《MOS场效应晶体管》课件

微电子元器件与项目训练授课教师：余菲1精选课件ppt第4章MOS场效应晶体管教师：余菲

电子邮件：yufei198275@

电话：135102692572精选课件ppt讨论主题：1.MOSFET的结构类型2.MOSFET工作原理3.MOSFET的直流与开关频率特性4.MOSFET的应用3精选课件pptmail：yufei198275@1.MOSFET的结构类型英文MOS：metaloxidesemiconductor复习：JFET：junctionfieldeffecttransistor4精选课件pptmail：yufei198275@P-衬底LWSiO2AlSGDN沟道MOS场效应管结构图N+N+BS:sourceG:gateD:drainB:body5精选课件pptmail：yufei198275@分类:N型P型耗尽型增强型GDBSGDBSGDBSGDBS6精选课件pptmail：yufei198275@增强型：常断耗尽型：常通问题：JFET？其它的表示符号?通常是耗尽型的7精选课件pptmail：yufei198275@2.MOSFET工作原理P-衬底SGDN+N++—n_channel—+BDepletionlayer必须加栅压使表面反型，形成沟道8精选课件pptmail：yufei198275@MIS结构反型的原理：SDB

+—

+—GN+N+P_BODYIDSE9精选课件pptmail：yufei198275@MOS的阈值电压:VT：是金属栅下面呈现强反型，从而出现导电沟道时所需要的栅源电压10精选课件pptmail：yufei198275@фms是金属和半导体的接触电势差与金属类型有关（Au,Al,掺杂多晶硅）与半导体掺杂类型和浓度有关Qox、Cox分别为氧化层中的电荷量和氧化层电容NA、xdmax分别为P衬底的掺杂浓度和耗尽区宽度11精选课件pptmail：yufei198275@氧化层电容的影响:电容增加,控制力加强浓度的影响真正设计电路时候的办法12精选课件pptmail：yufei198275@MOS导通状态:P衬底

SGDVGS>V晶体管出现反型层，导通反型层耗尽层N+N+13精选课件pptmail：yufei198275@MOS临界饱和状态:P衬底

SGDVGS>VT，VDS=VDSat沟道夹断，晶体管进入饱和反型层耗尽层N+N+14精选课件pptmail：yufei198275@MOS深度饱和状态:P衬底

SGDVGS>VT，VDS>VDSat沟道夹断点向源极移动反型层耗尽层N+N+15精选课件pptmail：yufei198275@1.导通条件：VGS>VT2.饱和条件：VGS>VT，VDS>VGS-VT(VT<VGS<VDS+VT)3.非饱和条件：VDS<VGS-VT16精选课件pptmail：yufei198275@

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。17精选课件pptmail：yufei198275@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。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。18精选课件pptmail：yufei198275@

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。

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）3.MOSFET的直流与开关特性19精选课件pptmail：yufei198275@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。

20精选课件pptmail：yufei198275@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/饱和区/击穿区

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。21精选课件pptmail：yufei198275@可调电阻区的范围为VDS<VGS-VT，即保证漏端沟道存在的条件。图（a）表示N沟道增强管VT＝2V，VGS=6V，VDS=0时的沟道情况。此时沟道中各点电位相同，因此沟道厚度各处相同，IDS＝0。图（b）表示当VT＝2V，VGS=6V，VDS=2V时的沟道情况。这时漏端沟道厚度比源端薄，由于相差不大，仍可近似看成均匀。22精选课件pptmail：yufei198275@23精选课件pptmail：yufei198275@当VDS继续增加时，例如从2V变到4V时，漏端沟道越来越薄，电阻越来越大，IDS随VDS上升减慢，IDS~VDS的直线关系变弯曲。当VDS＝4V时，漏端处VGS-VDS=VT。这时漏端的沟道进入夹断的临界状态，处于可调电阻工作区与下面要讨论的饱和工作区的边界。IDS将成为漏－源饱和电流IDSS。下图给出了不同VGS时的IDS~VDS关系，即输出特性曲线，其中区域Ⅰ为可调电阻工作区。24精选课件pptmail：yufei198275@25精选课件pptmail：yufei198275@饱和工作区

当VDS继续增大，使VDS>VGS-VT时，沟道夹断点从漏端向左面源端移动。这样，沟道的长度略有缩短，夹断点的电压仍为VGS-VT，增加的电压VDS-(VGS-VT)都降落在夹断区，如图8-11中的AB段所示。显然，夹断区是耗尽区。由于沟道的长度总的来说变化不大，所以漏－源电流基本上达到饱和值IDSS。若VDS再增大，只是使夹断区增大。增加的电压均降落在耗尽区，漏－源电流仍基本上维持IDSS值，因此这个区域称为饱和工作区，如图8-10中区域Ⅱ所示。

26精选课件pptmail：yufei198275@27精选课件pptmail：yufei198275@沟道长度调变效应

两个N+区（源-漏）之间形成沟道长度L满足大大于夹断区AB段长度(长沟道)，其饱和漏－源电流基本上不变。图8-10中水平直线。但当沟道长度L不满足大大于夹断区AB段长度(短沟道)时，夹断区对沟道长度缩短的影响不能忽略，从而对电流的影响也不可以忽略，可见饱和工作区中，IDS会随VDS增大而增加，这就是所谓的沟道长度调变效应。它与双极型晶体管中的基区宽度调变效应相当。

28精选课件pptmail：yufei198275@雪崩击穿区

当VDS超过漏与衬底间P-N结的击穿电压时，漏和源之间不必通过沟道形成电流，而是由漏极直接经衬底到达源极流过大的电流，IDS迅速增大。这就出现输出特性曲线中的第Ⅲ个区域——雪崩击穿区，如图8-12（a）所示。

29精选课件pptmail：yufei198275@30精选课件pptmail：yufei198275@可以用相似的方法讨论N沟道耗尽型，P沟道增强型，P沟道耗尽型MOSFET的输出特性曲线，它们分别如图8-12（b）~（d）所示。31精选课件pptmail：yufei198275@32精选课件pptmail：yufei198275@MOSFET的转移特性曲线

MOSFET是一种电压控制器件，它是利用加在栅极和源极之间的电压来控制输出电流的，这和双极型晶体管用基极电流控制集电极电流是不同的。当MOS晶体管工作在饱和区时，工作电流为IDSS。不同的VGS会引起不同的IDSS。我们将IDSS与VGS之间的关系曲线称为转移特性曲线。对于N沟增强型MOS管，VT>0，VGS>0，其转移特性曲线如图（a）所示。用相似的方法可以得到N沟耗尽型，P沟增强型，P沟耗尽型MOSFET的转移特性曲线，它们分别表示于图（b）~（d）。

33精选课件pptmail：yufei198275@34精选课件pptmail：yufei198275@35精选课件pptmail：yufei198275@MOS的直流特性公式与分析非饱和区电流公式：饱和电流公式：器件的工作区域36精选课件pptmail：yufei198275@线性工作区的伏安特性

增益因子

当VDS很小时，IDS与VDS成线性关系。VDS稍大时，IDS上升变慢，特性曲线弯曲，如图所示。37精选课件pptmail：yufei198275@饱和工作区的伏安特性

当漏-源电压增加到使漏端的沟道夹断时，IDS将趋于不变。其作用像一个电流源，管子将进入饱和工作区。使管子进入饱和工作区所加的漏-源电压为VDsat，它由下式决定：

将上式代入式（8-3），可得到饱和工作区的漏-源电流（漏-源饱和电流）38精选课件pptmail：yufei198275@39精选课件pptmail：yufei198275@跨导gm

表征在漏－源电压VDS不变的情况下，漏电流IDS随着栅电压VGS变化而变化的程度，反映了外加VGS控制IDS的能力。单位：电导（1/Ω），常用西门子（S）表示。

40精选课件pptmail：yufei198275@跨导标志了MOSFET的电压放大本领，因为电压增益可表示为：由上式可知，相同负载的情况下，跨导越大，电压增益越大。41精选课件pptmail：yufei198275@MOS的跨导：42精选课件pptmail：yufei198275@饱和工作区

线性工作区

跨导与VDS成正比

在不考虑沟道长度调制效应的情况下，跨导与VDS无关。

43精选课件pptmail：yufei198275@问题：如何提高跨导？1.线性区：提高VDS2.饱和区：提高VGS3.器件参数：44精选课件pptmail：yufei198275@VDS

VGS增大VGS=VT0ID特性曲线数据分析：VGS0VTID问题：从图像上看哪里的饱和跨导最小？45精选课件pptmail：yufei198275@MOS频率、开关特性MOS的截止频率：(电压增益为1，双极的截止频率为电流增益下降为1/1.41)提高截止频率：器件参数：L减小沟道长度可以有效提高最高振荡频率46精选课件pptmail：yufei198275@MOSFET最高振荡频率（功率增益为1）对于MOSFET，同双极型晶体管一样，可以引进最高振荡频率来说明管子的优值。N沟道MOSFET

P沟道MOSFET

47精选课件pptmail：yufei198275@tV