第5讲 MOS管阈值电压和IV概要
mos管阈值电压调整
【MOS管阈值电压调整】MOS场效应管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，简称MOSFET）作为一种常见的功率器件，在电子领域中扮演着重要的角色。
而其中的阈值电压则是决定MOS管导通与截止的重要参数之一，对于MOS管的工作状态和性能具有重要的影响。
因此，正确地调整MOS管的阈值电压对于提高其工作效率和性能具有重要意义。
本文将从MOS管阈值电压的概念、影响因素、调整方法等方面展开详细的讨论，以期为相关领域的研究和工程实践提供一定的参考价值。
一、MOS管阈值电压的概念MOS管的阈值电压（Threshold Voltage）是指当MOS管的栅极-源极电压为零时，沟道中形成的电荷正好抵消掉栅极施加的电场所需要的电压。
换言之，当栅极-源极电压小于阈值电压时，MOS 管处于截止状态；当栅极-源极电压大于阈值电压时，MOS管处于导通状态。
因此，阈值电压直接影响着MOS管的导通特性和工作状态，是MOS管的重要参数之一。
二、影响MOS管阈值电压的因素1. 材料参数MOS管的阈值电压受到材料参数的影响，包括栅极氧化层的厚度、材料质量等，这些因素会直接影响沟道中的载流子密度和分布，进而影响阈值电压的数值。
2. 工艺参数MOS管的制造工艺对阈值电压也有较大影响，例如掺杂浓度、沟道长度等参数的变化都会对阈值电压产生影响。
因此，合理的工艺设计和控制对于调整阈值电压至关重要。
3. 外界环境外界环境条件如温度、湿度等也会对MOS管的阈值电压产生一定的影响，尤其在一些特殊的工作环境下，需要考虑这些因素对阈值电压的影响。
三、MOS管阈值电压的调整方法调整MOS管的阈值电压是为了使其适应特定的工作条件和需求，一般可以采取以下方法进行：1. 工艺优化通过优化MOS管的制造工艺，包括掺杂工艺、氧化工艺等，来实现对阈值电压的调整。
例如，通过控制沟道长度、厚度等参数，可以间接地实现对阈值电压的调整。
mos规格书 参数含义
mos规格书参数含义一、概述本规格书旨在为使用MOS（金属氧化物半导体场效应晶体管）的电子设备设计者提供有关MOS器件的基本参数和规格，以便正确使用和评估其性能。
二、主要参数1.电压阈值（Vth）电压阈值是指MOS器件开始导通所需的电压。
不同类型的MOS器件，其电压阈值范围不同。
2.尺寸（Size）MOS器件的尺寸包括宽度（W）、长度（L）和厚度（H）。
尺寸会影响器件的导通电阻、驱动电流等性能参数。
3.类型（Type）MOS器件的类型包括N沟道型和P沟道型，不同类型的MOS器件具有不同的电学特性。
4.耗尽型（Depletion-mode）耗尽型MOS器件是指在正常工作电压下，即使没有外加偏置电压，也能正常导通的器件。
5.饱和压降（SaturationVds）饱和压降是指MOS在饱和状态下的源漏电压。
它与器件的类型、工作频率、驱动电流等因素有关。
三、规格1.性能规格MOS器件的性能规格主要包括输出电阻、驱动电流、开关速度、电压噪声等。
这些规格会影响MOS器件在电子设备中的表现。
2.环境规格MOS器件的环境规格主要包括工作温度范围、湿度、温度变化速率等。
这些因素会影响MOS器件的性能和寿命。
3.安全规格MOS器件的安全规格主要包括绝缘电阻、泄露电流、耐压强度等。
这些规格保证了在使用MOS器件时的安全。
四、参数含义以下是一些重要参数的具体含义：1.阈值电压（Vth）：阈值电压决定了MOS晶体管从截止状态到导通状态的转变电压。
它通常与MOS晶体管的类型和结构有关。
2.最大工作频率（fmax）：表示晶体管在工作时能达到的最大开关频率。
这个值通常会受到其它性能参数的影响，如饱和压降、导通电阻等。
3.输出电阻（Rdson）：表示源极与漏极之间的直流电阻，代表了晶体管在导通状态下的功耗大小。
4.驱动电流（Ids）：表示晶体管在常温下能够输出的最大电流。
这个值通常会受到其它性能参数的影响，如尺寸、阈值电压等。
5.工作温度范围（Tj）：表示晶体管可以在多少摄氏度下正常工作，通常以摄氏度为单位表示。
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管参数解释
MOS管参数解释莫斯管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，简称MOSFET）是一种电子器件，常用于放大、开关和模拟电路中。
它有三个电极：栅极（Gate）、漏极（Drain）和源极（Source）。
MOS管的参数非常重要，决定了MOS管的性能和特性。
本文将详细解释MOS管的主要参数。
1. 阈值电压（Threshold Voltage）：阈值电压是指当栅极电压等于源极电压时，MOS管开始导通的电压。
阈值电压可以通过改变栅极电流和源极电流来控制，影响MOS管的导通和截止特性。
2. 漏极电流（Drain Current）：漏极电流是指MOS管工作时从漏极到源极的电流。
漏极电流可以通过调节栅极电压和源极电压来控制。
漏极电流是MOS管的输出电流，在放大电路中起到重要作用。
3. 开关速度（Switching Speed）：MOS管的开关速度是指它从导通到截止或从截止到导通的时间。
开关速度受到MOS管内部电容和电荷传输的影响。
较高的开关速度可以使MOS管在高频应用中更为有效。
4. 导通电阻（On-resistance）：导通电阻是指MOS管在导通状态下的电阻大小。
导通电阻直接影响MOS管的功耗和效率。
较低的导通电阻可以减小功率损失。
5. 对耗（Power Dissipation）：对耗是指MOS管的功率损耗。
对耗主要由漏极电流和漏极电压决定，较高的对耗可能导致MOS管过热和损坏。
6. 压降（Voltage Drop）：压降是指从源极到漏极之间的电压差。
压降与MOS管的电流和导通电阻有关。
较大的压降可能会影响电路的正常工作。
7. 输出容载（Output Capacitance）：输出容载是指MOS管输出端的电容。
输出容载影响MOS管的开关速度和频率特性。
较大的输出容载可能导致MOS管在高频应用中的性能下降。
8. 噪声系数（Noise Figure）：噪声系数是指MOS管对输入信号中的噪声的放大程度。
MOS管参数详细讲解和驱动电阻选择
MOS管参数详细讲解和驱动电阻选择场效应管（MOSFET）是一种常用的半导体器件，具有高输入阻抗、低输出阻抗和快速开关速度等特点。
在使用MOSFET时，需要了解一些关键参数，并选择合适的驱动电阻来确保其正常工作。
首先，我们来详细讲解一下MOSFET的参数：1. 阈值电压（Vth）：MOSFET的阈值电压是指控制栅极电压达到一个特定值时，漏极电流开始增加的电压。
它决定了MOSFET的开启和关闭状态。
阈值电压越高，MOSFET越难被打开。
2.最大耗散功率（Pd）：这是MOSFET能够承受的最大功率。
超过这个功率，MOSFET可能会过热并损坏。
3.最大漏极电流（Id）：这是MOSFET允许通过的最大电流。
超过这个电流，MOSFET可能会损坏。
4. 开启电阻（Rds(on)）：这是MOSFET在完全开启状态下的导通电阻。
它决定了MOSFET的导通损耗和输出电压的下降。
5. 输入电容（Ciss）：这是MOSFET的输入电容，它决定了MOSFET 的输入阻抗和开关速度。
较大的输入电容会导致较慢的开关速度。
6. 输出电容（Coss）：这是MOSFET的输出电容，它决定了MOSFET 的输出阻抗和开关速度。
较大的输出电容会导致较慢的开关速度。
7.饱和区电流增益（K）：这是MOSFET的增益系数，它决定了MOSFET的放大能力。
较大的增益系数意味着更好的放大能力。
选择合适的驱动电阻是确保MOSFET正常工作的关键。
驱动电阻可以分为上升电阻和下降电阻。
上升电阻是指在MOSFET的栅极上升时，为了快速充放电栅极电容而选择的电阻。
较小的上升电阻可以提高开关速度，但也会增加功耗。
一般建议选择上升电阻的阻值为栅极电容的1/10。
下降电阻是指在MOSFET的栅极下降时，为了快速放电栅极电容而选择的电阻。
较小的下降电阻可以提高开关速度，但也会增加功耗。
一般建议选择下降电阻的阻值为栅极电容的1/20。
另外，还需要考虑驱动电压的大小。
mos管的阈值电压
mos管的阈值电压mos管的阈值电压（Threshold Voltage）是指在MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）中，控制栅极电压达到一定数值后，源极和漏极之间开始导通的电压。
MOSFET是一种三端器件，由栅极、源极和漏极组成。
其中栅极与源极之间存在一个绝缘层，称为氧化层或者栅氧化物。
当栅极施加的电压高于阈值电压时，氧化层下方形成一个由正负离子组成的导电区域，使得源极和漏极之间产生导通。
1. MOS管结构MOS管由P型或N型半导体基底构成，上面覆盖着一个绝缘层（氧化层），然后再加上一个金属或多晶硅的栅极。
P型基底上形成N型沟道区域，而N型基底上形成P型沟道区域。
源、漏区域分别与沟道区相连。
2. 阈值电压的定义阈值电压是指当控制栅极电压达到一定数值时，MOS管开始导通的电压。
在N沟道MOSFET中，阈值电压是指当栅极电压高于一定值时，N沟道区域开始形成导电通道。
同样，在P沟道MOSFET中，阈值电压是指当栅极电压低于一定值时，P沟道区域开始形成导电通道。
3. 影响阈值电压的因素阈值电压受到多种因素的影响，包括温度、半导体材料、栅氧化物质量和掺杂浓度等。
以下是一些主要的影响因素：3.1 温度：随着温度的升高，半导体材料中载流子浓度增加，从而降低了阈值电压。
3.2 栅氧化物质量：氧化层质量差会导致漏电流增加，从而影响阈值电压。
3.3 半导体材料：不同类型的半导体材料具有不同的禁带宽度和载流子浓度，在制造过程中选择合适的材料可以调节阈值电压。
3.4 掺杂浓度：掺杂浓度越高，载流子浓度越大，从而降低了阈值电压。
3.5 沟道长度：沟道长度越短，阈值电压越低。
4. 阈值电压的测量方法测量阈值电压可以通过静态或动态方法进行。
其中，静态方法包括直流法和恒流法，动态方法包括脉冲法和斜率法。
4.1 直流法：通过改变栅极电压并测量源漏极之间的电流，找到导通起始点的栅极电压即为阈值电压。
4.2 恒流法：保持源漏极之间的电流不变，改变栅极电压并观察源漏极之间的电压变化，找到导通起始点的栅极电压即为阈值电压。
MOS管的参数：
MOS管的参数：.MOS管的参数：1、开启阈值电压(Vgsth):有些MOS管阈值电压不到1V，MOS 管就能开始导通，有的MOS管开启电压至少2V。
2、持续工作电流(Ihold)：MOS管工作时，能持续通过D极和S 极间的电流。
3、栅极和源极之间的最大值(Vgs)：当MOS管开始导通时，这个电压值较小，当栅极和源极间的电压值达到一个值时，MOS管才能完全导通。
加载这两端的电压值也有个极限，不能超过给出的最大值。
4、最大耐压值(Vdss)：加载到D极和S极间的最大电压值。
通过MOS管加载到负载上的电压值，一定要小于最大耐压值，而且留有足够的余量。
5、Vbr击穿电压：在G极和S极间的电压值为0时，在D极和S 极间加载电压，当电压值达到多少V时，MOS管被击穿。
6、导通电阻：我们希望它的电阻越小好，电阻越小，功耗就越小，发热量就越小。
一般为几十毫欧，小的能达到几毫欧。
7、冲击电流(Idm)：负载启动的瞬间，可以有很高的冲击电流，包括浪涌等。
这个冲击电流一般为保持工作电流的4倍。
8、漏电流：开启电压为0时，MOS管没导通时，在D极和S极加载电压时，D极和S极之间会有很小的电流。
9、开启时间、上升时间、关断时间、下降时间：这4个参数说明MOS管的开速度，MOS管用在高频信号电路中，这个参数很重要。
比如一个频率为50Khz的PWM波，有高电平和低电平，MOS管需要不停的关闭和打开，如果MOS管导通和关闭速度不够，这个PWM 波不能完整传输。
描述这次我们讲讲MOS管选型，选型也是电路设计中一个非常重要的环节。
选取9个重要的参数，包括阈值电压、工作电压、工作电流、开启关闭速度等。
芯片手册上参数，一般基于环境温度为25℃时测量的。
实际上很多MOS能在，环境温度为80℃以上正常工作。
MOS管的参数： 1、开启阈值电压(Vgsth):有些MOS管阈值电压不到1V，MOS管就能开始导通，有的MOS管开启电压至少2V。
第5讲 MOS管阈值电压和IV讲解
阈值电压与VBS关系曲线
体电位的作用
? 记忆方法：“体相当于另一个栅，VBS与VGS 对ID的作用方向相同”【拉扎维】。
问题：ID1与ID2哪个大？
Id1
Id2
5V G
vg
D
S 4V
vs
Байду номын сангаас
5V vd
2V G
vg
D
S 1V
vs
2V vd
MOS管IV特性方程
IV特性即ID与VGS和VDS之间的方程
浓度等于电子数 N除 以体积。
n?
N
W ?h( y) ?dy
ID
? W? nq W
N
?h(
y)
dV ?
?h( y) ?dy
dy
?
W?
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y)
dV dy
接上页
I D ?dy ? W ?? n ?QI?( y) ?dV
? ? I D ?dy ? W ?? n ?Co?x VGS ? V ( y) ? VTHN dV
研究阈值电压与温度的关系的文件
? *------ 例6: ST02 工艺NMOS阈值电压分析 -----------? *-----------------------------------------------? .option post=2 $ 输出波形文件 ? *-----------------------------------------------? .option search=d:/hspice2011/libs $ 指定库路径 ? *-----------------------------------------------? .lib st02.lib tt $ 指定模型库和入口 ? *-----------------------------------------------? .temp 25 $ 指定环境温度 ? *-----------------------------------------------? m1 nd ng ns nb mn w=20u l=0.5u ? vg ng gnd 1 ? vd nd gnd 5 ? vs ns gnd 0 ? vb nb gnd 0 ? *-----------------------------------------------? .print dc i1(m1) $ 记录m1第一个节点的电流 ? *-----------------------------------------------? .dc vg 0.4 1 0.01 sweep temp -40 85 10 ? .print LV9(m1) ? .end
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推导思路
如何使栅氧化层与半导体接触面的表面势与 衬底材料的静电势大小相等，方向（符号） 相反。 NMOS管的体（P型）的静电势为
V fp Ei E fp q kT N A ln q ni
使表面势为-Vfp（正数）需要施加的栅源电 压即阈值电压。
推导阈值电压需考虑的各种因素
阈值电压与温度的关系
利用SPICE模型给出的VTH别名的仿真分析文件
*--- 例8: NMOS阈值(别名）与温度关系分析-------*-----------------------------------------------.option post=2 $输出波形文件 *-----------------------------------------------.option search="d:/hspice2011/libs" $指定库路径 *-----------------------------------------------.lib "st02.lib" tt $指定模型库和入口 *-----------------------------------------------.temp 25 $指定环境温度 *-----------------------------------------------m1 nd ng gnd nb mn w=20u l=0.5u vgs ng gnd 1 vds nd gnd 1 vbs nb gnd 0 *-----------------------------------------------.print dc i1(m1) $记录m1第一个节点的电流 *-----------------------------------------------.dc temp -40 85 1 .print LV9(m1) .end
考虑体电位的阈值电压公式
完整公式如下
VTHN VTHN 0 2V fp VSB 2V fp
此公式对电路设计者的意义
阈值电压与温度有关。
阈值电压与体电位有关。
阈值电压与工艺偏差有关。
研究阈值电压与温度的关系的文件
*------ 例6: ST02工艺NMOS阈值电压分析-----------*-----------------------------------------------.option post=2 $输出波形文件 *-----------------------------------------------.option search="d:/hspice2011/libs" $指定库路径 *-----------------------------------------------.lib "st02.lib" tt $指定模型库和入口 *-----------------------------------------------.temp 25 $指定环境温度 *-----------------------------------------------m1 nd ng ns nb mn w=20u l=0.5u vg ng gnd 1 vd nd gnd 5 vs ns gnd 0 vb nb gnd 0 *-----------------------------------------------.print dc i1(m1) $记录m1第一个节点的电流 *-----------------------------------------------.dc vg 0.4 1 0.01 sweep temp -40 85 10 .print LV9(m1) .end
第5讲 MOS管的理论公式
MOS管阈值电压的物理学定义
定义
使沟道中反型载流子浓度与衬底中多数载流
子浓度相等时所需要的栅源电压定义为阈值
电压。
推导阈值电压时的外部连接和内部状态
源漏区都接地，沟道刚刚产生，厚度忽略。
栅 VGS=VTHN 源 A B N+ P衬底 -Q´ b（栅氧化层下方电荷） -VSB Xd C D 漏 N+ +Q´ b（正电荷与栅氧 化层下方电荷相等）
考虑接触电势差和表面附加电荷
金属 金属 栅 多晶硅 SiO2 P衬底 体 VG VOX Vfp
体接源极（VSB=0）时的公式
VSB为0时的阈值电压公式
VTHN 0 0 Qss Qb V ms2V fp Cox其中Vms是多晶Fra bibliotek栅与体之间的电势差
kT N D, poly kT N A Vms VG V fp ln ln q ni q ni
阈值电压随温度变化曲线
实验结果
阈值电压随温度升高而下降。
在VGS和VDS不变时，ID随温度升高而升高。
阈值电压与体电位的关系
注意：下图中VBS最高只能加到0.5V。
ng VGS gnd
Id nd VDS VBS
体电位对阈值电压影响的仿真文件
*--- 例7: NMOS阈值(别名）与体电位关系分析-------*-----------------------------------------------.option post=2 $输出波形文件 *-----------------------------------------------.option search="d:/hspice2011/libs" $指定库路径 *-----------------------------------------------.lib "st02.lib" tt $指定模型库和入口 *-----------------------------------------------.temp 25 $指定环境温度 *-----------------------------------------------m1 nd ng gnd nb mn w=20u l=0.5u vgs ng gnd 1 vds nd gnd 0 vbs nb gnd 0 *-----------------------------------------------.print dc i1(m1) $记录m1第一个节点的电流 *-----------------------------------------------.dc vbs -1 0.5 0.1 .print LV9(m1) .end