第5讲 MOS管阈值电压和IV讲解
mos管阈值电压与温度
mos管阈值电压与温度Mos管是一种常见的电子器件，广泛应用于各种电路中。
而mos 管的阈值电压与温度是两个重要的参数，对于mos管的工作性能和稳定性有着重要的影响。
我们来了解一下mos管的基本结构和原理。
mos管是一种双极性晶体管，其由源极、漏极和栅极三个电极组成。
mos管的工作原理是通过控制栅极电压来改变漏极与源极之间的电流。
而mos管的阈值电压则是指在栅极电压达到一定值时，mos管开始导通的电压。
阈值电压是mos管的一个重要参数，它决定了mos管的导通特性和工作状态。
当栅极电压低于阈值电压时，mos管处于截止状态，漏极与源极之间的电流几乎为零；当栅极电压高于阈值电压时，mos管开始导通，漏极与源极之间的电流随栅极电压的增加而增大。
因此，mos管的阈值电压直接影响了mos管的导通能力和工作范围。
然而，mos管的阈值电压并不是一个固定的值，它会受到温度的影响而发生变化。
通常情况下，mos管的阈值电压会随着温度的升高而增加。
这是因为温度升高会导致电子与空穴的热激发增加，进而增加了导电能力。
而mos管的阈值电压是由栅极与基体之间的pn 结的电势差决定的，当温度升高时，pn结的电势差会增大，从而使阈值电压升高。
对于mos管的设计和应用来说，准确地了解并控制阈值电压是非常重要的。
因为阈值电压的变化会直接影响mos管的导通特性和工作范围。
在具体的电路设计中，我们通常会根据实际需求来选择合适的mos管，以保证电路的正常工作。
而在实际应用中，我们还需要考虑温度对mos管的影响，特别是在高温环境下，需要注意阈值电压的变化，以确保mos管的稳定性和可靠性。
为了准确地了解mos管的阈值电压与温度之间的关系，我们可以通过实验或仿真来获取数据。
通过收集不同温度下的阈值电压数据，我们可以绘制出阈值电压与温度之间的关系曲线。
根据这个曲线，我们可以得到在不同温度下mos管的阈值电压值，从而更好地进行电路设计和应用。
mos管的阈值电压与温度是两个重要的参数，它们对mos管的工作性能和稳定性有着重要的影响。
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MOS管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）是一种常见的功率电子器件，常用于开关电源、逆变器、驱动器等应用中。
在这篇文章中，我将详细讲解MOS管的参数以及驱动电阻的选择。
首先，我们来了解一下MOS管的主要参数：1. 额定电压（Vds）：额定电压是指MOS管能够承受的最大输入电压。
超过额定电压可能会损坏MOS管。
2.最大电流（Id）：最大电流是指MOS管能够承受的最大输入电流。
超过最大电流可能会导致MOS管过热而损坏。
3. 漏源极电阻（Rds）：漏源极电阻是指MOS管导通状态下的电阻值，也称为导通电阻。
导通电阻越小，MOS管的导通能力越强。
4. 阈值电压（Vth）：阈值电压是指MOS管进入导通状态所需要的控制电压。
控制电压低于阈值电压时，MOS管处于截止状态。
5. 输入电容（Ciss）：输入电容是指MOS管的栅极和源极之间的电容。
输入电容越大，需要的输入电流和电压就越大。
6. 输出电容（Coss）：输出电容是指MOS管的漏极和源极之间的电容。
输出电容越大，驱动MOS管的电路需要更多的电流和电压。
驱动MOS管的关键是正确选择驱动电阻。
驱动电阻的选择需要考虑以下几个因素：1.驱动电流：驱动电流是指驱动电路向MOS管的栅极提供的电流。
驱动电流越大，MOS管的开关速度越快。
通常来说，驱动电流应该选取MOS管栅极驱动电流的两倍。
2.上升时间和下降时间：驱动电阻的选择会直接影响MOS管的上升时间和下降时间。
上升时间和下降时间越短，MOS管的开关速度就越快。
通常来说，驱动电阻的值应该足够小以提高驱动电流。
3.总功耗：驱动电阻的选择也会影响驱动电路的总功耗。
过大的驱动电阻会导致更大的功耗，并可能使驱动器过热。
综上所述，在选择驱动电阻时，我们需要权衡驱动电流、上升/下降时间和总功耗等因素。
合理选择驱动电阻的值可以提高MOS管的开关速度，减小功耗，并保证MOS管的工作可靠性。
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管的一些重要参数
MOS管（金属氧化物半导体场效应管）是一种常见的半导体器件，它具有许多重要参数。
以下是其中一些重要参数：
1. 阈值电压（Vth）：阈值电压是指在MOS管中形成导电通道所需的门极电压。
当门极电压高于阈值电压时，MOS管将处于导通状态。
2. 饱和漏源电流（Idsat）：饱和漏源电流是指当MOS管工作在饱和区时，漏极和源极之间的电流。
这个参数决定了MOS管在饱和状态下的输出能力。
3. 前向跨导（gm）：前向跨导是指MOS管输出电流与输入信号电压之间的变化率。
它表示了MOS管对输入信号的放大能力。
4. 输出电容（Cout）：输出电容是指MOS管输出端的电容。
它对于高频应用非常重要，因为它决定了MOS管的截止频率和带宽。
5. 最大漏极电流（Idmax）：最大漏极电流是指MOS管可以承受的最大电流。
超过这个限制可能导致器件破坏。
6. 负温度系数（TC）：负温度系数表示MOS管阈值电压随温度变化的程度。
这个参数对于高温环境下的应用非常重要，因为它决定了器件在不同温度下的性能稳定性。
这些是MOS管中一些重要的参数，不同类型的MOS管可能还有其他特定的参数。
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。
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?
n
?QI?(
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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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
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
线性区
B
漏
C
Xd
N+
D
-Q´b（栅氧化层下方电荷） -VSB
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 ln q
NA ni
使表面势为-Vfp（正数）需要施加的栅源电 压即阈值电压。
dV dy
接上页
ID dy W n QI ( y) dV
ID dy W n Cox VGS V ( y) VTHN dV
定义跨导参数
KPn n Cox
ID
L
0 dy W KPn
VDS 0
VGS
V ( y) VTHN
dV ( y)
积分后得到线性区方程
线性区方程
如果该小块沟 道中电子总数 为N，则单位面 积电荷为
dy
QI
(
y
)
W
N dy
q
单位面积电荷可由单位面积电容和电压得出
Y点附近单位面积栅氧化层、沟道和耗尽层中中的电 荷为的电荷。
VGS V(y)
0
多晶
SiO2 沟道中的电子
耗尽层 衬底
电荷
Qch ( y) CO X VGS V ( y) QI ( y) CO X VGS V ( y) VTHN
VGS=3V VGS=2V VGS=1V
VGS>VTHN
-+
S
G
N+ 耗尽层 P衬底
+ VDS
ID
D
Xdl
N+
耗尽层
引入沟道长度调制系数的修正
沟道夹断后，ID随VDS增加的原因是有效沟道长 度减小。
定义沟道长度调制系数
1 dX dl
Lelec dVDS
ID
KPn 2
W L
(VGS
VTHN )2
+ VDS
ID
D
Xdl
N+
耗尽层
饱和区方程
线性方程中，ID有最大值，当VDS=VGS-VTHN 时，ID最大.
ID
KPn 2
W L
(VGS
VTHN )2
n
2
(VGS
VTHN )2
这个公式是最简单的饱和区公式，按此公式饱 和区曲线是水平的。
为什么饱和后ID仍随VDS增加？
线性区
饱和区
VGS=5V VGS=4V
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
kT q
ln
NA ni
考虑体电位的阈值电压公式
完整公式如下
VTHN VTHN 0 2Vfp VSB 2Vfp
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
Qb CO X VTHN
Cox 单位面积氧化层电容
漏极电流计算
V=0
V=VDS
y=0
y=L
L
W
h(y)
dy
输运方程（晶体管原理）
Jn qnnE qDnn
Jn 是电流密度，E是电场，Dn是扩散系
数，µn是电子迁移率，n是电子浓度，q
是电子的电荷量。 n 是浓度梯度。
从漏极电流密度Jn开始计算
ID
KPn
W L
[(VGS
VTHN )VDS
VD2S 2
]
处于线性区的条件 VGS VDS VTHN
线性区方程的另一种表示法
为便于记忆， 定义
n
KPn
W L
于是，线性 区方程可以 写为
ID
n (VGS
VTHN )VDS
VD2S 2
处于饱和区的NMOS管
VGS>VTHN
-+
S
G
N+ 耗尽层 P衬底
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。
VGS=VTHN 源
栅 A
+Q´b（正电荷与栅氧 化层下方电荷相等）
N+ P衬底
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。
Id nd ng
VGS
gnd
VBS
VDS
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
推导阈值电压需考虑的各种因素