MOS场效应晶体管的基本特性
MOSFET
MOS晶体管MOS晶体管的概念金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管（field-effect transistor）。
MOSFET依照其“通道”的极性不同，可分为n-type与p-type的MOSFET，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。
这个名称前半部分说明了它的结构，后半部分说明了它的工作原理。
从纵向看，MOS晶体管是由栅电极、栅绝缘层和半导体衬底构成的一个三明治结构；从水平方向看，MOS晶体管由源区、沟道区和漏区3个区域构成，沟道区和硅衬底相通，也叫做MOS 晶体管的体区。
一个MOS晶体管有4个引出端：栅极、源极、漏极和体端即衬底。
由于栅极通过二氧化硅绝缘层和其他区域隔离，MOS晶体管又叫做绝缘场效应晶体管。
MOS晶体管还因为其温度稳定性好、集成化时工艺简单，而广泛用于大规模和超大规模集成电路中。
MOS管有N沟道和P沟道两类，但每一类又分为增强型和耗尽型两种，因此MOS管的四种类型为：N沟道增强型管、N沟道耗尽型管，P沟道增强型管和P沟道耗尽型管。
凡栅-源电压U GS为零时漏极电流也为零的管子均属于增强型管，凡栅-源电压U GS为零时漏极电流不为零的管子均属于耗尽型管。
MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，而P沟道增强型MOS管和N沟道增强型MOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为CMOS-IC。
MOS器件基于表面感应的原理，是利用垂直的栅压V GS实现对水平I DS的控制。
它是多子（多数载流子）器件。
用跨导描述其放大能力。
MOSFET晶体管的截面图如图1所示在图中，S＝Source，G=Gate,D=Drain。
mos管关断阈值电压
mos管关断阈值电压摘要：一、mos管的基本概念和特性二、mos管的关断阈值电压三、关断阈值电压的影响因素和应用四、如何测量和优化mos管的关断阈值电压五、结论正文：一、mos管的基本概念和特性MOS管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，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（IC）中的半导体器件。
它具有高输入阻抗、低噪声、低失真等优点，因此在电子设备中发挥着重要作用。
MOS管的特性主要取决于其工作电压、阈值电压、沟道长度等因素。
二、mos管的关断阈值电压在MOS管中，关断阈值电压（Vth）是一个关键参数。
它是指在栅源电压（Vgs）达到一定值时，MOS管从关断状态转变为导通状态的电压。
换句话说，当Vgs大于Vth时，MOS管开始导通，允许电流流过；当Vgs小于Vth 时，MOS管处于关断状态，电流不会流过。
三、关断阈值电压的影响因素和应用关断阈值电压Vth受多种因素影响，包括半导体材料的性质、沟道长度、栅氧化层厚度等。
在实际应用中，优化MOS管的Vth具有重要意义。
较低的Vth可以降低功耗、提高开关速度，但同时也可能引入噪声和失真。
较高的Vth则有利于降低噪声和失真，但可能增加功耗和影响开关速度。
四、如何测量和优化mos管的关断阈值电压测量MOS管的关断阈值电压Vth通常采用半导体参数测试仪、脉冲发生器等设备。
在实验室环境中，可以通过改变栅源电压Vgs，观察漏极电流Id的变化，从而确定Vth。
在实际应用中，可以通过以下方法优化MOS管的Vth：1.选择合适的半导体材料：不同材料的半导体具有不同的Vth特性，可根据具体应用选择适合的材料。
2.调整沟道长度：较短的沟道长度可以降低Vth，但同时可能引入短沟道效应，影响器件稳定性。
3.优化栅氧化层厚度：较薄的栅氧化层可以降低Vth，但可能增加漏极电流和噪声。
4.采用先进的制造工艺：先进的制造工艺有助于降低Vth，同时提高器件性能。
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。
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。
MOSFET_MOS管特性参数的理解
MOSFET_MOS管特性参数的理解MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种常用的半导体器件，具有较高的性能和功耗优势。
了解MOSFET的特性参数对于设计和应用电子电路至关重要。
下面将从基本结构、特性参数和其理解等方面进行详细阐述。
MOSFET 的基本结构如下：它由源极、漏极、栅极和底座四个引脚组成，其中源极(source)和漏极(drain)与半导体结成二极管，栅极(gate)则是介质氧化铝上的金属引脚。
其中金属层和介质氧化铝之间的结构形成了场效应管，因此被称为MOS管。
接下来是几个关键的特性参数：1. 阈值电压：阈值电压（Threshold Voltage，简称Vth）是MOSFET 的一个重要参数，它表示了在栅极和漏极之间形成导电路径的最低电压。
当栅极电压高于Vth 时，MOSFET 开始工作并形成导通通道。
2. 饱和电流：饱和电流（Saturation Current，简称Isat）是指在MOSFET 处于饱和工作区时的漏极电流，也称为最大漏极电流。
在饱和区，漏极电流与栅极电压成非线性关系。
3. 输出电导：输出电导（Output Conductance，简称gds）表示了MOSFET 在饱和状态时，输出电流变化对栅极漏极电压的敏感程度。
较高的输出电导意味着MOSFET 在饱和区的输出电流更敏感，从而使其在放大器等应用中更可靠。
4. 线性区增益：线性区增益（Linear Region Gain，简称gm）表示MOSFET 在线性工作区时，输入阻抗和输出阻抗间的关系。
该参数也可以用来衡量MOSFET 对输入信号的放大能力。
5. 输出电容：输出电容（Output Capacitance，简称Coss）表示栅极和漏极之间的电容。
这个电容会导致MOSFET 在高频应用中的频率响应减弱，影响其性能。
以上只是几个主要的特性参数，实际上MOSFET 还有很多其他的参数，如输入电容（Input Capacitance）、迁移率（Mobility）、开启延迟（Turn-on Delay）和反向转移电容（Reverse Transfer Capacitance）等。
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
第五章 MOS场效应管的特性
1 1 C C C Si ox
1
+
N+ N+ N+
G N+ N+
以SiO2为介质的电容器—Cox 以耗尽层为介质的电容器—CSi
MOS管的电容
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，利用泊松方程
2
1
Si
Q qNAWL X p WL 2 Si qNA
CD = Cdb + 0 + Cdb
1 W 2 I ds Vgs VT 2 tox L L
MOS管的电容
深亚微米CMOS IC工艺的寄生电容
21 40 86 9 15 48 36 14
Metal3 Metal2 Metal1
29 38 39 62 46
在耗尽层中束缚电荷的总量为
2 Si Q qNA X pWL qN AWL WL 2 Si qNA q NA
是耗尽层两侧电位差的函数，耗尽层电容为
dQ 1 CSi WL 2 Si qNA dv 2
1 2
Si qNA WL 2
是一个非线性电容，随电位差的增大而减小。
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。
MOS管特性
电荷在沟道中的渡越时间
非饱和时（沟道未夹断），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 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： n n 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相比双极型晶体管的优点
（1）输入阻抗高：双极型晶体管输入阻抗约为几千欧，而 场效应晶体管的输入阻抗可以达到109～1015欧；
（2）噪声系数小：因为MOSFET是依靠多数载流子输运电 流的，所以不存在双极型晶体管中的散粒噪声和配分噪声；
（3）功耗小：可用于制造高集成密度的半导体集成电路；
MOSFET的四种类型
P沟增强型：栅压为零时，沟道不存在，加上一个 负的栅压才能形成P型沟道。
P沟耗尽型：栅压为零时，沟道已存在，加上一个 正的栅压可以使P型沟道消失。
N沟增强型：栅压为零时，沟道不存在，加上一个 正的栅压才能形成N型沟道。
N沟耗尽型：栅压为零时，沟道已存在，加上一个 负的栅压才能使N型沟道消失。
q S 2q F
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。
对于N沟道增强型管，VDS为正电压，VGS也是正电压。当VGS 大于开启电压时，N沟道形成，电流通过N沟道流过漏和源之间。
定性地可以将它分为三个工作区来进行讨论。
可调电阻区/线性工作区/三极管工作区
当漏－源电压VDS相对于栅极电压较小时，在源和漏之间存在 一个连续的N型沟道。此沟道的长度L不变，宽度W也不变。从 源端到漏端沟道的厚度稍有变化。这是因为VDS使沟道中各点的 电位不同，在近源处（VGS-V沟）比近漏处的大，表面电场较大， 沟道较厚。但是，总的来讲，沟道的厚度比氧化层厚度小得多。 由此可见，此时的沟道区呈现电阻特性，电流IDS与VDS基本上是 线性关系。而且，VGS越大，沟道电阻越小，可调电阻区的名称 由此而来。
3．高输入阻抗
由于栅氧化层的影响，在栅和其他端点之间不存在直流通道，因 此输入阻抗非常高，而且主要是电容性的。通常，MOSFET的直 流输入阻抗可以大于1014欧。
4．电压控制
MOSFET是一种电压控制器件。而且是一种输入功率非常低的器 件。一个MOS晶体管可以驱动许多与它相似的MOS晶体管；也 就是说，它有较高的扇出能力。
输出特性曲线
通过MOSFET的漏－源电流IDS与加在漏－源极间 的电压VDS之间的关系曲线即为输出特性曲线。
这时加在栅极上的电压作为参变量。 以N沟道增强型MOSFET为例来进行讨论。 （共源极接法）
源极接地，并 作为输入与输 出的公共端， 衬底材料也接 地。 输入加在栅极G 及源极S之间， 输出端为漏极D 与源极S。
5．自隔离
由MOS晶体管构成的集成电路可以达到很高的集成密度，因为 MOS晶体管之间能自动隔离。一个MOS晶体管的漏，由于背靠 背二极管的作用，自然地与其他晶体管的漏或源隔离。这样就省 掉了双极型工艺中的既深又宽的隔离扩散。
7.2 MOSFET的特性曲线
对于MOSFET则可引进输出特性曲线和转移特 性曲线来描述其电流－电压关系。
场效应晶体管的分类
第一类：表面场效应管，通常采取绝缘栅的形式，称为 绝缘栅场效应管（IGFET）。若用二氧化硅作为半导体 衬底与金属栅之间的绝缘层，即构成“金属－氧化物－ 半导体”（MOS）场效应晶体管，它是绝缘栅场效应 管中最重要的一种； 第二类：结型场效应管（JFET），它就是用P-N结势垒 电场来控制导电能力的一种体内场效应晶体管； 第三类：薄膜场效应晶体管（TFT），它的结构与原理 和绝缘栅场效应晶体管相似，其差别是所用的材料及工 艺不同，TFT采用真空蒸发工艺先后将半导体-绝缘体金属蒸发在绝缘衬底上而构成。
（4）温度稳定性好：因为它是多子器件，其电学参数不易 随温度而变化。
（5）抗辐射能力强：双极型晶体管受辐射后β下降，这是 由于非平衡少子寿命降低，而场效应晶体管的特性与载流子 寿命关系不大，因此抗辐射性能较好。
MOSFET相比双极型晶体管的缺点 工艺洁净要求较高；
场效应管的速度比双极型晶体管的速度来得低。
如果在同一N型衬底上同时制造P沟MOS管和N沟MOS管， （N沟MOS管制作在P阱内），这就构成CMOS 。
MOSFET的特征
1．双边对称
在电学性质上源和漏是可以相互交换的。与双极型晶体 管相比，显然有很大不同，对于双极型晶体管，如果交换 发射极与集电极，晶体管的增益将明显下降。
2．单极性 在MOS晶体管中参与导电的只是一种类型的载流子，这 与双极型晶体管相比也显著不同。在双极型晶体管中，显 然一种类型的载流子在导电中起着主要作用，但与此同时， 另一种载流子在导电中也起着重要作用。
7.1 MOSFET的结构和分类
漏－源区，栅氧化层，金属栅电极等组成
用N型半导体材料做衬底 用P型半导体材料做衬底
由N型衬底制成的管子，其漏－源区是P型的， 称为P沟MOS场效应管； 由P型材料制成的管子，其漏－源区是N型的， 称为N沟MOS S 2q F
在工作时，源与漏之间接电源电压。通常源极接地，漏极接 负电源。在栅极和源之间加一个负电压，它将使MOS结构中半导 体表面形成负电的表面势，从而使由于硅－二氧化硅界面正电荷 引起的半导体能带下弯的程度减小。当栅极负电压加到一定大小 时，表面能带会变成向上弯曲，半导体表面耗尽并逐步变成反型。 当栅极电压达到VT时，半导体表面发生强反型，这时P型沟道就 形成了。空穴能在漏－源电压VDS的作用下，在沟道中输运。VT 称为场效应管的开启电压。显然，P沟MOS管的VT是负值。由前 面的讨论可知，形成沟道的条件为
双极型晶体管和场效应晶体管的区别
双极型晶体管：由一个P-N结注入非平衡少数载流 子，并由另一个P-N结收集而工作的。在这类晶体 管中，参加导电的不仅有少数载流子，也有多数载 流子，故称为双极型晶体管。
场效应晶体管（FET）：利用改变垂直于导电沟 道的电场强度来控制沟道的导电能力而工作的。 在场效应晶体管中，工作电流是由半导体中的多 数载流子所输运的，因此也称为单极型晶体管。