第五章MOS场效应管的特性
模电第五章场效应管
作出新的假设，同时重新分析电路。
P沟道MOS管电路的分析与N沟道类似，但要
注意其电源极性与电流方向不同。
21
1、直流偏置电路
（2）带源极电阻的NMOS
共源放大电路
由图得
RS
Cb1 vi
Rd
Rg1 iD
Rg2
VGS VG VS
Rg 2
Rg1 Rg 2
VDD VSS
VSS
I D R VSS
VDS
Kn
vGS VT vGS
2
VDS 2Kn vGS VT
18
gm
iD vGS
VDS
Kn
vGS VT vGS
2
VDS 2Kn vGS VT
考虑到 iD Kn vGS VT 2 和 IDO KnVT 2
上式又可改写为
gm 2
K niD
2 VT
上式表明， iD越大， gm愈大。
图5.2.3
解：首先假设管工作于饱和 区，运用下式
IDQ Kn VGSQ VT 2
求得 VGSQ 2.25V
则 计算
VS 2.25V
Rd
VDD VDQ I DQ
5 2.5 10k 0.25
计算是否满足饱和条件：
VDSQ VGSQ VT
确定分析正确与否。23
（3）静态工作点的确定
在饱和区内， B
区扩展到整个沟道，沟道完全被 夹断。这时即使有漏源电压，也
2
iD
I DSS 1
vGS VP
不会有漏极电流。此时的栅源电 压称为夹断电压（截止电压）1V2 P。
5.1.2 N沟道耗尽型MOS管 2、特性曲线
/V
在饱和 区内，
5MOS场效应管的特性
14
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，
9
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 场效应管的工作原理及特点
MOS 场效应管的工作原理及特点场效应管是只有一种载流子参与导电，用输入电压控制输出电流的半导体器件。
有N沟道器件和P 沟道器件。
有结型场效应三极管JFET(Junction Field Effect Transister)和绝缘栅型场效应三极管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。
IGFET也称金属-氧化物-半导体三极管MOSFET（Metal Oxide SemIConductor FET）。
MOS场效应管有增强型（Enhancement MOS 或EMOS）和耗尽型(Depletion)MOS或DMOS）两大类，每一类有N沟道和P沟道两种导电类型。
场效应管有三个电极：D(Drain) 称为漏极，相当双极型三极管的集电极；G(Gate) 称为栅极，相当于双极型三极管的基极；S(Source) 称为源极，相当于双极型三极管的发射极。
增强型MOS(EMOS)场效应管道增强型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，一个是漏极D，一个是源极S。
在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。
P型半导体称为衬底(substrat)，用符号B表示。
一、工作原理1．沟道形成原理当Vgs=0 V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压，不会在D、S间形成电流。
当栅极加有电压时，若0＜Vgs＜Vgs(th)时（VGS(th) 称为开启电压），通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。
耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，所以仍然不足以形成漏极电流ID。
进一步增加Vgs，当Vgs＞Vgs(th)时，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。
MOS管(新)
为受控于VGS的可变电阻 11
(3) 放大区 产生夹断后，VDS增大，ID不变的区域，VDS VGS - VT
VDSID不变 处于饱和区的场效应管相当于一个压控电流源
在预夹断临界条件下VDS =VGS - VT 由此得到饱和区的V-I特性表达式：
iD K n (v G S V T )2 K n V T 2 (v V G T S 1 )2 ID O (v V G T S 1 )2
结反向，所以不存在导电
沟道。
(a) VGS =0， ID =0
VGS必须大于0
管子才能工作。
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4
（b） 0＜VGS＜ VT （ VT 称为开 启电压)
在Sio2介质中产生一个垂直于 导体表面的电场，排斥P区多 子空穴而吸引少子电子。 但 由于电场强度有限，吸引到 绝缘层的少子电子数量有限， 不足以形成沟道，将漏极和 源极沟通，所以不可能以形 成漏极电流ID。
这种在VGS =0时没有导电沟道，
依靠栅源电压的作用而形成感生
沟道的FET称为增强型FET
VGS >0g吸引电子反型层导电沟道
VGS 反型层变厚 VDS最新课件 ID
6
（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用
（a）如果VGS＞VT且固定为某一值， VGD=VGS－VDS VDS为0或较小时，
2、夹断电压VP ：在VDS为一固定数值时，使 ID对应一微小电流 时的 |VGS | 值。（耗尽）
3、饱和漏极电流IDSS ：在VGS = 0时， VDS > |VP |时的漏 极电流。（耗尽）
4、极间电容 ：漏源电容CDS约为 0.1~1pF，栅源电容CGS和栅 漏极电容CGD约为1~3pF。
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mos管 场效应管
mos管场效应管摘要：1.引言2.什么是MOS 管和场效应管3.MOS 管和场效应管的工作原理4.MOS 管和场效应管的特性比较5.MOS 管和场效应管的应用领域6.结论正文：MOS 管和场效应管是两种不同类型的半导体器件，它们都具有放大和开关等功能，广泛应用于各种电子设备中。
下面将从它们的定义、工作原理、特性比较和应用领域等方面进行详细介绍。
1.引言MOS 管（Metal-Oxide-Semiconductor Transistor，金属- 氧化物- 半导体晶体管）和场效应管（Field Effect Transistor，场效应晶体管）是两种常见的半导体器件，它们在现代电子设备中扮演着重要角色。
本文将对这两种器件进行详细解析，以帮助读者更好地理解它们的工作原理和应用。
2.什么是MOS 管和场效应管MOS 管是一种三端半导体器件，由金属导电层、氧化物绝缘层和半导体基片组成。
它的主要功能是控制电路中的电流流动，具有高输入阻抗、低噪声和低功耗等特点。
场效应管是一种四端半导体器件，由源极、漏极、栅极和衬底组成。
它的主要功能是通过改变栅极电势来调节源漏电流，具有响应速度快、驱动能力强和可控制的电流增益等特点。
3.MOS 管和场效应管的工作原理MOS 管的工作原理：当栅极施加正向电压时，栅极和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，使其向栅极方向运动。
如果这个电子流足够大，就会形成一个电流，从而导致MOS 管的导通。
场效应管的工作原理：当栅极施加正向电压时，栅极和源极之间的绝缘层上会形成一个正向电场。
这个电场会使得源极处的电子被吸引到靠近栅极的位置，从而减小源极和漏极之间的电阻。
如果栅极电压足够大，源漏电流将显著增加，从而导致场效应管的导通。
4.MOS 管和场效应管的特性比较MOS 管和场效应管在特性上有一定的差异。
MOS 管具有更高的输入阻抗、更低的工作电压和更小的功耗，但驱动能力较弱；而场效应管具有更强的驱动能力、更高的电流增益和更快的响应速度，但输入阻抗和功耗相对较差。
第五章 场效应管放大电路 备课笔记
第五章：场效应管放大电路8学时基本要求：了解结型场效应管的基本结构和工作原理，金属氧化物半导体场效应管的基本结构和工作原理；掌握场效应管放大电路的静态分析和放大电路的小信号模型分析法。
重点：场效应管放大电路的静态分析和放大电路的小信号模型分析法。
难点：场效应管放大电路的小信号模型分析法。
教学过程5 场效应管放大电路5.1.1 N沟道增强型MOSFET三极管: Bipolor Junction Transistor (缩写为: BJT)场效应管: Field Effect Transistor (缩写为:FET)三极管是利用基极电流来控制集电极电流的，是电流控制器件。
在正常工作时，发射结正偏，当有电压信号输入时，一定要产生输入电流，导致三极管的输入电阻较小，一方面降低了管子获得输入信号的能力，而且在某些测量仪表中将导致较大的误差，这是我们所不希望的。
场效应管是一种电压控制器件，它只用信号源电压的电场效应，来控制管子的输出电流，输入电流几乎为零，因此具有高输入电阻的特点；同时场效应管受温度和辐射的影响也比较小，又便于集成化，因此场效应管已广泛地应用于各种电子电路中，也成为当今集成电路发展的重要方向。
场效应管的分类：1.结构在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s。
然后在半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g。
在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。
MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。
它的栅极与其它电极间是绝缘的。
它的栅极与其它电极间是绝缘的。
图(a)、(b)分别是它的结构示意图和代表符号。
代表符号中的箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。
P沟道增强型MOS管的箭头方向与上述相反，如图(c)所示。
2.N沟道增强型MOSFET工作原理（1）v GS对i D及沟道的控制作用①v GS=0 的情况从图(a)可以看出，增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。
场效应管的特性
场交攵应管的特性根据三极管的原理开发出的新一代放大元件，有3个极性，栅极，漏极，源极，它的特点是栅极的内阻极高，采用二氧化硅材料的可以达到几百兆欧，属于电压控制型器件。
［编辑本段］1.概念：场效应管场效应晶体管(Field Effect Transistor缩写(FET))简称场效应管.由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管.它属于电压控制型半导体器件.特点：具有输入电阻高(100M Q ~1 000M Q )噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽、热稳定性好等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者.作用：场效应管可应用于放大.由于场效应管放大器的输入阻抗很高，因此耦合电容可以容量较小，不必使用电解电容器.场效应管可以用作电子开关.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. 场效应管可以用作可变电阻.场效应管可以方便地用作恒流源.［编辑本段］2.场效应管的分类: </8>场效应管分结型、绝缘栅型(MOS)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。
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.［编辑本段］3.场效应管的主要参数：</B>Idss —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UGS=0时的漏源电流.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.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.gM —跨导.是表示栅源电压UGS —对漏极电流ID的控制能力，即漏极电流ID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BVDS —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BVDS.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.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IDSMCds---漏-源电容Cdu---漏-衬底电容Cgd---栅-漏电容Cgs---漏-源电容Ciss---栅短路共源输入电容Coss---栅短路共源输出电容Crss---栅短路共源反向传输电容D---占空比（占空系数，外电路参数）di/dt---电流上升率（外电路参数）dv/dt---电压上升率（外电路参数）ID---漏极电流（直流）IDM---漏极脉冲电流ID（on）---通态漏极电流IDQ---静态漏极电流（射频功率管）IDS---漏源电流IDSM---最大漏源电流IDSS---栅-源短路时，漏极电流IDS（sat）---沟道饱和电流（漏源饱和电流）IG---栅极电流（直流）IGF---正向栅电流IGR---反向栅电流IGDO---源极开路时，截止栅电流IGSO---漏极开路时，截止栅电流IGM---栅极脉冲电流IGP---栅极峰值电流IF---二极管正向电流IGSS---漏极短路时截止栅电流IDSS1---对管第一管漏源饱和电流IDSS2---对管第二管漏源饱和电流Iu---衬底电流Ipr---电流脉冲峰值（外电路参数）gfs---正向跨导Gp---功率增益Gps---共源极中和高频功率增益GpG---共栅极中和高频功率增益GPD---共漏极中和高频功率增益ggd---栅漏电导gds---漏源电导K---失调电压温度系数Ku---传输系数L---负载电感(外电路参数)LD---漏极电感Ls---源极电感rDS---漏源电阻rDS(on)---漏源通态电阻rDS(of)---漏源断态电阻rGD---栅漏电阻rGS---栅源电阻Rg---栅极外接电阻(外电路参数)RL---负载电阻(外电路参数)R(th)jc---结壳热阻R(th)ja---结环热阻PD---漏极耗散功率PDM---漏极最大允许耗散功率PIN—输入功率POUT---输出功率PPK---脉冲功率峰值（外电路参数）to（on）---开通延迟时间td（off）---关断延迟时间ti---上升时间ton---开通时间toff---关断时间tf---下降时间trr---反向恢复时间Tj—结温Tjm---最大允许结温Ta---环境温度Tc---管壳温度Tstg---贮成温度VDS---漏源电压（直流）VGS---栅源电压（直流）VGSF--正向栅源电压（直流）VGSR---反向栅源电压（直流）VDD---漏极（直流）电源电压（外电路参数）VGG---栅极（直流）电源电压（外电路参数）Vss---源极（直流）电源电压（外电路参数）VGS（th）---开启电压或阀电压V （ BR ） DSS---漏源击穿电压V （ BR ） GSS---漏源短路时栅源击穿电压VDS（on）---漏源通态电压VDS（sat）---漏源饱和电压VGD---栅漏电压（直流）Vsu---源衬底电压（直流）VDu---漏衬底电压（直流）VGu---栅衬底电压（直流）Zo---驱动源内阻/--漏极效率（射频功率管）Vn---噪声电压aID---漏极电流温度系数ards---漏源电阻温度系数［编辑本段］4.结型场效应管的管脚识别：</B>判定栅极G:将万用表拨至Rx1k档，用万用表的负极任意接一电极另一只表笔依次去接触其余的两个极，测其电阻.若两次测得的电阻值近似相等，则负表笔所接触的为栅极，另外两电极为漏极和源极.漏极和源极互换，若两次测出的电阻都很大则为N沟道;若两次测得的阻值都很小，则为P沟道.判定源极S、漏极D:在源-漏之间有一个PN结，因此根据PN结正、反向电阻存在差异，可识别S极与D极. 用交换表笔法测两次电阻,其中电阻值较低（一般为几千欧至十几千欧）的一次为正向电阻此时黑表笔的是S极，红表笔接D极.［编辑本段］5.场效应管与晶体三极管的比较场效应管是电压控制元件，而晶体管是电流控制元件.在只允许从信号源取较少电流的情况下，应选用场效应管;而在信号电压较低，又允许从信号源取较多电流的条件下应选用晶体管.晶体三极管与场效应管工作原理完全不同，但是各极可以近似对应以便于理解和设计：晶体管：基极发射极集电极场效应管：栅极源极漏极要注意的是，晶体管（NPN型）设计发射极电位比基极电位低（约0.6V），场效应管源极电位比栅极电位高（约0.4V）。
电子电工学——模拟电子技术 第五章 场效应管放大电路
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
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1-Apr-20
15
东•南•大•学
• 射频与光电集成电路研究所
MOS电容—耗尽层电容特性(续)
4） 当Vgs增加，达到VT值，Si表面电位的下降，能级 下降已达到P型衬底的费米能级与本征半导体能级差
1
比原来的Cox要小些。
1-Apr-20
11
东•南•大•学
• 射频与光电集成电路研究所
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:
利用泊松公式 式中NA是P型衬底中的
2
1
Si
1
Si
qNA
掺杂浓度，将上式积分
得耗尽区上的电位差 ：
1
Si
qN Adxdx'
Cox
oxWL
tox
oxWL
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。
1-Apr-20
10东•南•大•学来自• 射频与光电集成电路研究所
MOS电容—SiO2和耗尽层介质电容
2）在当栅V极gs>下0时面，的栅Si表极面上上的，正形电成荷了排一斥个了耗Si尽中区的。空穴，
• 射频与光电集成电路研究所
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
1-Apr-20
18
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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。
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，
1-Apr-20
22
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• 射频与光电集成电路研究所
MOS电容的计算(续)
若处于饱和状态，则
Ids
1 2
tox
W L
Vgs
VT
2
表明沟道电荷已与Vds无关，沟道已夹断。那么， Cg = Cgs + 2/3 C， Cd = Cdb + 0 在饱和状态下，沟道长度受到Vds的调制，L变小
' = 4.5, 0 = 0.88541851.10-11 C.V-1.m-1
ox
tox
W L
Vgs
VT
Vds
1 2
Vds
2
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
w ith
Vge
Vgs
VT
1 2
Vds
1-Apr-20
7
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射频与光电集成电路研究所
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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
5.6 MOSFET尺寸按比例缩小
5.7 MOS器件的二阶效应
1-Apr-20
1
东•南•大•学
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MOS电容的计算
若处于非饱和状态，则按1/3与2/3分配，即
Cg = Cgs + 2/3C
Cd = Cdb +1/3C
那是因为在非饱和状态下，与栅极电荷成比例的沟道
电流为
Ids
tox
W L
Vgs
VT
1 2
Vds
Vds
由Vgs和Vds的系数可知栅极电压Vgs对栅极电荷的 影响力，与漏极电压Vds对栅极电荷的影响力为2:1的 关系，故贡献将分别为 2/3与1/3 。
Cg = Cgs + Cox
Cd = Cdb
2）若Vgs>VT，沟道建立，MOS管导通。MOS电容是 变化的，呈凹谷状，从Cox下降到最低点，又回到 Cox。这时，MOS电容C对Cg，Cd都有贡献，它们的 分配取决于MOS管的工作状态。
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1-Apr-20
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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
VgeVds
= '.0 栅极-沟道间
氧化层介电常数,
ox
tox
W L
(Vgs
VT
1 2
Vds
)Vds
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。
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MOS电容—耗尽层电容特性(续)
3）若Vgs再增大，排斥掉更多的空穴，吸引了更多的
电子，使得Si表面电位下降，能级下降，达到低于 P型衬底的费米能级。这时，Si表面的电子浓度超 过了空穴的浓度，半导体呈N型，这就是反型层。 不过，它只是一种弱反型层。因为这时电子的浓度 还低于原来空穴的浓度。
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 式中Vge是栅极有效控制电压。
qN A
Si
X
2 p
从而得出束缚电荷层厚度 Xp
2 Si
q NA
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MOS电容 —耗尽层电容
这时，在耗尽层中束缚电荷的总量为，
Q qNA X pWL qN AWL
2Si WL
q NA
2 SiqNA
它是耗尽层两侧电位差的函数，因此，耗尽层 电容为，
决定MOSFET的速度和功耗等众多特性
L和W由设计者选定
通常选取L= Lmin，由此，设计者只需选取W W影响MOSFET的速度，决定电路驱动能力和 功耗
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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。
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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
Vds
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耗尽区都渗进到栅极下面的
区域。又，栅极与漏极扩散
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
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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。
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MOSFET的三个基本几何参数
p+/n+
poly-Si G
D diffusion W
t ox L
n(p)
p+/n+
S
栅长:
L
栅宽:
W
氧化层厚度: tox
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MOSFET的三个基本几何参数
Lmin、 Wmin和 tox 由工艺确定 Lmin： MOS工艺的特征尺寸(feature size)
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MOS的伏安特性
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
L
L
L2
Eds Vds
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：