复旦-半导体器件-仇志军 第三章MOSFET的基本特性
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。
MOSFET基本原理
Principle of MOSFET功率场效应管(Power MOSFET)也叫电力场效应晶体管，是一种单极型的电压控制器件，不但有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点。
由于其易于驱动和开关频率可高达500kHz，特别适于高频化电力电子装置，如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空航天以及汽车等电子电器设备中。
但因为其电流、热容量小，耐压低，一般只适用于小功率电力电子装置。
一、电力场效应管的结构和工作原理电力场效应晶体管种类和结构有许多种，按导电沟道可分为P沟道和N沟道，同时又有耗尽型和增强型之分。
在电力电子装置中，主要应用N沟道增强型。
电力场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅MOS管相同，但结构有很大区别。
小功率绝缘栅MOS管是一次扩散形成的器件，导电沟道平行于芯片表面，横向导电。
电力场效应晶体管大多采用垂直导电结构，提高了器件的耐电压和耐电流的能力。
按垂直导电结构的不同，又可分为2种：V形槽VVMOSFET和双扩散VDMOSFET。
电力场效应晶体管采用多单元集成结构，一个器件由成千上万个小的MOSFET组成。
N沟道增强型双扩散电力场效应晶体管一个单元的部面图，如图1(a)所示。
电气符号，如图1(b)所示。
电力场效应晶体管有3个端子：漏极D、源极S和栅极G。
当漏极接电源正，源极接电源负时，栅极和源极之间电压为0，沟道不导电，管子处于截止。
如果在栅极和源极之间加一正向电压U GS，并且使U GS大于或等于管子的开启电压U T，则管子开通，在漏、源极间流过电流I D。
U GS超过U T越大，导电能力越强，漏极电流越大。
二、电力场效应管的静态特性和主要参数Power MOSFET静态特性主要指输出特性和转移特性，与静态特性对应的主要参数有漏极击穿电压、漏极额定电压、漏极额定电流和栅极开启电压等。
{{分页}}1、静态特性（1）输出特性输出特性即是漏极的伏安特性。
复旦半导体器件仇志军小尺寸MOSFET的特性专题培训课件
p-Si
长沟道 MOSFET
2(xx2,y)(xs,y)
GCA：2(yx2, y) 0
p-Si
短沟道 MOSFET
2(xx2,y)2(yx2,y)(xs,y)
2 ( x,
y2
y)
0
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应46/75
QB
dma Lx
L
NMOS
L r2 2 d m 2 1 a /2 x xj
VDS = 0
x j d m2 a d x m 21 /a 2 x x jxj
12dxmj ax1/2
1
QB '
QB
V 1T ' xLV jF 1 B 2 V 2B dx m j ax12 /2V B 1 V BS 1 x L j 1 2 d x m j a 1 /2 x 1
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应58/75
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll3. o电ff荷）分享模型 (Poon-Yau)
讨论 QB’/QB（电荷分享因子 F ）
dmax/xj 较小时
dmax/xj 较大时
FQ Q B B ' 1x Lj12d xm j a1 x/211dm Lax
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应170/75
4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）
1. 现象
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应181/75
4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）
MOS场效应晶体管的基本特性
表面强反型即沟道形成时，在表面处空穴
的浓度与体内电子的浓度相等。开启电压是表 征MOS场效应管性能的一个重要参数，以后内 容中还将做详细介绍。
另外，还可以指出，当栅极电压变化时，
沟道的导电能力会发生变化，从而引起通过漏 和源之间电流的变化，在负载电阻RL上产生电 压变化，这样就可以实现电压放大作用。
说明
公式（7-1）、（7-2）只适用于长沟道MOSFET。 当沟道长度较短时，必须考虑短沟道效应，管子的阈 值电压VT会随沟道长度L的减小而减小。这个问题将 在以后讨论。
7.4 MOSFET的伏安特性
为了方便起见，先作以下几个假定： （1）漏区和源区的电压降可以忽略不计； （2）在沟道区不存在复合－产生电流； （3）沿沟道的扩散电流比由电场产生的漂移电流小得多； （4）在沟道内载流子的迁移率为常数； （5）沟道与衬底间的反向饱和电流为零； （6）缓变沟道近似成立，即跨过氧化层的垂直于沟道方 向的电场分量与沟道中沿载流子运动方向的电场分量无关。
对于N沟增强型MOS管，VT>0，VGS>0，其转移 特性曲线如图8-13（a）所示。
用相似的方法可以得到N沟耗尽型，P沟增强型， P沟耗尽型MOSFET的转移特性曲线，它们分别表 示于图8-13（b）~（d）。
7.3 MOSFET的阈值电压
N沟道增强型MOSFET的开启电压VT
VT
MS
若VDS再增大，只是使夹断区增大。增加的电压 均降落在耗尽区，漏－源电流仍基本上维持IDSS值， 因此这个区域称为饱和工作区，如图8-10中区域Ⅱ 所示。
沟道长度调变效应
两个N+区（源-漏）之间形成沟道长度L满足大 大于夹断区AB段长度(长沟道)，其饱和漏－源电流 基本上不变。图8-10中水平直线。
MOSFET参数理解及其主要特性
1 极限参数：ID ：最大漏源电流。
是指场效应管正常工作时，漏源间所允许通过的最大电流。
场效应管的工作电流不应超过ID 。
此参数会随结温度的上升而有所减额。
IDM ：最大脉冲漏源电流。
此参数会随结温度的上升而有所减额。
PD ：最大耗散功率。
是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。
使用时，场效应管实际功耗应小于PDSM 并留有一定余量。
此参数一般会随结温度的上升而有所减额。
VGS ：最大栅源电压。
Tj ：最大工作结温。
通常为150 ℃ 或175 ℃ ，器件设计的工作条件下须确应避免超过这个温度，并留有一定裕量。
TSTG ：存储温度范围。
2 静态参数V(BR)DSS：漏源击穿电压。
是指栅源电压V GS为0 时，场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压。
这是一项极限参数，加在场效应管上的工作电压必须小于V(BR)DSS 。
它具有正温度特性。
故应以此参数在低温条件下的值作为安全考虑。
℃ V(BR)DSS/ ℃ Tj ：漏源击穿电压的温度系数，一般为0.1V/ ℃。
RDS(on) ：在特定的V GS（一般为10V ）、结温及漏极电流的条件下，MOSFET 导通时源间的最大漏阻抗。
它是一个非常重要的参数，决定了MOSFET 导通时的消耗功率。
此参数一般会随结温度的上升而有所增大。
故应以此参数在最高工作结温条件下的值作为损耗及压降计算。
VGS(th) ：开启电压（阀值电压）。
当外加栅极控制电压VGS 超过VGS(th) 时，漏区和源区的表面反型层形成了连接的沟道。
应用中，常将漏极短接条件下ID 等于1 毫安时的栅极电压称为开启电压。
此参数一般会随结温度的上升而有所降低。
IDSS ：饱和漏源电流，栅极电压VGS=0 、VDS 为一定值时的漏源电流。
一般在微安级。
IGSS ：栅源驱动电流或反向电流。
由于MOSFET 输入阻抗很大，IGSS 一般在纳安级。
3 动态参数gfs ：跨导。
是指漏极输出电流的变化量与栅源电压变化量之比，是栅源电压对漏极电流控制能力大小的量度。
MOSFET参数
MOSFET参数金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）是一种常见的半导体器件，广泛应用于电子设备中。
MOSFET参数是指对MOSFET进行电性能评估和描述的一系列参数。
下面将详细介绍MOSFET的一些重要参数。
1. 阈值电压（Vth）：阈值电压是MOSFET的一个重要参数，它决定了其在工作时是否导通。
Vth是指当栅极电压与源极电压之间的电位差超过阈值电压时，MOSFET开始导通。
2.负阈值N沟道型MOSFET（nMOSFET）和正阈值P沟道型MOSFET （pMOSFET）：这两种类型的MOSFET有不同的阈值电压。
nMOSFET的导通需要栅极电位比源极电位高于阈值电压，pMOSFET则需要栅极电位低于源极电位。
3.文氏轨迹：文氏轨迹是MOSFET的输出特性曲线，在静态模式下绘制。
它描述了输出电流与输入电压之间的关系。
文氏轨迹可以用来评估MOSFET的效率和线性度。
4.饱和区和线性区：MOSFET的工作状态可以分为饱和区和线性区两个阶段。
在饱和区，MOSFET导通，并且输出电流受限；而在线性区，输出电流与输入电压成正比。
5. 输出电阻（Rout）：输出电阻是指MOSFET的输出端口对外界的电阻。
它决定了MOSFET的输出电流随输入电压变化的速率。
6. 开关时间（Ton和Toff）：开关时间是指MOSFET从关断状态到导通状态的时间（Ton），以及从导通状态到关断状态的时间（Toff）。
这些时间参数是衡量MOSFET开关速度的重要指标。
7. 漏电流（Idss）：漏电流是指MOSFET在关断状态下的最大漏电流。
它是评估MOSFET绝缘性能的参数。
8.切换损失：切换损失是MOSFET在开关过程中消耗的能量。
它是由开关时间和开关电压产生的。
9. 最大漏源结电压（Vds max）：最大漏源结电压是MOSFET能够承受的最大电压。
超过这个电压，会导致器件损坏。
10.耗散功率（Pd）：耗散功率是指MOSFET在工作过程中消耗的功率。
【基础知识】MOSFET 基础
应用指南
Gate Source N Drain
2. MOSFET的结构
2.1. 横向沟道设计
集成，但不适合获取高额定功率，因为源极和漏极之间 的距离必须足够大，才能实现更好的电压阻断能力。漏 极至源极电流与长度成反比。
P
2.2. 垂直沟道设计
VDS
(a) VGS栅极至源极电压未提供
VGS Gate Source N Depletion Depletion region Drain
4.1.1. 雪崩：
图 6.
输出特性
转换特性 iD特性与活跃区中的VGS有关（参见图 7）。
3.4.1.
ID等式与VGS有关：
i D = K( vGS −VGS( th ) )2 K=µ C n OX
其中：
因体漏极 P-N 结点耗尽区的电场增加至临界值所导致的 移动载体的突然雪崩击穿。这是导致击穿的其他因素中 的主要因素。
欧姆区Biblioteka 3.2. 劣势在超过200V的高击穿电压器件中，MOSFET的导通损耗要 比 BJT 大，因为在相同的额定电压和电流下， MOSFET的 导通压降要大。 饱和区
3.3. 基本特性
垂直方向四层结构(N P N N ) 寄生BJT存在于源极和漏极之间。
+ – +
截止区
3
应用指南
iD Ohmic [ vGS - VGS( th ) = VDS ] Active VGS5 VGS4 VGS3 VGS2 VGS1 0 Cutoff VGS < VGS( th ) BVDSS vDS VGS5 > VGS4 > VGS3 > VGS2 > VGS1
N - epitaxial layer N+ substrate Drain
各类MOSFET电路及特性分析
功率MOSFET的正向导通等效电路功率MOSFET的正向导通等效电路张兴柱博士张兴柱博士张兴柱博士功率MOSFET的正向截止等效电路功率MOSFET的正向截止等效电路张兴柱博士功率MOSFET的稳态特性总结功率MOSFET的稳态特性总结张兴柱博士包含寄生参数的功率MOSFET等效电路包含寄生参数的功率MOSFET等效电路张兴柱博士功率MOSFET的开通和关断过程原理张兴柱博士t]：关断过程[95~t-- 在t5前，MOSFET工作于导通状态，t5时，MOSFET被驱动关断；-- [t5-t6]区间，MOSFET的Cgs电压经驱动电路电阻放电而下降，在t6时刻，MOSFET的通态电阻微微上升，DS电压梢稍增加，但DS电流不变；-- [t6-t7]区间，在t6时刻，MOSFET的Millier电容又变得很大，故GS电容的电压不变，放电电流流过Millier电容，使DS电压继续增加；-- [t7-t8]区间，至t7时刻，MOSFET的DS电压升至与Vgs相同的电压，Millier电容迅速减小，GS电容开始继续放电，此时DS电容上的电压迅速上升，DS电流则迅速下降；-- [t8-t9]区间，至t8时刻，GS电容已放电至Vth，MOSFET完全关断；该区间内GS电容继续放电直至零。
因二极管反向恢复引起的MOSFET开关波形因二极管反向恢复引起的MOSFET开关波形张兴柱博士功率MOSFET的功率损耗公式功率MOSFET的功率损耗公式张兴柱博士功率MOSFET的选择原则与步骤功率MOSFET的选择原则与步骤张兴柱博士理想开关的基本要求理想开关的基本要求张兴柱博士用电子开关实现理想开关的限制用电子开关实现理想开关的限制张兴柱博士（1）：电子开关的电压和电流方向有限制：（2）：电子开关的稳态开关特性有限制：-- 导通时有电压降；（正向压降，通态电阻等）-- 截止时有漏电流；-- 最大的通态电流有限制；-- 最大的阻断电压有限制；-- 控制信号有功率要求，等等。
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VBS = 0 时
Qss qN A 2 s 2VB VBS Qss qN Ad max (VBS ) ms 2VB ms Cox Cox NA Cox Cox q
1/ 2
2VB
VTn VTn VBS VTn VBS 0
3.4 MOSFET的频率特性
3.5 MOSFET的开关特性
3.6 MOSFET的功率特性
3.1 MOSFET的结构和工作原理1
3.1.1 MOSFET简介
3/121
Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor
G S D
3.1 MOSFET的结构和工作原理2
19/121
N-MOSFET
3.2 MOSFET的阈值电压6
3.2.3 影响 VT 的因素
1. 功函数差 ms 的影响 多晶硅栅 MOSFET
20/121
P-MOSFET
3.2 MOSFET的阈值电压7
3.2.3 影响 VT 的因素
2. 衬底杂质浓度 NB 的影响
VB /V
21/121
VB
3.2 MOSFET的阈值电压1
3.2.1 半导体的表面状态
14/121
VG = ?
3.2 MOSFET的阈值电压2
3.2.2 阈值电压的表达式
不考虑 ms Qss Qox 时
15/121
QB (d max ) qN Ad max VT 2VB 2VB Cox Cox 1/ 2 N A 2kT N A 1 ln 4 N A s kT ln q n C n i i ox
24/121
Qss qN Ad max 2kT N A VTn ms ln Cox Cox q ni Q qN d 2kT N D VTp ms ss D max ln Cox Cox q ni
2o 沟道阻断注入 (Channel-stop implant)
6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect)
(2) MOSFET 的 VT
28/121
q|VBS|
VGS = VT , VBS = 0
VGS = VT(VBS) , VBS > 0
3.2 MOSFET的阈值电压15
3.2.3 影响 VT 的因素
6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect)
3.2.3 影响 VT 的因素
4. 离子注入调整 VT
23/121
Qss qN Ad max 2kT N A VTn ms ln Cox Cox q ni
Rp << dmax
P-Si
增强型 耗尽型
total QB ( d max ) d max ' qN A N A ( x )dx QB ( d max ) QB ( d max )
3.2 MOSFET的阈值电压4
3.2.3 影响 VT 的因素
1. 功函数差 ms 的影响 (1) 金属功函数 Wm
17/121
金属
Wm (eV)
Mg
3.35
Al
4.1
Ni
4.55
Cu
4.7
Au
5.0
Ag
5.1
n+-poly
4.05
p+-poly
5.15
(2) 半导体功函数 Ws
Eg Ws s qVB = 2
3.2 MOSFET的阈值电压11
3.2.3 影响 VT 的因素
5. MOS 栅电极的发展历史
Al栅 PMOS n+-poly PMOS n+-poly NMOS n+-poly CMOS（buried channel PMOS） dual-poly CMOS poly-SiGe gate electrode metal gate
kT N B ln q ni
NB 增加 2 个数量级， VB 增加 0.12 V
VTn NMOS VT / V
3.2 MOSFET的阈值电压8
3.2.3 影响 VT 的因素
3. 界面固定电荷 QSS 的影响 n 沟 MOS （NMOS） p 沟 MOS （PMOS）
22/121
考虑 ms Qss Qox 时 VFB 0
VT VFB 2VB
其中
QB (d max ) qN Ad max VFB 2VB Cox Cox
VFB
Qss 1 tox x ms ( x )dx Cox Cox 0 tox
qms Wm Ws qVms
3o Point-contact transistor发明
J. Bardeen W. H. Brattain（1947）
4o 实验室原理型JFET研制成功 Schockley （1953） 5o 实用型JFET出现 6o MOSFET出现 7o MESFET出现 （1960） （1960） （1966）
1/121
半导体器件原理
主讲人：仇志军
本部遗传楼309室 55664269 Email: zjqiu@ 助教：王晨禹14110720017@
第三章 MOSFET的基本特性
3.1 MOSFET的结构和工作原理
2/121
3.2 MOSFET的阈值电压
3.3 MOSFET的直流特性
增强型 耗尽型 增强型
8/121
PMOS
耗尽型
衬底
S/D 载流子 VDS IDS 载流子运动方向 VT + D 符号
p
n+ 电子 + DS SD D D B S G S B
n
p+ 空穴 SD SD + D G S B
G
S
B
G
3.1 MOSFET的结构和工作原理7
3.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性
25/121
Boron penetration in PMOSFET
3.2 MOSFET的阈值电压12
3.2.3 影响 VT 的因素
6. 衬底偏置效应 (衬偏效应，Body effect) (1) 衬偏效应的来源
+VDD T2 + 0.5 V T1 VSB T2 VSB +VDD
26/121
T2 VBS
Eg N s kT ln A 2 ni
Eg N s kT ln D 2 ni
n-Si
p 型 n 沟 MOS
n 型 p 沟 MOS p-Si
ND (cm3) NA (cm3) Ws (eV)
1014 4.32
1015 4.26
1016 1014 4.20 4.82 1015 4.88 1016 4.94
3.1 MOSFET的结构和工作原理9
3.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性
2. 转移特性
IDS
11/121
D G 输出 S
输入 S
IDS ~ VGS（VDS为参量）
NMOS（增强型）
3.1 MOSFET的结构和工作原理10
3.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性
2. 转移特性
IDS IDS
两种载流子（双极） 输入阻抗低 （pn 结正偏，共射~ k） 电流控制器件 ~ 少子 ~ Nit
工艺要求高（~ Qss）
频率范围小，功耗低 集成度高
工艺要求低
高频，大功率 集成度低
3.1 MOSFET的结构和工作原理3
3.1.1 MOSFET简介
5/121
晶体管发展史
1o 提出 FET 的概念 2o FET 实验研究 J. E. Lilienfeld（1930 专利） O. Heil （1939 专利） W. Shockley （二战后）
接触电势差
功函数差
3.2 MOSFET的阈值电压3
3.2.2 阈值电压的表达式
16/121
n 沟 MOS （NMOS）
VTn ms
Qss qN Ad max 2kT N A ln Cox Cox q ni
p 沟 MOS （PMOS）
Qss qN D d max 2kT N D VTp ms ln Cox Cox q ni
1. 输出特性
9/121
D
G 输入 S 输出 饱和区 击穿区
S
线性区
IDS ~ VDS（VGS为参量）
NMOS（增强型）
3.1 MOSFET的结构和工作原理8
3.1.5 MOSFET 的输出特性和转移特性
1. 输出特性
10/121
NMOS（增强型）
NMOS（耗尽型）
PMOS（增强型）
PMOS（耗尽型）
3.2 MOSFET的阈值电压5
3.2.3 影响 VT 的因素
1. 功函数差 ms 的影响
(3) Al栅工艺 / 硅栅工艺 自对准多晶硅栅工艺 Self-aligned
18/121
(P-Si)
3.2 MOSFET的阈值电压5
3.2.3 影响 VT 的因素
1. 功函数差 ms 的影响 多晶硅栅 MOSFET
0
QB ( d max )
d max
0
qN ( x )dx qN Im
' A
VT
QB qN Im Cox Cox
3.2 MOSFET的阈值电压10
3.2.3 影响 VT 的因素
4. 离子注入调整 VT 离子注入调整 VT 应用 1o 调整 MOSFET 的 VT 注硼 使 NMOS 成为增强型 使 PMOS |VT| 降低