面积,单位 是cm2;tox是厚度,单位是cm。
2019/1/31

电子电工学——模拟电子技术 第五章 场效应管放大电路

电子电工学——模拟电子技术 第五章 场效应管放大电路
1. 最大漏极电流IDM
场效应管正常工作时漏极电流的上限值。
2. 最大耗散功率PDM
由场效应管允许的温升决定。
3. 最大漏源电压V(BR)DS 当漏极电流ID 急剧上升产生雪崩击穿时的vDS值。
4. 最大栅源电压V(BR)GS
是指栅源间反向电流开始急剧上升时的vGS值。
5.2 MOSFET放大电路
场效应管是电压控制器件,改变栅源电压vGS的大小,就可以控制漏极 电流iD,因此,场效应管和BJT一样能实现信号的控制用场效应管也 可以组成放大电路。
场效应管放大电路也有三种组态,即共源极、共栅极和共漏极电路。
由于场效应管具有输入阻抗高等特点,其电路的某些性能指标优于三极 管放大电路。最后我们可以通过比较来总结如何根据需要来选择BJT还
vGS<0沟道变窄,在vDS作用下,iD 减小。vGS=VP(夹断电压,截止电 压)时,iD=0 。
可以在正或负的栅源电压下工作,
基本无栅流。
2.特性曲线与特性方程
在可变电阻区 iD
Kn
2vGS
VP vDS
v
2 DS
在饱和区iD
I DSS 1
vGS VP
2
I DSS KnVP2称为饱和漏极电流
4. 直流输入电阻RGS
输入电阻很高。一般在107以上。
二、交流参数
1. 低频互导gm 用以描述栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用。
gm
iD vGS
VDS 常数
2. 输出电阻 rds 说明VDS对ID的影响。
rds
vDS iD
VGS 常数
3. 极间电容
极间电容愈小,则管子的高频性能愈好。
三、极限参数
D iD = 0

MOS管(新)分析

MOS管(新)分析

27
例.如图,设VT=1V, Kn=500μA/V2 , VDD=5V, -VSS=-5V, Rd=10K,
R=0.5K, Id=0.5mA 。若流过Rg1, Rg2的电流是ID的1/10,试确定
Rg1, Rg2的值。
VDD
解.作出直流通路,并设MOS工作在饱和 区,则由:
2


Rg 2 200
IDSS mA
<0.35
<1.2 6~11 0.35~1.2 0.3~1
VRDS V
>20 >20 >20 >12
VRGS V
>20 >20 >20 >25 -25
VP
gm
V mA/ V
-4
≥2
-4
≥3
-5.5 ≥8
-4
≥2
fM MHz 300
90
1000
5.2 MOSFET放大电路
5.2.1 MOSFET放大电路
工作于可变电阻区的ID: ID 2Kn (VGS VT )vDS
25
5.2 MOSFET放大电路 5.2.2 带源极电阻的NMOS共源极放大电路 (1) 直流通路
VGS VG VS
Rg1


Rg 2
Rg1 Rg 2
(VDD
VSS
)
VSS


(IDR
VSS
由V-I特性估算 gm
gm

diD dvGS
vDS
[Kn (vGS VT )2 ]
vGS
vDS
2Kn (vGS
VT )
因为 iD Kn (vGS VT )2

mos场效应管工作原理

mos场效应管工作原理

mos场效应管工作原理
MOS场效应管(MOSFET)是一种常用的三端可控硅器件,
其工作原理基于金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)结构。

MOS场效应管的结构包括三层:金属层、绝缘层(通常是二
氧化硅)和半导体层(通常是硅)。

绝缘层将金属层与半导体层隔离开来,形成了一个被控制的电介质层。

MOS场效应管有两种常见的工作模式:增强型(enhancement mode)和耗尽型(depletion mode)。

在增强型MOS场效应管中,当控制端加有正电压时,电子注
入到半导体中,形成一个导电层,从而增强了导电特性。

这时,可以在控制端和源端之间输出一个较大电流。

在耗尽型MOS场效应管中,当控制端加有负电压时,导电特
性被减弱。

这时,控制端和源端之间的电流较小。

MOS场效应管的主要工作原理是通过控制栅电压来改变栅和
源之间的电场,从而控制了栅氧化物与半导体之间的电荷分布。

这种电场效应可以调节通道中的载流子浓度,进而影响了器件的导电特性。

总之,MOS场效应管是通过调节控制栅电压来改变器件导电
特性的三端可控硅器件,其工作原理基于金属-氧化物-半导体
结构和电场效应。

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5.6 MOSFET尺寸按比例缩小
5.7 MOS器件的二阶效应
Science and Technology of Electronic Information
MOS管特性
5.1.1 MOS管伏安特性的推导
两个PN结:
1)N型漏极与P型衬底; 2)N型源极与P型衬底。
同双极型晶体管中的PN 结
一样,在结周围产生了耗尽层。
在耗尽层中束缚电荷的总量为
2 Si Q qNA X pWL qN AWL WL 2 Si qNA q NA
G G + + + + + + tox 沟道 耗尽层 P型衬底 Vss Vss
MOS管的电容
Co 沟道 Cdep
d
MOS电容
1 )当 Vgs<0 时,在 Si 表面和栅极之间, 形成了平板电容器,其容量为:
Cox
oxWL
tox

oxWL
tox
通 常 , ox=3.98.85410-4 F/cm2 ; W 为栅宽, L 为栅极长, 单位是 cm2 ; tox 是厚度,单位是cm。
这时,栅极电压所感应的电荷Q为,
Q=CVge 式中Vge是栅极有效控制电压。
MOS管特性
电荷在沟道中的渡越时间
非饱和时(沟道夹断),在漏源电压Vds作用 下,这些电荷Q将在时间内通过沟道,因此有
L L2 Eds Vds L
为载流子速度,Eds= Vds/L为漏到源方向电场强度,Vds为漏 到源电压。 为载流子迁移率: n n µ n = 650 cm2/(V.s) 电子迁移率(NMOS) µ p = 240 cm2/(V.s) 空穴迁移率(PMOS)
集成电路设计基础
Basic of Integrated Circuit Design
电子信息工程系 武 斌
Science and Technology of Electronic Information
MOS管特性
第五章
MOS 场效应管的特性
5.1 MOS场效应管
5.2 MOS管的阈值电压 5.3 体效应 5.4 MOSFET的温度特性 5.5 MOSFET的噪声
一个电容器结构
栅极与栅极下面区域形成一个电容器,
是MOS管的核心。
MOS管特性
MOSFET的三个基本几何参数
poly-Si G D W S diffusion L t ox
p+/n+ p+/n+
栅长:L; 栅宽: W; 氧化层厚度: tox Lmin: MOS工艺的特征尺寸(feature size) L影响MOSFET的速度, W决定电路驱动能力和功耗 L和W由设计者选定,通常选取L= Lmin,
1 1 C C C Si ox
1
+
N+ N+ N+
G N+ N+
以SiO2为介质的电容器—Cox 以耗尽层为介质的电容器—CSi
MOS管的电容
MOS电容—束缚电荷层厚度
耗尽层电容的计算方法同 PN 结的耗尽层电容的计算 方法相同,利用泊松方程

2
1
Si
MOS管的电容
SiO2和耗尽层介质电容
2 ) 当 Vgs>0 时, MOS 电容器可以看成两个电容器 的串联。 栅极上的正电荷排斥了Si中的空穴,在栅极下
面的Si表面上,形成了一个耗尽区。耗尽区中空穴被赶走 后剩下的固定的负电荷,分布在厚度为Xp的整个耗尽区内; 而栅极上的正电荷则集中在栅极表面,基底接负极。
MOSFET饱和特性
当Vgs-VT=Vds时,满足: Ids达到最大值Idsmax,其值为 Vgs-VT=Vds,意味着: Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT =0 沟道夹断,电流不会再增大, 因而,这个 Idsmax 就是饱和电流。
dIds 0 dVds
I dsmax 1 ox W 2 Vgs VT 2 tox L
(Ids与Vds无关, 与 Vgs有关)
I ds a2 V Idsgs VT
线性区


2
饱和区 击穿区
0
MOS管特性
Vds
5.1.2 MOSFET电容的组成
MOS 电容是一个相当复杂的电容,具有多层介 质,在栅极电极下面有一层 SiO2 介质, SiO2 下面是 P 型衬底,最后是衬底电极,同衬底之间是欧姆接触。
′ = 4.5,
1 2 Vgs VT Vds Vds 2
1 Vge Vgs VT Vds 2
= '.0 栅极-沟道间氧化层介电常数,
0 = 0.88541851.10-11 C.V-1.m-1
Vge:栅级对衬底的有效控制电压
MOS管特性
MOS管特性
MOSFET特性曲线
• 在非饱和区 呈线性电阻 • 饱和区
I ds
ox W
tox
ds C

1 2 V V V Vds gs T ds L 2
I ds V
a1Vgs b1
2 1 ox W I ds Vgs VT 2 tox L

1
Si
qNA
式中NA是P型衬底中的掺杂浓度,ρ为空间电荷密度, 为电势,
将上式积分得耗尽区上的电位差 : 1 qN A 2 ' qN A dxdx Xp Si Si 从而得出束缚电荷层厚度
Xp 2 Si q NA
MOS管的电容
MOS电容 —耗尽层电容
MOS管特性
MOSFET的伏安特性方程
CVge oxWL MOS管漏源间的电流 ox W Q 1I 非饱和情况下,通过 I ds 2 2 VgeVds (Vgs VT V ds ds )Vds L tox L tox L 2 为: Vds
ox W tox L
由此,设计者只需选取W
MOS管特性
n(p)
MOSFET的伏安特性:电容结构
当VGS<=0,
当漏源电极之间加上电压时,除了PN结的漏电流之外,不 会有更多电流形成。
当VGS>0时 P 型区内的空穴被不断地排斥到衬底方向,少子电子在栅 极下的P型区域内就形成电子分布,建立起反型层,即N型 层,当VGS>=VT时形成从漏极到源极的导电沟道。
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