第6章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管
金属-氧化物半导体场效应晶体管 MOSFET 各参数检测标准名称及编号
金属-氧化物半导体场效应晶体管 MOSFET 各参数检测标准名称及编号
检测 对象
序号
1
2
3
4
5
6
7
金属-氧化物半导
8
体场效应晶体管
MOSFET 9
10 11 12 13 14
15
项目/参数 名称
检测标准（方法）名称及编号（含年号）
漏源间反向击穿电压
MIL-STD-750F:2012 方法3407.1 GJB128A-1997 方法3407
MIL-STD-750F:20Hale Waihona Puke 2 方法3473.1栅极电荷
MIL-STD-750F:2012 方法3471.3
单脉冲雪崩能量
MIL-STD-750F:2012 方法3470.2
栅极串联等效电阻
JESD24-11:2002
稳态热阻
MIL-STD-750F:2012 方法3161.1 GJB128A-1997 方法3161
通态电压
MIL-STD-750F:2012 方法3405.1
通态电阻
MIL-STD-750F:2012 方法3421.1
阈值电压
MIL-STD-750F:2012 方法 3404
漏极反向电流
MIL-STD-750F:2012 方法3415.1
栅极漏电流
MIL-STD-750F:2012 方法3411.1
体二极管压降
MIL-STD-750F:2012 方法 4011.4
跨导
MIL-STD-750F:2012 方法3475.2
开关时间
MIL-STD-750F:2012 方法3472.2 GJB128A-1997 方法3472
半导体物理基础 第六章 MOS
QS QB qNa xd
2 qNa xd S 2k s 0
（6-5）
和
（6-6）
6.2 理想MOS电容器
代入（6-44）式解出 x
d
Xd
kS 0 kS 0 2VG 1 C0 2 C0 C0 qkS 0 N a
2 0 12
（6-45）
C 2C 1 qN k VG C0 a S 0
6.2 理想MOS电容器
积累区（ VG <0）
MOS系统的电容C基本上等于绝缘体电容 C0。当负偏压的数值逐渐减少时，空间电 荷区积累的空穴数随之减少，并且 QS 随 C也就变小。 平带情况（ VG =0）
S
的变化也逐渐减慢， C S 变小。总电容
C FB C0
1 k 0 LD 1 k s x0
（6-1）
掌握载流子积累、耗尽和反型和强反型的概念。 正确画出流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况的能带图。 导出反型和强反型条件
6.2 理想MOS电容器
6.2 理想MOS电容器
系统单位面积的微分电容
微分电容C与外加偏压 VG 的关系称为MOS系统的电容—电压特性。
dQM C dVG
（6-1）
S =半导体表面的电场
k0 =氧化物的相对介电常数
k S =半导体相对介电常数
xd =空间电荷区在半导体内部的边界亦即空间电荷区宽度。
外加电压 VG 为跨越氧化层的电压
V0和表面势 S 所分摊：
（6-2）
VG V0 S
6.1 理想MOS结构的表面空S结构内的电位分布
（6-22）
dV0 d s 1 dVG C dQM dQM dQM
金属氧化物半导体场效应管
MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)：MOS(Metal Oxide Semiconductor),以金属层(M)的栅极隔着氧化物(O),利用电场的效应来控制半导体(S)的场效应管(FET)，用于功率开关管MOSFET的分类：1、耗尽型(N/P沟道)2、增强型(N/P沟道)MOSFET的结构：1、横向通道型，有利于集成，功率不高，开关速度(相当小的电容)可以很快，栅极驱动损耗也比较小2、垂直通道型，允许通过电流大，电压大1) VMOS：导通阻抗较小，开关响应快2) DMOS：制作简单，成本低，导通阻抗大3) UMOS：导通阻抗更小，功率大，制作复杂，成本高3、为了防止MOSFET接电感负载，产生高压击穿MOSFET管，一般功率MOSFET的漏极和源极都并上一个快速恢复二极管4、功率MOSFET主要是N沟道增强型MOSFET的特点：1、在电子电力器件工作频率最高的，可达到10ns—60ns2、驱动功率小3、热稳定性好4、电流容量小、耐压低，一般功率不超过10KW5、管子耐压越高，压降越大，功耗越大MOSFET的参数：1、Vdss：2、Rds(on)：完全导通时，漏源间的电阻3、Vgs(th)：阀值电压4、Id(max)：漏源最大电流MOSFET的驱动：1、MOSFET的开关速度以达到双极型晶体管的速度，MOSFET技术以其更加简单的、高效的驱动电路使它比晶体管设备具有更大的经济效益2、并联的MOSFET管都通过相同的电流3、当MOSFET工作在开关状态下，目标是在可能的最短时间内实现器件在最低阻抗和最高阻抗之间的切换4、开关速度和性能决定于三端引脚之间的三个电容上电压变化的快慢，在高速开关应用中，器件的寄生电容是一个重要的参数5、电流较大时设备温度将会升高，温度升高将会使源漏极间电阻变大6、栅极驱动损耗，MOSFET的导通和截止过程包括电容CISS的充电和放电。
MOSFET
金属氧化物半导体场效应晶体管维基百科，自由的百科全书（重定向自MOSFET）跳转到：导航, 搜索汉漢▼显示↓显微镜下的MOSFET测试用组件。
图中有两个栅极的接垫（pads）以及三组源极与漏极的接垫。
金属氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效应晶体管（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应晶体管（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。
从目前的角度来看MOSFET的命名，事实上会让人得到错误的印象。
因为MOSFET里代表“metal”的第一个字母M，在当下大部分同类的组件里是不存在的。
早期MOSFET的栅极（gate electrode）使用金属作为其材料，但随着半导体技术的进步，现代的MOSFET栅极早已用多晶硅取代了金属。
MOSFET在概念上属于“绝缘栅极场效应晶体管”（Insulated-Gate Field Effect Transistor, IGFET）。
而IGFET的栅极绝缘层，有可能是其他物质，而非MOSFET使用的氧化层。
有些人在提到拥有多晶硅栅极的场效应晶体管组件时比较喜欢用IGFET，但是这些IGFET多半指的是MOSFET。
MOSFET里的氧化层位于其通道上方，依照其操作电压的不同，这层氧化物的厚度仅有数十至数百埃（Å）不等，通常材料是二氧化硅（silicon dioxide, SiO2），不过有些新的高级制程已经可以使用如氮氧化硅（silicon oxynitride, SiON）做为氧化层之用。
今日半导体组件的材料通常以硅（silicon）为首选，但是也有些半导体公司发展出使用其他半导体材料的制程，当中最著名的例如IBM 使用硅与锗（germanium）的混合物所发展的硅锗制程（silicon-germanium process, SiGe process）。
n型金属-氧化物-半导体场效应晶体管
n型金属-氧化物-半导体场效应晶体管
N型金属氧化物半导体场效应晶体管（N-type Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor，N-MOSFET）是一种常见的晶体管类型，用于电子设备中的开关和放大电路。
N-MOSFET由n型半导体基片形成的源和漏，中间隔着一层绝缘氧化物（通常是氧化硅），作为栅极下面的绝缘层。
在绝缘层上方，有一层金属栅极，用于控制电流的流动。
N-MOSFET的工作原理是通过在栅极上施加一个电压来控制电流的流动。
当栅极上的电压为正电压时，栅极和源之间形成正偏压，使得n型基片的导电性增强，电流可以从源端流向漏端。
当栅极上的电压为负电压时，栅极和源之间形成反偏压，导致n型基片的导电性减弱，电流无法通过。
N-MOSFET的优点包括高输入阻抗、低功耗和快速的开关速度。
它广泛应用于集成电路中的逻辑门、存储器和微处理器等电子设备中。
mos放大原理
mos放大原理MoS放大原理是指金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）的放大作用机制。
MOSFET是一种广泛应用于集成电路中的电子元件，其具有高度集成、低功耗和高可靠性等优势。
在MOSFET中，金属-氧化物-半导体结构起到了关键的放大作用，从而实现了电子信号的放大和控制。
MOSFET是由金属门极、氧化物绝缘层和半导体通道三部分组成。
其中，金属门极是控制电子流动的电极，氧化物绝缘层则隔离了金属门极和半导体通道，防止电荷的漏失，而半导体通道则是电子流动的通道。
当施加在金属门极上的电压发生变化时，氧化物绝缘层会产生等效电场，从而改变半导体通道中的电子浓度，进而控制电子的流动。
MOSFET的放大原理可以通过三个关键的工作区间来解释，即截止区、线性区和饱和区。
当金属门极上的电压较低时，MOSFET处于截止区，此时电子无法通过半导体通道流动。
当金属门极上的电压逐渐增加时，MOSFET进入线性区，此时电子开始在半导体通道中流动，且其流动的大小与金属门极上的电压成正比。
当金属门极上的电压继续增加，超过一定阈值时，MOSFET进入饱和区，此时电子流动已经达到最大值，不再随着金属门极上电压的增加而增加。
基于MOSFET的放大原理，可以实现对电子信号的放大和控制。
通过调节金属门极上的电压，可以控制半导体通道中电子的流动，从而实现对电子信号的放大。
这种信号放大的原理被广泛应用于集成电路和电子设备中，例如放大器、运算放大器和数字电路等。
除了信号放大，MOSFET还具有其他重要的特性。
例如，MOSFET具有很高的输入电阻和低的输出电阻，可以在电路中提供良好的匹配特性。
此外，MOSFET还具有较低的功耗和较高的可靠性，使其成为现代电子设备中不可或缺的元件之一。
总结来说，MoS放大原理是一种通过金属-氧化物-半导体结构实现电子信号放大和控制的机制。
基于MOSFET的放大原理，可以实现对电子信号的放大和控制，从而广泛应用于集成电路和电子设备中。
第6章结型场效应晶体管讲解
6.2 金属-半导体场效应晶体管（MESFET）
6.2.1 MESFET结构的发展过程
6.2.2 MESFET的栅结构
6.2.3 GaAs MESFET结构
6.2.1 MESFET结构的发展过程
最初结构
器件的有源层直接生长在掺Cr（铬） 的半绝缘GaAs衬底上，然后在有 源层上分别制作肖特基结和欧姆接 触。
JFET的转移特性曲线
6.1.5 JFET参数
漏极饱和电压 漏极饱和电流 关断电压VT（Vp） 最小沟道电阻Rmin
栅极截止电流IGSS和栅极输入电阻RGS
漏源击穿电压BVDS 输出功率PO 跨导gm
漏极饱和电压
定义：漏端附近沟道完全耗尽时对应的漏极电压。
饱和时耗尽层宽度为t，由（10）式得：
2．晶体管原理，刘永 张福海编著，国防工业出版社，2002.1，p273-303
6.1 pn结场效应晶体管（JFET）
6.1.1 JFET器件基本工作原理
6.1.2 JFET器件器件类型和代表符号
6.1.3 JFET器件分析--源极接地，漏极上加小的偏压VD 6.1.4 JFET器件分析--源极接地，漏极上加大的偏压VD 6.1.5 JFET参数
沟道电阻：
R
L
x wW
（1）
（2） （3） （4 ） （5 ）
式中沟道电阻率： (qNd )1 漏极电流：
ID VD W ( )(q n N d x wVD ) R L
x w t xd
xd [
2 S (i VG )]1 / 2 qNd
把（4）、（5）代入（3）得
半导体器件物理 第六章总结
6.2 少子分布
发射区空穴电流密度分布
0 qD pe pe qVeb dpe ( x) J pe ( x) qD pe (e dx L pe kT
1) e
( x x1 ) L pe
当
We L，则近似有 pe
J pe
qDpe Pe 0 qVbe L pe1 e kT 1 e We
37
6.2 少子分布
D. 基区渡越时间
Q' W B B B FB IC 2 DnB
2
38
6.2 少子分布
三 重掺杂发射区
禁带宽度变窄
1/ 2 2 N N Eg 9ln 17 ln 17 0.5 (meV ) 10 10
6.1.2 晶体管电流的简化表达式
基极电流:
一是iE2， 该电流正比于exp(VBE/Vt) ，记为iBa；另一是基区多子空穴 的复合流iBb,依赖于少子电子的数量，也正比于exp(VBE/Vt) 。故基极电 流正比于exp(VBE/Vt) 。
17
6.1 双极型晶体管的工作原理
6.1.3 工作模式
1948年，肖克莱发明了“结型晶体管 ”。1948年7月1日，美国《纽约 时报》只用了8个句子的篇幅，简短地公开了贝尔实验室发明晶体管的消 息。“一石激起千层浪”，它就像颗重磅炸弹，在全世界电子行业“引 爆”出强烈的冲击波。电子计算机终于就要大步跨进第二代的门槛！ 1954年，贝尔实验室使用800支晶体管组装成功人类有史以来第一台晶 体管计算机 TRADIC
Wb csc h Lnb
X=Wb，得 到达集电结电子电流为
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1 k 0 LD 1 k s x0
（6-40）
6.2 理想MOS电容器
耗尽区（ VG 0 P200）
dQS 0 k S CS d S xd
V0 QS C0
（6-42）
C 1 CO 1 k0 xd k S x0
（6-43）
QS QB qNa xd
2 0 k 0 1 V 2 G qNa k S x0
2
12
（6-46）
归一化电容C C 0 随着外加偏压的增加而减小
反型区（ VG 0 P201,小结6）
Cs dQS dQI dQB d S d S d S
（6-47）
6.2 理想MOS电容器 小结
6.4 实际MOS的电容-电压特性
（6-57）
功函数差的影响
在室温下，硅的修正功函数
1.1 3.25 f 3.8 f V 2
图6-3 加上电压 VG 时MOS结构内的电位分布
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
半导体表面空间电荷区（P193)
每个极板上的感应电荷与电场之间关系
QM QS k 0 0 0 k S 0 S
自由空间电容率 0
半导体表面电场 S 外加电压
（6-1）
氧化物相对介电常数 k 0
6.3 沟道电导与阈值电压 小结
1. 沟道电导反映了导电沟道的导电能力，沟道电导与器件 结构有关，与沟道内载流子迁移率和沟道电荷成正比。 Z g I n QI L QB 2. 阈值电压 VTH Si
C0
形成强反型时所需最小栅电压。第一项表示在形成强 反型时，要用一部分电压去支撑空间电荷；第二项表示要 用一部分电压为半导体表面提供达到强反型时所需要的表 面势。
QS VG S C0
2 qN a x d S 2k s 0
（6-44） （6-5）
（6-6）
6.2 理想MOS电容器
耗尽区
Xd kS 0 kS 0 2VG 1 C0 2 C0 C0 qk S 0 N a
2 0 12
（6-45）
C 2C 1 qN k VG C0 a S 0
dQS dQM CS d S d S
C0
半导体表面空间电荷区单位面积电容
dQM dV0
（6-24）
（6-25）
6.2 理想MOS电容器
系统归一化电容
1 1 1 C C0 C S
C 1 C0 1 C0 C S
电容随偏压变化分成几个区域
（6-26）
（6-28）
dQM 0 k 0 C0 dV0 x0
第六章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管
6.2 理想MOS电容器
6.2 理想MOS电容器
单位面积微分电容
dQM C dVG
（6-22）
MOS系统电容-电压特性: 微分电容C与偏压 VG 关系
dVG dV0 d s 1 C dQM dQM dQM
（6-23）
绝缘层单位面积上的电容
载流子积累、耗尽和反型
载流子积累 紧靠硅表面的多数载流子浓度大于体内热平衡多数载流 子浓度时，称为载流子积累现象。 单位面积空间电荷
Qs q [ p ( x) p0 ]dx
0 xd
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
载流子积累、耗尽和反型
物理PN结 场感应结
图6-4 几种偏压情况的能带和电荷分布（b）小的 VG （c）大的 VG
铝电极和P型硅衬底
铝的功函数比P型硅的小，铝的费米能级高。 功函数差 qm ' qS ' ( EFM EFS ) 0 功函数不同，铝-二氧化硅-P型硅MOS系统在没有外加 偏压的时候，在半导体表面存在表面势 S 0 。因此， 欲使能带平直，除去功函数差的影响，就必须在金属电 极上加一负电压。 ' ' （6-56） 平带电压 VG1 ms m s'
沟道电荷受到偏压控制，这正是MOSFET工作的基础。
6.3 沟道电导与阈值电压
二 阈值电压
定义为形成强反型所需要最小栅电压。
VTH QB Si C0
（6-55）
第一项表示形成强反型时，要用一部分电压去支撑空间电 荷 QB ； 第二项表示要用一部分电压为半导体表面提供达到强反型 时所需要的表面势 Si 。
MOSFET其它叫法：绝缘栅场效应晶体管（IGFET） 金属-绝缘体-半导体场效应晶体管（MISFET） 金属-氧化物-半导体晶体管（MOST）
第六章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管
6.1 理想MOS结构表面空间电荷区
6.1 理想MOS结构表面空间电荷区
理想MOS结构假设
（1）氧化物中或氧化物和半导体之间的界面不存在电荷。 （2）金属和半导体之间的功函数差为零. 〔由假设（1）（2）无偏压时半导体能带平直〕 （3）二氧化硅层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过。 由假设（3），即使有外加电压，在达到热平衡状态时， 整个表面空间电荷区中费米能级为常数，与体内费米能级 相平。 图6-2b MOS电容器结构和能带图（P192）
f
Ei 0 EF
q
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区 小结
7. 反型和强反型条件
si 2 f
s f
8. 强反型后，当偏压继续增加时，导带电子在很薄的强反
型层中迅速增加，屏蔽了外电场。于是空间电荷区的势垒
高度、表面势、固定的受主负电荷以及空间电荷区的宽度
基本上保持不变。
第六章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管
30年代初,Lienfeld和Heil提出表面场效应晶体管原理。 40年代末, Shockley和Pearson进行深入研究。 1960年, Kahng和Alalla应用热氧化硅结构制造出第一只 MOSFET. MOSFET是大规模集成电路中的主流器件。
1. MOS电容:氧化层电容和半导体表面空间电荷区电容串联.
dQM C dVG
2. 绝缘层单位面积电容
dQM 0 k 0 C0 dV0 x0
3. 导体表面空间电荷区单位面积电容
dQS dQM CS d S d S
6.2 理想MOS电容器 小结
4. 归一化电容 5. 耗尽区
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
教学要求
了解理想结构基本假设及其意义。
根据电磁场边界条件导出空间电荷与电场的关系
QM QS k 0 0 0 k S 0 S
掌握载流子积累、耗尽和反型和强反型的概念。 正确画流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况能带图。 导出反型和强反型条件
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
载流子积累、耗尽和反型
载流子耗尽 单位面积总电荷
QS QB qNa xd
2 qN a x d S 2k s 0
（6-5）
（6-6）
2
x
载流子反型
x S 1 x d
（6-7）
载流子类型发生变化或者半导体的导电类型发生变化
Si
0
xI
f
Ei 0 EF
q
x
图6-5 强反型时的能带图
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
反型和强反型条件(小结8)
x dm 2k S 0 si qNa 4 k S 0 f qNa
（6-20） （6-19）
QB qNa xdm
反型层中单位面积下的可动电荷即沟道电荷
VG V0 S
3. 根据电磁场边界条件，空间电荷与电场具有以下关系
QM QS k 0 0 0 k S 0 S
4. 不同栅偏压使半导体表面出现.载流子积累、耗尽和反型 的不同状态。
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区 小结
5. 画能带图的依据 a. 据理想MOS假设，各种偏压下半导体的费米能级不变； b.半导体中性区的费米能级与金属费米能级分开，其差等 栅偏压 VG c.偏压由氧化层和半导体承担 VG V0 S d.真空能级连续，各能级与真空能级平行。 6. 体费米势定义
6.3 沟道电导与阈值电压
一 沟道电导
Z xI g I q n nI x dx L 0
nI x 为沟道中的电子浓度,
（6-51）
x I 为沟道宽度
反型层中单位面积总的电子电荷
沟道电导
xI
0
qnI x dx QI
（6-52）
Z g I n QI L
（6-29） 图6-7 P型半导体MOS的C-V特性
6.2 理想MOS电容器
积累区（ VG 0 P198 ）
MOS系统电容C基本等于绝缘体电容 C 0 。负偏压逐渐
减少，空间电荷区积累空穴数随之减少，且 QS 随 S 变
化也逐渐减慢，C S 变小。总电容 C也就变小。
平带情况（ VG 0 P199） C FB
C 1 C0 1 C0 C S
2 0 12
C 2C 1 qN k VG C0 a S 0
2 0 k 0 1 V 2 G qNa k S x0
2
12
归一化MOS电容 C C 0 随着外加偏压的增加而减小
（6-53）
6.3 沟道电导与阈值电压
二 阈值电压
VTH
（6-51）
定义为形成强反型所需要最小栅电压。 出现强反型 QI QB
VG C0 C0 Si