MOS 场效应晶体管 (2)
场效应管和mos管的区别
功率场效应晶体管MOSFET1.概述MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。
功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称功率MOSFET（Power MOSFET）。
结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）。
其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。
2.功率MOSFET的结构和工作原理功率MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。
按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。
2.1功率MOSFET的结构功率MOSFET的内部结构和电气符号如图1所示；其导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。
导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET （Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。
按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET），本文主要以VDMOS 器件为例进行讨论。
mos场效应晶体管的二级效应
mos场效应晶体管的二级效应MOS场效应晶体管（MOSFET）是一种常用的半导体器件，具有广泛的应用领域，包括数字集成电路、模拟电路、功率放大器以及开关电源等。
在MOSFET的工作过程中，存在着一种重要的二级效应，即通道长度调制效应（Channel Length Modulation Effect）。
通道长度调制效应是基于MOSFET工作原理中的电场型场效应晶体管（E-type MOSFET）的电场分布进行分析的。
当MOSFET处于导通状态时，沿着通道方向，从漏极到源极，电场会随着距离的变化而发生变化。
通道长度调制效应即表征了通道长度对电场分布和电流的影响。
具体来说，通道长度调制效应的表现为：当增加了电压偏置后，电场导致了电子在通道中的速度增加和平均束缚时间的减小。
因此，通道中的电子流速增加，从而导致了通道电流的增加。
通道长度调制效应的数学表达式为：ID = μCoxW/L [(VGS - VT)VDS - VDS^2/2],其中，μ为电子迁移率，Cox为栅极氧化层的氧化电容，W和L分别为MOSFET的通道宽度和通道长度，VGS为栅极与源极之间的电压，VT为临界电压（阈值电压），VDS为漏极与源极之间的电压，ID为漏极电流。
从上述公式可以看出，当VDS增加时（VDS > 0），漏电流ID随之增加。
这是因为通道中的电子速度增加，电子在碰撞之间的平均束缚时间减小，从而导致了通道电流的增加。
而当VDS减小时（VDS < 0），漏电流ID随之减小。
通道长度调制效应对于MOSFET的工作性能有一定的影响。
首先，通道长度调制效应导致了漏电流的增加，从而导致了功耗的增加。
其次，通道长度调制效应还会导致漏电流与漏源电压之间存在非线性关系，从而影响了MOSFET的放大性能。
为了减小通道长度调制效应的影响，可以采取一些措施，例如增加栅极氧化层的厚度，减小通道长度，增加掺杂浓度等。
同时，工艺上的改进和模拟电路设计上的优化也可以降低通道长度调制效应对MOSFET性能的影响。
《MOS场效应晶体管》 (2)幻灯片
在着某些交迭，故客观上存 在着Cgs和Cgd。当然，引出
图 5.3
线之间还有杂散电容20，21可/5/19
19
MOS电容的计算
Cg、Cd的值还与所加的电压有关:
1〕假设Vgs<VT，沟道未建立，MOS管漏源沟道 不通。
MOS电容 C = Cox，但C 对Cd无奉献。
Cg = Cgs + Cox
Cd = Cdb
1 2
Vds
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MOS的伏安特性—漏极饱和电流
当Vgs-VT=Vds时，满足: dIds 0
dVds
Ids达到最大值Idsmax，
其值为
Ids m 1 2 ato x ox xW LV g sV T2
Vgs-VT=Vds， 意 味 着 近 漏 端 的 栅 极 有 效 控 制 电 压 Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT = Vgd-VT =0
MOS电容凹谷特性测量
假设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，在大局部场合，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， 故不管测量频率多高，电压变化多快，电容曲线 都呈凹谷形。
µ n = 650 cm2/(V.s) 电子迁移率(nMOS) µ p = 240 cm2/(V.s) 空穴迁移率(pMOS)
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MOSFET的伏安特性—方程推导
非饱和情况下，通过MOS管漏源间的电流Ids为：
I ds
Q
CVge L2
Vds
oxWL
tox
L2
mos场效应晶体管的二级效应
mos场效应晶体管的二级效应mos场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，简称MOSFET）是一种常用的半导体器件，在现代电子技术中应用广泛。
它是由金属、氧化物和半导体材料构成的三层结构，具有很高的电子迁移率和较宽的禁带宽度，在电路设计中起着至关重要的作用。
MOSFET的二级效应是指在材料、工艺或结构方面的改变所引起的设备行为或性能改变。
这种影响除了改变了晶体管的基本性能外，还可以通过改变器件的结构参数来实现。
这种改变可以通过增加材料的层数、调整金属、氧化物和半导体的配比，以及根据不同的技术要求进行工艺调整。
在MOSFET的二级效应方面，首先值得关注的是材料的选择。
通常，偏性能良好的材料能够提高晶体管的电流驱动能力和开关速度。
同时，采用优质的材料还可以提高晶体管的可靠性和稳定性。
其次，晶体管的结构参数也会影响二级效应。
例如，改变晶体管的栅长、栅宽和栅氧化物厚度可以影响其电流驱动能力和截止频率。
增加栅长和栅宽可以提高驱动电流，降低栅氧化物厚度可以提高截止频率。
此外，晶体管的工艺也是影响二级效应的重要因素。
通过控制金属、氧化物和半导体的薄膜的生长方式、温度和时间等参数，可以实现良好的界面特性，提高晶体管的性能。
同时，工艺参数的合理选择也可以改善晶体管的互连特性，降低电阻、电容等对性能的不利影响。
总体而言，晶体管的二级效应是一个复杂而综合的问题，需要在设计和制造过程中综合考虑各种因素，并进行合理的调整和优化。
只有充分了解二级效应的影响机理和特点，才能更好地设计和制造出符合要求的MOSFET器件。
在实际应用中，人们通过对二级效应的研究和理解，不断提升MOSFET的性能和可靠性，进一步推动了电子技术的发展。
无论是在电源管理、通信、计算机还是消费电子等领域，MOSFET都发挥着重要的作用。
因此，对MOS场效应晶体管的二级效应的研究具有重要的指导意义，它可以帮助工程师们更好地理解其行为和特性，以便更好地应用和设计电子电路。
2n型mos管工作原理
2n型mos管工作原理
2n型MOS管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，又称金属-氧化物半导体场效应晶体管）的工作原理是基于P型沟道型MOS管的原理而来的，只不过掺杂类型相反。
以下是2n型MOS管的工作原理的简要描述：
1. 结构：2n型MOS管由n型衬底、P型沟道区域和漏极、源极构成。
两个P型沟道区被一条n型衬底分隔开。
2. 静态工作原理：当没有电压施加在栅极上时，P型沟道区域中没有电子流动，该部分形成了一个绝缘层。
漏极和源极之间没有电流流动。
3. 输入电压变化：当正电压施加在栅极上时，栅极与衬底之间形成电场。
这个电场会吸引P型沟道区域中的自由电子，形成一个导电通路。
4. 导通状态：当栅极电压足够高时，P型沟道区完全被电子填充，形成连续的导电路径。
此时漏极和源极之间就形成了导流通路。
5. 关断状态：当栅极电压降低，电子不再被吸引到P型沟道区域，导电通路断开，MOS管进入关断状态。
2n型MOS管的工作原理与1n型MOS管非常相似，只是掺杂类型不同。
通过改变栅极电压，可以控制MOS管的导通与关断状态，实现信号放大、开关控制等应用。
mos场效应晶体管的二级效应
mos场效应晶体管的二级效应MOS场效应晶体管（Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor，简称MOSFET）是一种重要的电子器件，常被用于集成电路中的开关、放大和稳压等功能。
其工作原理基于半导体材料中电荷的移动，通过控制栅极电压和漏源电压，可以实现电流的控制和放大。
MOS场效应晶体管主要由栅极、漏极和源极三个电极组成，并通过薄氧化层（Oxide）隔离栅极与半导体材料。
其中，栅极控制着MOSFET的电流，漏源之间的电压则决定了电流的大小。
当栅极和源极之间的电压大于阈值电压时，MOSFET 处于导通状态，电流可以从漏极流向源极；当栅极和源极之间的电压小于阈值电压时，MOSFET处于截止状态，电流无法通过。
在实际应用中，MOSFET存在着二级效应，即栅源电压（VGS）对栅极电流（IG）的影响。
下面将从二次击穿效应和温度效应两个方面来探讨MOSFET的二级效应。
1. 二次击穿效应：在高电压、高温和尺寸缩小等条件下，MOSFET的二次击穿效应会开始显现。
这个效应主要通过电压应力引起的漏电流增加来体现，会导致器件的性能指标下降，包括电压饱和和电流漏失等。
为了避免二次击穿效应，可以采取以下措施：- 通过增加材料厚度或改变材料特性，提高耐压能力。
- 优化材料的结构，减小电场梯度，降低击穿概率。
- 采用低温退火等工艺，提高材料的结晶度和电子迁移率。
2. 温度效应：MOSFET的工作温度对其性能有显著影响，特别是温度升高时，二级效应会更加明显。
具体方面表现在以下几点：- 阈值电压的变化。
随着温度的升高，导致了载流子的增加，从而使得阈值电压降低。
这会导致饱和控制区的面积减小，增加漏电流，进而影响MOSFET的工作状态。
- 漏电流的增加。
温度升高会使得载流子的碰撞增加，从而导致漏电流的增加。
这对于高精度和低功耗应用是一个重要的考虑因素。
- 电阻和电容的变化。
由于温度对电导率和载流子浓度的影响，MOSFET的电阻和电容值都会发生变化。
第八章 MOS场效应晶体管
VT
MS
TOX
OX
QOX
TOX
OX
QAD 2FB
e) 氧化层中的电荷面密度 QOX
QOX 与制造工艺及晶向有关。MOSFET 一般采用（100） 晶面，并在工艺中注意尽量减小 QOX 的引入。在一般工艺条 件下，当 TOX = 150 nm 时：
QOX 1.8 ~ 3.0 V COX
以VGS 作为参变量，可以得到不同VGS下的VDS ～ID 曲线族， 这就是 MOSFET 的输出特性曲线。
非
饱
饱
和
和
区
区
将各条曲线的夹断点用虚线连接起来，虚线左侧为非饱和区， 虚线右侧为饱和区。
5、MOSFET的类型 P 沟 MOSFET 的特性与N 沟 MOSFET 相对称，即： (1) 衬底为 N 型，源漏区为 P+ 型。 (2) VGS 、VDS 的极性以及 ID 的方向均与 N 沟相反。 (3) 沟道中的可动载流子为空穴。 (4) VT < 0 时称为增强型（常关型），VT > 0 时称为耗尽型
MS
QOX COX
K
2FP VS VB
1
2 2FP VS
注意上式中，通常 VS > 0，VB < 0 。 当VS = 0 ，VB = 0 时：
VT
MS
QOX COX
K
2 FP
1 2
2FP
这与前面得到的 MOS 结构的 VT 表达式相同。
同理可得 P 沟 MOSFET的 VT 为：
电势差，等于能带弯曲量除以 q 。COX 表示单位面积的栅氧化
层电容，COX
OX
TOX
，TOX 为氧化层厚度。
(3)实际 MOS结构当 VG = VFB 时的能带图
mos场效应晶体管的二级效应
mos场效应晶体管的二级效应摘要：一、mos 场效应晶体管简介1.定义2.基本原理二、二级效应的定义与影响1.什么是二级效应2.二级效应的影响三、降低二级效应的方法1.设计优化2.工艺改进正文：mos 场效应晶体管（MOSFET）是一种广泛应用于集成电路的半导体器件，具有高输入阻抗、低噪声和低失真等优点。
然而，在实际应用中，mos 场效应晶体管会受到一种名为“二级效应”的现象的影响，导致性能下降。
本文将对mos 场效应晶体管的二级效应进行探讨。
首先，我们需要了解mos 场效应晶体管的基本原理。
mos 场效应晶体管由源极、漏极和栅极三个端口组成。
当栅极施加正向电压时，栅极与源极之间的绝缘层上会形成一个正向电场。
这个电场可以吸引源极处的电子，使其向漏极方向运动，从而形成电流。
二级效应是指在实际工作过程中，由于器件内部物理现象的相互作用，导致器件性能受到一定程度的影响。
在mos 场效应晶体管中，二级效应主要包括电荷积累、热载流子注入、电子- 空穴复合等。
这些效应会导致器件的阈值电压变化、漏电流增加、输出特性曲线变得不稳定等性能问题。
那么，如何降低mos 场效应晶体管的二级效应呢？方法有多种，以下简要介绍两种：1.设计优化：通过优化器件结构、材料选择和工艺参数，可以有效地降低二级效应。
例如，采用高介电常数材料制作栅极绝缘层，可以降低电荷积累效应；调整源极和漏极的掺杂浓度，可以减小热载流子注入效应。
2.工艺改进：在制造过程中，通过改进工艺技术，也可以降低二级效应。
如采用低温度工艺，可以降低电子- 空穴复合；在器件表面覆盖保护层，可以减少氧化物损伤和界面态产生。
总之，mos 场效应晶体管的二级效应是一个影响器件性能的重要因素。
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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。
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MOS电容—SiO2和耗尽层介质电容
2）当Vgs>0时，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。
式中Vge是栅极有效控制电压。
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电荷在沟道中的渡越时间
非饱和时，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
MOS的伏安特性
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：
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
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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MOS的伏安特性—漏极饱和电流
当Vgs-VT=Vds时，满足:
dIds 0 dVds
2 tox L
Ids达到最大值Idsmax， 1 ox W 2 I V V 其值为 dsmax gs T Vgs-VT=Vds， 意 味 着 近 漏 端 的 栅 极 有 效 控 制 电 压 Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT = Vgd-VT =0 感应电荷为 0 ，沟道夹断，电流不会再增大，因而， 这个 Idsmax 就是饱和电流。
Si
Si
从而得出束缚电荷层厚度
Xp
2 Si q NA
第五章 MOS 场效应晶体管
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 5.6 MOSFET尺寸按比例缩小
5.7 MOS器件的二阶效应
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1
5.1 MOS场效应管
5.1.1 MOS管伏安特性的推导
两个PN结： 图 5.1 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， 在结周围由于载流 子的扩散、漂移达到动态平 衡，而产生了耗尽层。 一个电容器结构： 栅极与栅极下面的区域形成一个电容器，是 MOS 管的核 心。
W影响MOSFET的速度，决定电路驱动能力和功耗 2019/2/15
3
p+/n +
栅长: L 栅宽: W 氧化层厚度: tox
n(p)
MOSFET的伏安特性:电容结构
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， Q=CVge
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MOSFET特性曲线
在非饱和区 I ds Vds C a1Vgs b1 线性工作区
在饱和区
Ids 线性区
I ds a2 Vgs VT
2
(Ids 与 Vds无关) . MOSFET是平方律器件!
饱和区 击穿区
0
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Vds
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5.1.2 MOSFET电容的组成
2019/2/152源自MOSFET的三个基本几何参数
poly-Si G D W S
Lmin、 Wmin和 tox 由工艺确定 Lmin： MOS工艺的特征尺寸(feature size) 决定MOSFET的速度和功耗等众多特性 L和W由设计者选定
diffusion L
tox
p+/n +
通常选取L= Lmin，由此，设计者只需选取W
耗尽区中没有可以自由活动的载流子，只有空穴被赶走 后剩下的固定的负电荷。这些束缚电荷是分布在厚度 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。这说明了 MOS电容器可以看成两个电容器的 串联。 以SiO2为介质的电容器——Cox 以耗尽层为介质的电容器——CSi 1 总电容C为:
µ n = 650 cm2/(V.s) 电子迁移率(nMOS) µ p = 240 cm2/(V.s) 空穴迁移率(pMOS)
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MOSFET的伏安特性—方程推导
非饱和情况下，通过MOS管漏源间的电流Ids为：
I ds Q CVge L
2
oxWL
tox
Vds
VgeVds = '. 栅极-沟道间 0 L
2
ox W
tox tox
氧化层介电常数,
1 (Vgs VT Vds )Vds L 2 1 2 Vgs VT Vds Vds L 2
' = 4.5, 0 = 0.88541851.10-11 C.V-1.m-1
1 1 C C C Si ox
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比原来的Cox要小些。
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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: 1 1 2 利用泊松公式 qNA Si Si 式中NA是P型衬底中的 掺杂浓度，将上式积分 1 qN A 2 ' qN A dxdx Xp 得耗尽区上的电位差 ：