MOS 场效应晶体管
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管的作用功能
MOS管（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）具有多种功能，主要包括放大器、电子开关、时钟电路和射频放大器等。
放大器：MOS管可以放大模拟电信号，例如音频信号，使得音乐声音更加清晰、有力。
电子开关：MOS管可以作为电子开关，在电路中开启或关闭电路，从而实现电路的控制。
时钟电路：MOS管可用于制作时钟电路，例如计数器、时序电路等。
可以对输入信号进行处理，从而实现时钟信号的发生和计数。
射频放大器：MOS管可以作为射频放大器，放大无线电信号，从而增强信号的传输距离和质量。
转换数字电信号：MOS管可以将输入的模拟电信号转换成数字电信号或将数字电信号转换回模拟电信号。
在实际应用中，MOS管的多种功能使其在许多领域中得到广泛应用，例如音频放大、电源管理、通信等。
场效应管和mos管的区别综述
2.3.1静态特性；其转移特性和T的转移特性，ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs
MOSFET的漏极伏安特性（输出特性）：截止区（对应于GTR的截止区）；饱和区（对应于GTR的放大区）；非饱和区（对应于GTR的饱和区）。电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。
开通时间ton—开通延迟时间与上升时间之和。
关断延迟时间td(off) —up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小为零的时间段。
下降时间tf— uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGS<UT时沟道消失，ID下降到零为止的时间段。
关断时间toff—关断延迟时间和下降时间之和。
首先MOSFET结构中所附带的本征二极管具有一定的雪崩能力。通常用单次雪崩能力和重复雪崩能力来表达。当反向di/dt很大时，二极管会承受一个速度非常快的脉冲尖刺，它有可能进入雪崩区，一旦超越其雪崩能力就有可能将器件损坏。作为任一种PN结二极管来说，仔细研究其动态特性是相当复杂的。它们和我们一般理解PN结正向时导通反向时阻断的简单概念很不相同。当电流迅速下降时，二极管有一阶段失去反向阻断能力，即所谓反向恢复时间。PN结要求迅速导通时，也会有一段时间并不显示很低的电阻。在功率MOSFET中一旦二极管有正向注入，所注入的少数载流子也会增加作为多子器件的MOSFET的复杂性。
2.功率MOSFET的结构和工作原理
功率MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。
mos管工艺流程
mos管工艺流程MOS管（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种常用的场效应晶体管，广泛应用于集成电路中。
MOS管的制造需要经过一系列的工艺流程，下面将详细介绍MOS管的制造流程。
首先，制作MOS管的第一步是准备硅基片。
硅基片是制造集成电路的基础材料。
它通过切割硅单晶材料得到，然后经过多次的研磨和抛光，使得硅基片表面光洁平整。
接下来，将硅基片进行清洗，以去除表面的杂质和污染物。
清洗过程中使用一系列溶液和超声波来清洗硅基片。
清洗后，硅基片需要进行干燥，以确保表面干净无尘。
然后，在硅基片上生长一层绝缘层。
绝缘层可以是氧化硅（SiO2）或氮化硅（Si3N4），它起到隔离和保护MOS管的作用。
生长绝缘层的方法有热氧化和化学气相沉积（CVD）。
热氧化是将硅基片放入高温氧气中，使硅表面与氧气反应生成氧化硅。
化学气相沉积则是通过化学反应在硅表面沉积氮化硅。
接下来是制作栅极。
首先，在绝缘层上涂覆一层光刻胶，然后使用曝光设备将光刻胶曝光。
曝光后，用显影液去除未曝光的光刻胶，形成栅极的图案。
然后，将栅极材料（通常是多晶硅或金属）沉积在图案上，形成栅极。
然后是离子注入。
离子注入是将掺杂物注入硅基片中，以改变硅基片的导电性能。
掺杂物可以是硼（B）或磷（P），硼用于形成P型区，而磷用于形成N型区。
注入时，利用离子注入设备将掺杂物离子加速并注入硅基片，形成掺杂层。
接下来是退火步骤。
退火是将硅基片加热到高温，以恢复掺杂区的结构，并消除离子注入中的缺陷。
退火还帮助栅极材料与硅基片结合更牢固。
最后是接触孔刻蚀和金属沉积。
这一步是将接触孔刻蚀在绝缘层上，并在接触孔中沉积金属，以形成电极。
接触孔的刻蚀可以使用干法刻蚀或湿法刻蚀，金属的沉积可以使用物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）。
通过以上工艺流程，MOS管的制造完成。
最后，还需要进行电气测试和封装等步骤，以确保MOS管的质量和可靠性。
总之，MOS管制造的流程复杂且涉及多个步骤，每个步骤都需要精确控制和严格的质量检测。
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
mos场效应晶体管
mos场效应晶体管
Mos场效应晶体管是一种由晶体管和一组极性电极组成的可控制的电晶体元件，它的构造有着三个基本构元：主要是活塞片，源极和漏极。
Mos场效应晶体管是半导体电子器件中的重要一部分，它由两个栅极桥式构成，由垂直排列的源极，漏极，活塞片和双栅极构成，通过改变活塞片的位移来改变电路参数，以实现对电路的控制，是工业等领域应用十分广泛的半导体元件。
它具有较低的截止电压，低风险，高稳定性，低功耗，高可靠性等优点，适用于低功耗、放大、抑制、调节等电路应用。
4.1MOS场效应晶体管结构工作原理
绝缘栅型场效应三极管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)。分为
增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道
N沟道增强型MOSFET 的结构示意图和符号见图 4.1。其中： D(Drain)为漏极，相当c； G(Gate)为栅极，相当b； S(Source)为源极，相当e。
在。
S GD
IDSS
ID /m A
6
D
5 IDSS
+++++++++
SiO2
夹断电压
4
N+
N+
G
B
3
2
P 型衬底
S
1
B
4 3 2 1 U G S (off)
0
U GS/V
当UGS=0时，对应的漏极电流用IDSS表示。当UGS＞0时，将使ID进一 步增加。UGS＜0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对 应ID=0的UGS称为夹断电压，用符号UGS(off)表示，有时也用UP表示。N沟 道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如右上图所示。
从N型区引出电极，一个是漏极
D，一个是源极S。
D
D
在源极和漏极之间的绝缘层上镀
一层金属铝作为栅极G。
G
B G
B
N沟道增强型MOSFET的符号如
左图所示。左面的一个衬底在内部与
S
S
源极相连，右面的一个没有连接，使
用时需要在外部连接。 动画2-3
2 N沟道增强型MOSFET的工作原理
对N沟道增强型MOS场效应三极管的工作原理，分两个方面进行
可变I电D/ 阻m A区
MOS管参数详解和驱动电阻选择
MOS管参数详解和驱动电阻选择MOS管，全名金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)，是一种广泛应用于电子电路中的晶体管。
它具有低功耗、高开关频率、低电压驱动、高噪声抑制等特点，常被用作功率放大器和开关。
下面将详细解析MOS管的一些重要参数及其影响，以及驱动电阻的选择。
1. 阈值电压(Threshold Voltage)：阈值电压是指当MOS管工作在放大区时，控制电压达到的临界值。
它决定了MOS管的导通条件，越小表示MOS管对控制电压的敏感度越高。
2. 栅极电容(Gate Capacitance)：栅极电容是指栅极和源极之间的电容。
它是MOS管的核心特性之一，决定了MOS管的响应速度。
栅极电容越小，MOS管的开关速度越快。
3. 输出电容(Output Capacitance)：输出电容是指输出端和源极之间的电容。
它是MOS管的另一个重要特性，影响MOS管的开关频率和功耗。
输出电容越大，MOS管的开关频率越低，功耗越大。
4. 导通电阻(On-Resistance)：导通电阻是指MOS管导通时的电阻值。
它是MOS管的一个重要参数，影响功率损耗和效率。
导通电阻越小，MOS管的功率损耗和热量损失越小。
5. 驱动电阻(Drive Resistance)：驱动电阻是指用于驱动MOS管的电路中的电阻。
驱动电阻的选择对MOS管的性能和可靠性至关重要。
一般来说，驱动电阻不能过大，以保证MOS管在短时间内能够迅速充放电，提高开关速度；同时也不能过小，以避免过大的电流流过驱动电路，降低效率。
在选择驱动电阻时，需要考虑以下几个因素：1.驱动电压：驱动电阻的阻值应根据MOS管的驱动电压来确定。
一般来说，驱动电阻的阻值应小于MOS管的输入电阻，以确保能够提供足够的电流来驱动MOS管。
2.驱动能力：驱动电阻应具有足够的驱动能力，即能够提供足够的电流来驱动MOS管的栅极。
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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
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1
5.1 MOS场效应管
5.1.1 MOS管伏安特性的推导
两个PN结： 1）N型漏极与P型衬底；
是一个非线性电容，随电位差的增大而减小。
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MOS电容—耗尽层电容特性
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。
with
V ge
V gs
VT
1 2 V ds
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6
MOS的伏安特性—漏极饱和电流
当Vgs-VT=Vds时，满足: dI ds 0 dV ds
Ids达到最大值Idsmax，
其值为
Idsma1 2 x tooxxW LVgsVT2
Vgs-VT=Vds， 意 味 着 近 漏 端 的 栅 极 有 效 控 制 电 压 Vge=Vgs-VT-Vds=Vgs-Vds-VT = Vgd-VT =0 感应电荷为0，沟道夹断，电流不会再增大，因而， 这个 Idsmax 就是饱和电流。
= '.0 栅极-沟道间
氧化层介电常数,
ox t ox
W L
(V gs
VT
1 2
V
ds
)V
ds
' = 4.5, 0 = 0.88541851.10-11 C.V-1.m-1
ox t ox
W L
V
gs
VT
V ds
1 2
V
ds
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
2Si
q NA
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11
MOS电容 —耗尽层电容
这时，在耗尽层中束缚电荷的总量为，
Q qA N X p Wq L N A W2 L q SN i AW2 L Sq i A N
它是耗尽层两侧电位差的函数，因此，耗尽层 电容为，
C S i d dQ v W2 L Sq i A N 1 21 2WL S2 q i A N
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MOSFET特性曲线
在非饱和区 IdsVdsCa1Vgsb1 线性工作区
在饱和区 Idsa2V gs V T2
(Ids 与 Vds无关) . MOSFET是平方律器件!
Ids
饱和区
线性区
击穿区
0
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Vds
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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
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3
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。
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，
tox
W
L
S
n(p)
栅长:
L
栅宽:
W
氧化层厚度: tox
p+/n+
Lmin、 Wmin和 tox 由工艺确定 Lmin： MOS工艺的特征尺寸(feature size)
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
栅极之间，形成了平板电容器，其容量为，
CoxotxW ox LotxW ox L
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。
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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，
1
比原来的Cox要小些。
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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
21Si1SiqNA
掺杂浓度，将上式积分
得耗尽区上的电位差 ：
1 Si
qN Adx'd q xN AXp 2 Si
从而得出束缚电荷层厚度 Xp
Q=CVge 式中Vge是栅极有效控制电压。
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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：
图 5.1
2）N型源极与P型衬底。
同双极型晶体管中的PN 结
一样， 在结周围由于载流
子的扩散、漂移达到动态平
衡，而产生了耗尽层。
一个电容器结构：
栅极与栅极下面的区域形成一个电容器，是MOS管的核 心。
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2
MOSFET的三个基本几何参数
p+/n+
poly-Si G
D diffusion
µn = 650 cm2/(V.s) 电子迁移率(nMOS) µp = 240 cm2/(V.s) 空穴迁移率(pMOS)
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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
CV L2
ge
V ds
ox WL t ox
L2
V
Vge ds
耗尽区中没有可以自由活动的载流子，只有空穴被赶走
后剩下的固定的负电荷。这些束缚电荷是分布在厚度
为极X表p面的。整这个说耗明尽了区M内O，S而电栅容极器上可的以正看电成荷两则个集电中容在器栅的 串联。
以SiO2为介质的电容器——Cox
以耗尽层为介质的电容器——CSi
总电容C为:
C
1 Cox
1 CSi