MOS晶体管基础
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。
半导体物理与器件-第十章-MOSFET基础(1)(MOS结构-CV特性)
11.2.2反型状态(高频)
加较大的正栅压，使反型层电荷出现，但栅 压变化较快，反型层电荷跟不上栅压的变化， 只有耗尽层电容对C有贡献。此时，耗尽层宽 度乃至耗尽层电容基本不随栅压变化而变化。
C' (inv)
C' (dep)min
tox
ox ox
tox
xdT
f 5 ~ 100Hz
f ~ 1MHz
强反型状态(低频)
加大的正栅压且栅压变化较慢，反型层 电荷跟得上栅压的变化
C' (inv)
Cox
ox
tox
平带 本征
41
10.2 C-V特性
n型与p型的比较
负偏栅压时为堆积模式， 正偏栅压时为反型模式。
p型衬底MOS结构
n型衬底MOS结构
正偏栅压时为堆积模式， 负偏栅压时为反型模式。
42
10.2 C-V特性
Cox
Cox
＋2 fp
ms
| Q'SD max | Cox
VFB＋2 fp
|QSDmax|=e Na xdT
f (半导体掺杂浓度,氧化层电荷,平带电压,栅氧化层电容）27
10.1 MOS电容 阈值电压:与掺杂/氧化层电荷的关系
P型衬底MOS结构
Q′ss越大，则VTN的绝对值 越大； Na 越高，则VTN的值（带符 号）越大。
栅压频率的影响
43
小节内容
理想情况CV特性
CV特性概念 堆积平带耗尽反型下的概念 堆积平带耗尽反型下的计算
频率特性
高低频情况图形及解释
44
10.2.3固定栅氧化层电荷和界面电荷效应
对MOS的C-V的影响主要有两种： （1）固定栅氧化层电荷 （2）氧化层-半导体界面电荷
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。
mos管基础知识
MOS管的基础知识什么是场效应管呢？场效应管式是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，并以此命名。
由于它是靠半导体中的多数载流子导电，又称单极性晶体管。
它区别晶体管，晶体管是利用基极的小电流可以控制大的集电极电流。
又称双极性晶体管。
一，MOS管的种类，符号。
1JFET结型场效应管----利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制来改变导电沟道的宽度，从而控制漏极电流的大小。
结型场效应管一般是耗尽型的。
耗尽型的特点：a,PN结反向电压，这个怎么理解，就是栅极G,到漏极D和源极s有个PN结，b,未加栅压的时候，器件已经导通。
要施加一定的负压才能使器件关闭。
C,从原理上讲，漏极D和源极S不区分，即漏极也可作源极，源极也可以做漏极。
漏源之间有导通电阻。
2IGFET绝缘栅极场效应管----利用栅源电压的大小来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。
增强型效应管特点：A,栅极和源极电压为0时，漏极电流为0的管子是增强型的。
B,栅源电压，这个之间是个绝缘层，绝缘栅型一般用的是SIO绝缘层。
2耗尽型绝缘栅场效应晶体管的性能特点是:当栅极电压U。
=0时有一定的漏极电流。
对于N沟道耗尽型绝缘栅场效应晶体管，漏极加正电压，栅极电压从0逐渐上升时漏极电流逐渐增大，栅极电压从0逐渐下降时漏极电流逐渐减小直至截止。
对于P沟道耗尽型绝缘栅场效应晶体管，漏极加负电压，栅极电压从0逐渐下降时漏极电流逐渐增大，栅极电压从0逐渐上升时漏极电流逐渐减小直至截止。
1，按功率分类：A,小信号管，一般指的是耗尽型场效应管。
主要用于信号电路的控制。
B,功率管，一般指的是增强型的场效应管，只要在电力开关电路，驱动电路等。
2，按结构分类：增强型，耗尽型结型场效应管：N沟道结型场效应管 P沟道结型场效应管（一般是耗尽型）绝缘栅型场效应管：N沟道增强型，P沟道增强型，N沟道耗尽型，P沟道耗尽型。
二,用数字万用表测量MOS管的方法用数字万用表判断MOS的管脚定义。
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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
2
MOSFET
MOS晶体管
3
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+
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。
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：
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
PMOS的IDS-VDS特性（沟道长>1mm)
MOS晶体管
11
MOS管的电流解析方程（L〉1mm)
工艺参数
与（VGS-VTH) 的平方成正比
MOS晶体管
12
VG nMOS晶体管的I-V特性
源极(S)
栅极(G)
ID VD
漏极(D)
ID
增强型（E)
ID
耗尽型(D)
VTH
VTH
VG
VG
13
阈值电压的定义
MOS晶体管
14
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
MOS晶体管
15
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。
★ 衬底偏压VSB<0时，阈值电压增大。
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
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。
RS S
RD D
RG (40W) 源漏电阻
RD, RS (各1W)
CSB
B CDB
MOS寄生元素
21
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）
MOS寄生元素
23
有关栅极电容的知识
➢阈值电压附近，栅极电容变动较大
◙ 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
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
19
微小MOS晶体管
微小MOS晶体管的静态特性(沟道长小于1mm)
NMOS ▪当VDSAT=1V,速度饱和
PMOS ▪电流是NMOS的一半 ▪没有速度饱和
▪ 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。
MOS寄生元素
24
MOS晶体管的扩散电容
半
导
体
p型硅基板
基
板
MOS晶体管实质上是一种使
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
++++++++
5
栅极(G)
源极(S)
漏极(D)
VG=3.3V VS=0
VD=3.3V
如果源极是浮 动的，由于衬 底效应，阈值 电压就会增大。
MOS晶Байду номын сангаас管
16
微小MOS晶体管的静态特性(沟道长小于1mm) 长沟道MOS晶体管
短沟道MOS晶体管
与栅源电压 的平方成正比
1至1.4次方成正比
1至1.4次方成正比 平方成正比 17
微小MOS晶体管
载流子的饱和速度引起的 Early Satutation
MOS寄生元素
25
MOS晶体管的导通电阻
D
导通电阻：
Req
G
电流
IDS
S
29
MOS晶体管的导通电阻
30
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)
8
源极
mnCoxW 2L
mn ：为Si中电子的迁移率 Cox : 为栅极单位电容量 W : 为沟道宽 L : 为沟道长
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)
10