MOS晶体管基础
MOS场效应晶体管基础[001]
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2、 耗尽区宽度
耗尽
表面导电性降低，外加电场进 一步深入，空间电荷区增大。
1
xd
2 ss
eN a
2
es
xd
反型
表面导电性增加，屏蔽外加电 场，空间电荷区不能再增大。
es 2efp
1
xdT
4 s f
eNa
p
2
xdT
Ec
e f p
E Fi EEvFs
Ec
e f p
E Fi
E E
Fs v
3、 平衡能带结构
Q'SD(m ax eN )axdT
1
xdT
4 s f
eNa
p
2
f
p
Vth ln
Na ni
msmE 2eg fp
C ox
ox tox
V T Pto ox x4sea V N th ln N a/(n i) Q 'ss m E 2 e g V th ln N a/(n i)
F (Q 's,sN a )
5、 阈值电压
3
2
VTP 01011 Na VTP 11011 Na
0
VTP 51011 Na
VTP 11012 Na
2
3 1 1013 1013
1 1014
tox 50nm
1 1015
1 1016
Na
1 1017
1 1018 1018
V T Pto ox x4sea V N th ln N a/(n i) Q 'ss m E 2 e g V th ln N a/(n i)
（1）低漏源电压近似：
（VDS0）
MOS晶体管基本特性表征
0.00025 0.0002
Vgs=0.3V Vgs=0.6V Vgs=0.9V Vgs=1.2V Vgs=1.5V
0.00015
线性区
0.8 1 1.2 Vg(V)
Ion
饱和区
Ids (A)
0.0001
• MOSFET最主要的特性曲线为Id-Vg, Id-Vd曲线. 特别是Id-Vg;
0.00005
Ids (A)
5.00E-03 4.00E-03 3.00E-03 2.00E-03
1.00E-12 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Vgs (V)
1.00E-03
0.00E+00 0
Id (A)
Id (A)
Vt2@1E-7*W/L
Vd=-0.1V Vd=-1.2V
5.00E-03
1. 沟道越短，DIBL越大；
2. DIBL有时会表现为亚阈摆幅增大, 即 增加Ioff;
1.00E-05 1.00E-06
3. DIBL会降低输出电阻, 使器件用于模 拟电路特性变差, 用于数字电路速度下 降.
1.00E-07 1.00E-08 1.00E-09
1.00E-02
0
0.15um LV,
4.00E-03 3.00E-03
Vd=-0.1V Vd=-1.2V
2.00E-03
1.00E-03
0.00E+00
0.2
0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
MOSFET Basic Characterization
(MOS晶体管基本特性表征)
Wenyu Gao 2020/04/18
mos晶体管构造
mos晶体管构造
MOS晶体管是一种金属-氧化物-半导体结构的晶体管。
它由金属电极、氧化物层和半导体层构成。
具体构造如下：
1. 基底：MOS晶体管的基底一般由P型或N型半导体材料制成。
基底上通常还有N型或P型掺杂区域，用于形成晶体管的源极和漏极。
2. 掺杂区域：在基底上进行掺杂，形成N型或P型掺杂层。
这些掺杂区域在晶体管中起到控制电流流动的作用。
3. 介电层：在掺杂区域上面涂覆一层氧化物(通常是SiO2)作为绝缘层。
介电层具有绝缘性，用于隔离金属电极和半导体层。
4. 金属电极：在氧化物层上覆盖金属电极，常用的金属是铝(Al)或铜(Cu)。
金属电极用于控制晶体管的工作状态。
5. 门极：金属电极中的一部分，被称为门极。
门极通过控制施加在它和基底之间的电压，改变掺杂区域中的电荷分布，从而控制晶体管的导电性。
总结起来，MOS晶体管的构造包括基底、掺杂区域、介电层和金属电极。
其中，金属电极中的门极通过控制施加的电压来控制晶体管的导电性。
场效应管基础知识资料
场效应管基础知识一、场效应管的分类按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分沟道和P沟道两种。
若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。
结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。
场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管。
而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。
见下图。
二、场效应三极管的型号命名方法第二种命名方法是CS××#，CS代表场效应管，××以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。
例如CS14A、CS45G等。
三、场效应管的参数1、I DSS —饱和漏源电流。
是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，栅极电压U GS=0时的漏源电流。
2、UP —夹断电压。
是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，使漏源间刚截止时的栅极电压。
3、UT —开启电压。
是指增强型绝缘栅场效管中，使漏源间刚导通时的栅极电压。
4、gM —跨导。
是表示栅源电压U GS —对漏极电流I D的控制能力，即漏极电流I D变化量与栅源电压UGS变化量的比值。
gM 是衡量场效应管放大能力的重要参数。
5、BUDS —漏源击穿电压。
是指栅源电压UGS一定时，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BUDS。
6、PDSM —最大耗散功率。
也是一项极限参数，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。
7、IDSM —最大漏源电流。
是一项极限参数，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IDSM几种常用的场效应三极管的主要参数四、场效应管的作用2、场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。
常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。
3、场效应管可以用作可变电阻。
4、场效应管可以方便地用作恒流源。
场效应管的基础知识
场效应管的基础学问英文名称：MOSFET （简写：MOS ）中文名称：功率场效应晶体管（简称：场效应管）场效应晶体管简称场效应管，它是由半导体材料构成的。
与一般双极型相比，场效应管具有许多特点。
场效应管是一种单极型半导体（内部只有一种载流子一多子）分四类：N沟通增加型；P沟通增加型;N沟通耗尽型；P沟通耗尽型。
增加型MOS管的特性曲线场效应管有四个电极，栅极G、漏极D、源极S和衬底B ,通常字内部将衬底B与源极S相连。
这样，场效应管在外型上是一个三端电路元件场效管是一种压控电流源器件，即流入的漏极电流ID栅源电压UGS掌握。
1、转移特性曲线:应留意：①转移特性曲线反映掌握电压VGS与电流ID之间的关系。
②当VGS很小时,ID基本为零，管子截止;当VGS大于某一个电压VTN时ID随VGS的变化而变化，VTN称为开启电压，约为2V0③无论是在VGS2、输出特性曲线：输出特性是在给顶VGS的条件下，ID与VDS之间的关系。
可分三个区域。
①夹断区：VGS②可变电阻区：VGS>VTN且VDS值较小。
VGS值越大，则曲线越陡，D、S极之间的等效电阻RDS值就越小。
③恒流区：VGS>VTN且VDS值较大。
这时ID只取于VGS ,而与VDS无关。
3、MOS管开关条件和特点：管型状态,N-MOS , P-MOS特点截止VTN , RDS特别大，相当与开关断开导通VGS2VTN , VGS<VTN , RON很小，相当于开关闭合4、MOS场效应管的主要参数①直流参数a、开启电压VTN ,当VGS>UTN时，增加型NMOS管通道。
b、输入电阻RGS , 一般RGS值为109〜1012。
高值②极限参数最大漏极电流IDSM击穿电压V(RB)GS , V(RB)DS最大允许耗散功率PDSM5、场效应的电极判别用RxlK挡，将黑表笔接管子的一个电极，用红表笔分别接此外两个电极，如两次测得的结果阻值都很小，则黑表笔所接的电极就是栅极(G),此外两极为源(S)、漏(D)极，而且是N型沟场效应管。
MOS场效应晶体管课件
必须指出，上述讨论未考虑到反型层中的电子是哪 里来的。若该MOS电容是一个孤立的电容，这些电子只 能依靠共价键的分解来提供，它是一个慢过程，ms级。
2023/12/22
15
MOS电容—测量
若测量电容的方法是逐点测量法—一种慢进 程，那么将测量到这种凹谷曲线。
① ⑤
②
③
④
图 5.2
区，栅极与源极扩散区都存
在着某些交迭，故客观上存
在着Cgs和Cgd。当然，引出 线之间还有杂散电容，可
以计入Cgs和Cgd。
图 5.3
2023/12/22
18
MOS电容的计算
Cg、Cd的值还与所加的电压有关:
1）若Vgs<VT，沟道未建立，MOS管漏源沟道不通。 MOS电容 C = Cox，但C 对Cd无贡献。
2023/12/22
16
MOS电容凹谷特性测量
若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，在大部分场合，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， 故不论测量频率多高，电压变化多快，电容曲线 都呈凹谷形。
2023/12/22
6
MOSFET特性曲线
在非饱和区 Ids Vds C a1Vgs b1 线性工作区
在饱和区 Ids a2 Vgs VT 2
(Ids 与 Vds无关) . MOSFET是平方律器件!
Ids
饱和区
线性区
击穿区
0
2023/2 MOSFET电容的组成
的二倍。它不仅抵消了空穴，成为本征半导体，而
且在形成的反型层中，电子浓度已达到原先的空穴 浓度这样的反型层就是强反型层。显然，耗尽层厚 度不再增加，CSi也不再减小。这样，
MOS晶体管基本特性表征
短沟MOSFET— I-V 特性曲线
DIBL (drain induced barrier low)：
σ = |Vt1 – Vt2| / |Vdd-0.1| 1. 2. 3. 沟道越短，DIBL越大； DIBL有时会表现为亚阈摆幅增大, 即 增加Ioff; DIBL会降低输出电阻, 使器件用于模 拟电路特性变差, 用于数字电路速度下 降.
Ids (A)
5.00E-03 4.00E-03 3.00E-03 2.00E-03 1.00E-03
0
0.2
0.4 0.6 Vgs (V)
0.8
1
1.2
0.00E+00 0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 上海宏力半导体制造有限公司 Vds(V)
9 Confidential
Grace Semiconductor Manufacturing Corporation
上海宏力半导体制造有限公司 Grace Semiconductor Manufacturing Corporation
5 Confidential
I-V 特性曲线 线性区(萨氏方程)：
L C W s ox L V Rch ds (V gs Vth ) I ds I ds
Ioff 1.00E-10
1.00E-11 1.00E-12 0 0.2 0.4
C Cit C Cit S 2.3Vt (1 d ) 60m V(1 d ) Cox Cox
Vth V fb 2 f 2 f Vsb
1. 2.
0.6
0.8
0.15um LV, W/L=10/10
Vgs Vth
Id (A)
5.00E-05 4.00E-05 3.00E-05 2.00E-05 1.00E-05
MOS管基本认识(快速入门)
MOS管基本认识（快速入门）1、三个极的判定：G极(gate)—栅极，不用说比较好认。
S极(source)—源极，不论是P沟道还是N沟道，两根线相交的就是。
D极(drain)—漏极，不论是P沟道还是N沟道，是单独引线的那边。
2. N沟道与P沟道判别:箭头指向G极的是N沟道；箭头背向G极的是P沟道。
3. 寄生二极管方向判定:不论N沟道还是P沟道MOS管，中间衬底箭头方向和寄生二极管的箭头方向总是一致的：要么都由S指向D，要么都有D指向S。
4. MOS开关实现的功能1>信号切换；2>电压通断。
5. MOS管用作开关时在电路中的连接方法关键点:1>确定那一极连接输入端，那一极连接输出端2>控制极电平为？V 时MOS管导通3>控制极电平为？V 时MOS管截止NMOS：D极接输入，S极接输出PMOS：S极接输入，D极接输出反证法加强理解NMOS假如：S接输入，D接输出由于寄生二极管直接导通，因此S极电压可以无条件到D极，MOS管就失去了开关的作用。
PMOS假如：D接输入，S接输出同样失去了开关的作用。
6. MOS管的开关条件N沟道—导通时Ug> Us,Ugs> Ugs(th)时导通P沟道—导通时Ug< Us,Ugs< Ugs(th)时导通总之，导通条件：|Ugs|>|Ugs(th)|7. 相关概念BJT :Bipolar Junction Transistor 双极性晶体管，BJT是电流控制器件；FET :Field Effect Transistor 场效应晶体管，FET是电压控制器件. 按结构场效应管分为：结型场效应（简称JFET）、绝缘栅场效应（简称MOSFET）两大类按沟道材料：结型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种.按导电方式：耗尽型与增强型，结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。
总的来说场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管，而MOS场效应。
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精品课件
5V
7
ID 非饱和区
饱和区
VDsat=VG-VTH
VD
ID
mnCoxW 2L
[2(VG-VTH)VD-VD2]
(0<VD<VG-VTH)
mnCoxW 2L
(VG-VTH) 2
(0< VG-VTH < VD)
精品课件
8
源极
mnCoxW 2L
mn ：为Si中电子的迁移率 Cox : 为栅极单位电容量
精品课件
ห้องสมุดไป่ตู้
MOS寄生元23 素
有关栅极电容的知识
➢阈值电压附近，栅极电容变动较大
▪ 栅极电容从衬底向源漏极转变 ▪ 电容值减小到一半。 因此，电路中如果要利用栅极电容，设计时需应使 电路避开在阈值电压附近的工作。
➢晶体管饱和时
栅极电容的对象主要为源极 电容值减小到2/3程度
由上可知，在饱和区，栅漏电容主要由CGDO决定， 其值大约为栅极电容的20%左右。
W : 为沟道宽 L : 为沟道长
精品课件
栅极 SiO2 漏极
Cox
Cox=eox/tOX
9
VTH
VTH
= VFB
+ 2fF
+1 COX
2KS
e 0
qN
(
A
2
f F
+VBS)
影响MOS晶体管特性的几个重要参数
• MOS晶体管的宽长比（W/L)
• MOS晶体管的开启电压VTH
栅极氧化膜的厚度tox
沟道的掺杂浓度（NA) 衬底偏压（VBS)
NMOS
▪当VDSAT=1V,速度饱和
PMOS
▪电流是NMOS的一半 ▪没有速度饱和
精品课件
20
微小MOS晶体管
MOSFET的寄生效应
Gate
Cgs
Cg
Cgd
Cj
Cd Cj
SUB
G
CGS
RG CGD CGB
➢寄生电容不可忽视 ➢寄生电阻与管子的导通电阻 （数十KW）相比，通常可 以忽略不计 例如：
VD=3.3V
更进一步，在漏极加上3.3V的 电压，漏极的电位下降，从源 极有电子流向漏极，形成电流。 （电流是由漏极流向源极）
3.3V
++++++++
电流
精品课件
3.3V
6
栅极(G)
源极(S)
漏极(D)
VG=0V VS=0V VD=3.3V
漏极保持3.3V的电压，而将栅 极电压恢复到0V，这时表面的 电位提高，源漏间的通路被切 断。
MOS晶体管
一. MOS晶体管
本节课主要内容
MOS晶体管
❖ 器件结构 ❖ 电流电压特性 ❖ 电流方程 ❖ 沟道长、短沟道效应、衬底偏压效应
精品课件
2
MOSFET
精品课件
MOS晶体3 管
栅极(G)
源极(S) N沟MOS晶体管的基本结构
漏极(D) 源极
栅极（金属）
绝缘层（SiO2）
漏极
n+ MOS晶体管的动作
n+
半
导
体
p型硅基板
基
板
MOS晶体管实质上是一种使
精品课件 电流时而流过，时而切断的开关4
栅极(G)
源极(S)
漏极(D)
VG=3.3V VS=0 VD=0
栅极电压为3.3V时，表面的 电位下降，形成了连接源漏 的通路。
3.3V
++++++++
精品课件
5
栅极(G)
源极(S)
漏极(D)
VG=3.3V VS=0
精品课件
10
PMOS的IDS-VDS特性（沟道长>1mm)
精品课件
MOS晶体11 管
MOS管的电流解析方程（L〉1mm)
工艺参数
与（VGS-VTH) 的平方成正比
精品课件
MOS晶体12 管
VG nMOS晶体管的I-V特性
源极(S)
栅极(G)
ID
漏极(D)
VD
ID
增强型（E)
ID
耗尽型(D)
VTH
★ 衬底偏压VSB<0时，阈值电压增大。
如果源极是浮 动的，由于衬 底效应，阈值 电压就会增大。
精品课件
MOS晶体16 管
微小MOS晶体管的静态特性(沟道长小于1mm) 长沟道MOS晶体管
与栅源电压 的平方成正比
短沟道MOS晶体管
1至1.4次方成正比
1至1.4次方成正比 平方成正比
精品课件
17
微小MOS晶体管
载流子的饱和速度引起的 Early Satutation
◙ 散乱引起速度饱和 ◙ 沟道长小于1微米时，NMOS饱和 ◙ NMOS和PMOS的饱和速度基本相同 ◙ PMOS不显著
精品课件
饱和早期开始
18
微小MOS晶体管
短沟道MOS晶体管电流解析式
精品课件
19
微小MOS晶体管
微小MOS晶体管的静态特性(沟道长小于1mm)
VTH
VG
VG
精品课件
13
阈值电压的定义
饱和区外插VTH
在晶体管的漏源极加上接近电源 VDD的电压，画出VGS-IDS的关系 曲线，找出该曲线的最大斜率， 此斜率与X轴的交点定义为阈值 电压。
以漏电流为依据 定义VTH
在晶体管的漏源极加上接近电源 VDD的电压，画出VGS-Log(IDS) 的关系曲线，从该曲线中找出电 流为1微安时所对应的VGS定义为 阈值电压。
精品课件
MOS寄生元24 素
MOS晶体管的扩散电容
精品课件
MOS寄生元25 素
MOS晶体管的导通电阻
D
导通电阻：
Req
G
电流IDS
S
精品课件
29
MOS晶体管的导通电阻
精品课件
30
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精品课件
MOS晶体14 管
MOS管短沟道效应
➢ IDS W/L, L要尽可能小
➢短沟道效应由器件的沟道 长决定 ➢沟道变短时，漏极能带的 影响变大，电流更易流过 沟道，使得阈值电压降低
精品课件
MOS晶体15 管
衬底偏压效应
★ 通常衬底偏压VBS=0, 即NMOS的衬底接地， PMOS衬底接电源。
栅极电容
CGS, CGD, CGB (各为1.0fF) 漏源电容
CDB, CSB (各为0.5fF) 栅极电阻
RS S
RD D
RG (40W) 源漏电阻
RD, RS (各1W)
CSB
B CDB
精品课件
MOS寄生元21 素
精品课件
22
MOSFET栅极电容
典型参数：COX=6fF/mm2, CO=0.3fF/mm2(0.25mm工艺；NMOS,PMOS共通）