八MOS場效應晶體管的基本特性模板

八MOS場效應晶體管的基本特性模板第1頁/共65頁●——本章重點MOSFET的結構、種類和特點

MOSFET的直流特性和閾值電壓調整MOSFET的交流響應第2頁/共65頁雙極型晶體管和場效應晶體管的區(qū)別雙極型晶體管：由一個P-N結注入非平衡少數(shù)載流子，并由另一個P-N結收集而工作的。在這類晶體管中，參加導電的不僅有少數(shù)載流子，也有多數(shù)載流子，故稱為雙極型晶體管。

場效應晶體管（FET）：利用改變垂直于導電溝道的電場強度來控制溝道的導電能力而工作的。在場效應晶體管中，工作電流是由半導體中的多數(shù)載流子所輸運的，因此也稱為單極型晶體管。

第3頁/共65頁場效應晶體管的分類第一類：表面場效應管，通常采取絕緣柵的形式，稱為絕緣柵場效應管（IGFET）。若用二氧化硅作為半導體襯底與金屬柵之間的絕緣層，即構成“金屬－氧化物－半導體”（MOS）場效應晶體管，它是絕緣柵場效應管中最重要的一種；第二類：結型場效應管（JFET），它就是用P-N結勢壘電場來控制導電能力的一種體內場效應晶體管；第三類：薄膜場效應晶體管（TFT），它的結構與原理和絕緣柵場效應晶體管相似，其差別是所用的材料及工藝不同，TFT采用真空蒸發(fā)工藝先后將半導體-絕緣體-金屬蒸發(fā)在絕緣襯底上而構成。

第4頁/共65頁MOSFET相比雙極型晶體管的優(yōu)點（1）輸入阻抗高：雙極型晶體管輸入阻抗約為幾千歐，而場效應晶體管的輸入阻抗可以達到109～1015歐；（2）噪聲系數(shù)?。阂驗镸OSFET是依靠多數(shù)載流子輸運電流的，所以不存在雙極型晶體管中的散粒噪聲和配分噪聲；（3）功耗?。嚎捎糜谥圃旄呒擅芏鹊陌雽w集成電路；（4）溫度穩(wěn)定性好：因為它是多子器件，其電學參數(shù)不易隨溫度而變化。（5）抗輻射能力強：雙極型晶體管受輻射后β下降，這是由于非平衡少子壽命降低，而場效應晶體管的特性與載流子壽命關系不大，因此抗輻射性能較好。

第5頁/共65頁MOSFET相比雙極型晶體管的缺點工藝潔凈要求較高；場效應管的速度比雙極型晶體管的速度來得低。

第6頁/共65頁8.1MOSFET的結構和分類漏－源區(qū)，柵氧化層，金屬柵電極等組成

用N型半導體材料做襯底

用P型半導體材料做襯底

由N型襯底制成的管子，其漏－源區(qū)是P型的，稱為P溝MOS場效應管；由P型材料制成的管子，其漏－源區(qū)是N型的，稱為N溝MOS場效應管。

第7頁/共65頁P溝MOS管的工作原理

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在工作時，源與漏之間接電源電壓。通常源極接地，漏極接負電源。在柵極和源之間加一個負電壓，它將使MOS結構中半導體表面形成負電的表面勢，從而使由于硅－二氧化硅界面正電荷引起的半導體能帶下彎的程度減小。當柵極負電壓加到一定大小時，表面能帶會變成向上彎曲，半導體表面耗盡并逐步變成反型。當柵極電壓達到VT時，半導體表面發(fā)生強反型，這時P型溝道就形成了?？昭茉诼措妷篤DS的作用下，在溝道中輸運。VT稱為場效應管的開啟電壓。顯然，P溝MOS管的VT是負值。由前面的討論可知，形成溝道的條件為

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表面強反型即溝道形成時，在表面處空穴的濃度與體內電子的濃度相等。開啟電壓是表征MOS場效應管性能的一個重要參數(shù)，以后內容中還將做詳細介紹。另外，還可以指出，當柵極電壓變化時，溝道的導電能力會發(fā)生變化，從而引起通過漏和源之間電流的變化，在負載電阻RL上產(chǎn)生電壓變化，這樣就可以實現(xiàn)電壓放大作用。第10頁/共65頁MOSFET的四種類型P溝耗盡型：柵壓為零時，溝道已存在，加上一個正的柵壓可以使P型溝道消失。P溝增強型：柵壓為零時，溝道不存在，加上一個負的柵壓才能形成P型溝道。

N溝增強型：柵壓為零時，溝道不存在，加上一個正的柵壓才能形成N型溝道。

N溝耗盡型：柵壓為零時，溝道已存在，加上一個負的柵壓才能使N型溝道消失。

第11頁/共65頁第12頁/共65頁第13頁/共65頁第14頁/共65頁第15頁/共65頁

如果在同一N型襯底上同時制造P溝MOS管和N溝MOS管，（N溝MOS管制作在P阱內），這就構成CMOS

。第16頁/共65頁第17頁/共65頁練習P12717，18P1421，3，4第18頁/共65頁MOSFET的特征1．雙邊對稱在電學性質上源和漏是可以相互交換的。與雙極型晶體管相比，顯然有很大不同，對于雙極型晶體管，如果交換發(fā)射極與集電極，晶體管的增益將明顯下降。2．單極性在MOS晶體管中參與導電的只是一種類型的載流子，這與雙極型晶體管相比也顯著不同。在雙極型晶體管中，顯然一種類型的載流子在導電中起著主要作用，但與此同時，另一種載流子在導電中也起著重要作用。第19頁/共65頁3．高輸入阻抗由于柵氧化層的影響，在柵和其他端點之間不存在直流通道，因此輸入阻抗非常高，而且主要是電容性的。通常，MOSFET的直流輸入阻抗可以大于1014歐。4．電壓控制MOSFET是一種電壓控制器件。而且是一種輸入功率非常低的器件。一個MOS晶體管可以驅動許多與它相似的MOS晶體管；也就是說，它有較高的扇出能力。5．自隔離由MOS晶體管構成的集成電路可以達到很高的集成密度，因為MOS晶體管之間能自動隔離。一個MOS晶體管的漏，由于背靠背二極管的作用，自然地與其他晶體管的漏或源隔離。這樣就省掉了雙極型工藝中的既深又寬的隔離擴散。第20頁/共65頁8.2MOSFET的特性曲線

對于MOSFET則可引進輸出特性曲線和轉移特性曲線來描述其電流－電壓關系。

輸出特性曲線

通過MOSFET的漏－源電流IDS與加在漏－源極間的電壓VDS之間的關系曲線即為輸出特性曲線。這時加在柵極上的電壓作為參變量。以N溝道增強型MOSFET為例來進行討論。

（共源極接法）第21頁/共65頁源極接地，并作為輸入與輸出的公共端，襯底材料也接地。輸入加在柵極G及源極S之間，輸出端為漏極D與源極S。

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對于N溝道增強型管，VDS為正電壓，VGS也是正電壓。當VGS大于開啟電壓時，N溝道形成，電流通過N溝道流過漏和源之間。定性地可以將它分為三個工作區(qū)來進行討論。

可調電阻區(qū)/線性工作區(qū)/三極管工作區(qū)

當漏－源電壓VDS相對于柵極電壓較小時，在源和漏之間存在一個連續(xù)的N型溝道。此溝道的長度L不變，寬度W也不變。從源端到漏端溝道的厚度稍有變化。這是因為VDS使溝道中各點的電位不同，在近源處（VGS-V溝）比近漏處的大，表面電場較大，溝道較厚。但是，總的來講，溝道的厚度比氧化層厚度小得多。由此可見，此時的溝道區(qū)呈現(xiàn)電阻特性，電流IDS與VDS基本上是線性關系。而且，VGS越大，溝道電阻越小，可調電阻區(qū)的名稱由此而來。第23頁/共65頁

可調電阻區(qū)的范圍為VDS<VGS-VT，即保證漏端溝道存在的條件。圖8-9（a）表示N溝道增強管VT＝2V，VGS=6V，VDS=0時的溝道情況。此時溝道中各點電位相同，因此溝道厚度各處相同，IDS＝0。圖（b）表示當VT＝2V，VGS=6V，VDS=2V時的溝道情況。這時漏端溝道厚度比源端薄，由于相差不大，仍可近似看成均勻。第24頁/共65頁第25頁/共65頁

當VDS繼續(xù)增加時，例如從2V變到4V時，漏端溝道越來越薄，電阻越來越大，IDS隨VDS上升減慢，IDS~VDS的直線關系變彎曲。當VDS＝4V時，漏端處VGS-VDS=VT。這時漏端的溝道進入夾斷的臨界狀態(tài)，處于可調電阻工作區(qū)與下面要討論的飽和工作區(qū)的邊界。IDS將成為漏－源飽和電流IDSS。圖8-10給出了不同VGS時的IDS~VDS關系，即輸出特性曲線，其中區(qū)域Ⅰ為可調電阻工作區(qū)。第26頁/共65頁第27頁/共65頁飽和工作區(qū)

當VDS繼續(xù)增大，使VDS>VGS-VT時，溝道夾斷點從漏端向左面源端移動。這樣，溝道的長度略有縮短，夾斷點的電壓仍為VGS-VT，增加的電壓VDS-(VGS-VT)都降落在夾斷區(qū)，如圖8-11中的AB段所示。顯然，夾斷區(qū)是耗盡區(qū)。由于溝道的長度總的來說變化不大，所以漏－源電流基本上達到飽和值IDSS。若VDS再增大，只是使夾斷區(qū)增大。增加的電壓均降落在耗盡區(qū)，漏－源電流仍基本上維持IDSS值，因此這個區(qū)域稱為飽和工作區(qū)，如圖8-10中區(qū)域Ⅱ所示。

第28頁/共65頁第29頁/共65頁溝道長度調變效應

兩個N+區(qū)（源-漏）之間形成溝道長度L滿足大大于夾斷區(qū)AB段長度(長溝道)，其飽和漏－源電流基本上不變。圖8-10中水平直線。但當溝道長度L不滿足大大于夾斷區(qū)AB段長度(短溝道)時，夾斷區(qū)對溝道長度縮短的影響不能忽略，從而對電流的影響也不可以忽略，可見飽和工作區(qū)中，IDS會隨VDS增大而增加，這就是所謂的溝道長度調變效應。它與雙極型晶體管中的基區(qū)寬度調變效應相當。

第30頁/共65頁雪崩擊穿區(qū)

當VDS超過漏與襯底間P-N結的擊穿電壓時，漏和源之間不必通過溝道形成電流，而是由漏極直接經(jīng)襯底到達源極流過大的電流，IDS迅速增大。這就出現(xiàn)輸出特性曲線中的第Ⅲ個區(qū)域——雪崩擊穿區(qū)，如圖8-12（a）所示。

第31頁/共65頁第32頁/共65頁

可以用相似的方法討論N溝道耗盡型，P溝道增強型，P溝道耗盡型MOSFET的輸出特性曲線，它們分別如圖8-12（b）~（d）所示。第33頁/共65頁第34頁/共65頁MOSFET的轉移特性曲線

MOSFET是一種電壓控制器件，它是利用加在柵極和源極之間的電壓來控制輸出電流的，這和雙極型晶體管用基極電流控制集電極電流是不同的。當MOS晶體管工作在飽和區(qū)時，工作電流為IDSS。不同的VGS會引起不同的IDSS。我們將IDSS與VGS之間的關系曲線稱為轉移特性曲線。對于N溝增強型MOS管，VT>0，VGS>0，其轉移特性曲線如圖8-13（a）所示。用相似的方法可以得到N溝耗盡型，P溝增強型，P溝耗盡型MOSFET的轉移特性曲線，它們分別表示于圖8-13（b）~（d）。

第35頁/共65頁第36頁/共65頁第37頁/共65頁8.3MOSFET的閾值電壓N溝道增強型MOSFET的開啟電壓VT

對于增強型管，VT>0

式（8-1）第38頁/共65頁N溝道耗盡型MOSFET的夾斷電壓Vp

（8-1）也適合于N溝耗盡型管

這時VT顯然小于零。這說明在柵極電壓為零即未加電壓時，表面溝道已經(jīng)存在。因此，這時的開啟電壓實際上就是夾斷電壓，通常用Vp表示。對于N溝耗盡型MOSFET，Vp<0，即當柵極電壓VGS＝-|Vp|時即能開啟。柵極電壓再負得多些時，溝道截止。第39頁/共65頁P溝道增強型MOSFET的開啟電壓VT

顯然，P溝道增強型MOSFET的VT<0。式（8-2）第40頁/共65頁P溝道耗盡型MOSFET的夾斷電壓Vp

這種管的閾值電壓公式仍由上式（8-2）確定，不過要求VT>0。也就是說，在柵極電壓為零時，P型溝道早已形成。這時的開啟電壓實質上就是夾斷電壓Vp。當柵極加的正電壓大于Vp時，溝道全部截止。

公式（8-1）、（8-2）只適用于長溝道MOSFET。當溝道長度較短時，必須考慮短溝道效應，管子的閾值電壓VT會隨溝道長度L的減小而減小。這個問題將在以后討論。

說明第41頁/共65頁8.4MOSFET的伏安特性

為了方便起見，先作以下幾個假定：（1）漏區(qū)和源區(qū)的電壓降可以忽略不計；（2）在溝道區(qū)不存在復合－產(chǎn)生電流；（3）沿溝道的擴散電流比由電場產(chǎn)生的漂移電流小得多；（4）在溝道內載流子的遷移率為常數(shù)；（5）溝道與襯底間的反向飽和電流為零；（6）緩變溝道近似成立，即跨過氧化層的垂直于溝道方向的電場分量與溝道中沿載流子運動方向的電場分量無關。第42頁/共65頁線性工作區(qū)的伏安特性

以N溝道增強型為例：設溝道長度為L，寬度為W，厚度為d，厚度從源到漏略有變化。則線性工作區(qū)的直流特性方程可表示為

增益因子

當VDS很小時，IDS與VDS成線性關系。VDS稍大時，IDS上升變慢，特性曲線彎曲，如圖所示。式（8-3）第43頁/共65頁第44頁/共65頁飽和工作區(qū)的伏安特性

當漏-源電壓增加到使漏端的溝道夾斷時，IDS將趨于不變。其作用像一個電流源，管子將進入飽和工作區(qū)。使管子進入飽和工作區(qū)所加的漏-源電壓為VDsat，它由下式?jīng)Q定：

將上式代入式（8-3），可得到飽和工作區(qū)的漏-源電流（漏-源飽和電流）第45頁/共65頁

嚴格來講，飽和工作區(qū)的電流不是一成不變的。因為這時實際的有效溝道長度減小了。當VDS增大時，由于溝道長度減小，IDSS將隨之增加。

漏－源飽和電流隨溝道長度的減小而增大的效應稱為溝道長度調變效應。這個效應會使MOS管的輸出特性明顯發(fā)生傾斜，導致它的輸出阻抗降低。溝道長度調變效應第46頁/共65頁擊穿區(qū)

當漏－源電壓VDS繼續(xù)增大時，會出現(xiàn)漏－源電流突然增大的情況，這時器件進入擊穿區(qū)。漏－源擊穿電壓BVDS可由兩種不同的擊穿機理決定：漏區(qū)與襯底之間P-N結的雪崩擊穿；漏和源之間的穿通。

漏結雪崩擊穿

漏－源穿通

在正常工作時，漏結處于反向偏置狀態(tài)，當反偏電壓達到其雪崩擊穿電壓時會產(chǎn)生擊穿，且擊穿電壓隨VGS的增大而增大。

漏極電壓VDS增大時，漏結耗盡區(qū)增大，使溝道有效長度縮短。當溝道表面漏結耗盡區(qū)的寬度LS擴展到等于溝道長度L時，漏結耗盡區(qū)增大到源極，就發(fā)生漏－源之間的直接穿通。

第47頁/共65頁第48頁/共65頁第49頁/共65頁8.5MOSFET的頻率特性

如果將MOSFET的襯底和源短接，通過合理的簡化，可以得到如圖簡化的MOS晶體管等效電路圖。

第50頁/共65頁跨導gm

表征在漏－源電壓VDS不變的情況下，漏電流IDS隨著柵電壓VGS變化而變化的程度，反映了外加VGS控制IDS的能力。單位：電導（1/Ω），常用西門子（S）表示。

第51頁/共65頁跨導標志了MOSFET的電壓放大本領，因為電壓增益可表示為：由上式可知，相同負載的情況下，跨導越大，電壓增益越大。第52頁/共65頁飽和工作區(qū)

線性工作區(qū)

跨導與VDS成正比

在不考慮溝道長度調制效應的情況下，跨導與VDS無關。

第53頁/共65頁提高跨導的方法

（1）通過改進管子的結構來提高增益因子：增大溝道的寬長比；減薄氧化層厚度從而增大單位面積二氧化硅的電容；減小溝道載流子的濃度以提高溝道內載流子的遷移率。（2）當晶體管工作在飽和區(qū)時，還可以通過適當增加VGS來提高跨導。

第54頁/共65頁MOSFET最高振蕩頻率

對于MOSFET，同雙極型晶體管一樣，可以引進最高振蕩頻率來說明管子的優(yōu)值。N溝道MOSFET

P溝道MOSFET

減小溝道長度可以有效提高最高振蕩頻率第55頁/共65頁8.6MOSFET的開關特性

在MOS數(shù)字集成電路中，MOSFET主要工作在兩個狀態(tài)，即導通態(tài)和截止態(tài)。MOS數(shù)字集成電路的特性就由MOS管在這兩個狀態(tài)的特性以及這兩個狀態(tài)相互轉換的特性所決定，這就是所謂的晶體管的開關特性。

倒相器也稱為反相器，由反相管（倒相管）和負載兩部分組成。通常用N溝增強管作反相管，負載可由不同的形式。負載通常分有源器件和無源器件兩種。無源負載即電阻負載，組成電阻負載反相器（E/R反相器）；有源負載又可分為多種不同的MOSFET，常見有E/E反相器（用N溝增強管作負載）、CMOS反相器（用P溝增強管作負載）和E/D反相器（用N溝耗盡管作負載）等。第56頁/共65頁CMOS倒相器

倒相管為N溝道增強管，其開啟電壓大于零。兩個管子的源與各自的襯底短接后倒相管共接地，負載管共接正向VDD。兩個柵極相并聯(lián)作為輸入端。兩個漏極連在一起作為輸出端。

兩個襯底之間因反偏而自動隔離。

第57頁/共65頁第58頁/共65頁

當輸入脈沖為零時，倒相器處于截止態(tài)。這時VGS=0，倒相管處于截止狀態(tài)。由于負載管是P溝道增強型管，VDD為正，相當于在負載管的柵源之間加一個負的電壓，使負載管開啟，處于導通狀態(tài)。當輸入正脈沖時，倒相器處于導通狀態(tài)。假定輸入正脈沖電壓VGS≈VDD，這時倒相管的柵極電壓遠大于源極零電位。倒相器可處于充分導通的狀態(tài)。負載管的柵極電位VDD與源極電位VDD相同，故處于截止狀態(tài)。

特點：CMOS倒相器在導通和截止兩種狀態(tài)時，始終只有一個管子導通，只有很小的漏電流通過，所以CMOS倒相器的功耗很小，且開關時間短。

反相原理第59頁/共65頁MOSFET的開關特性類似于雙極型晶體管的開關特性（略）

第60頁/共65頁8.7閾值電壓VT的控制和調整

在MOS集成電路的制造中，控制好閾值電壓VT的值是很重要的。例如，要制造N溝道增強型MOS管，它的VT應為正值，并要求達到一定的值。

由于Qss及ΦMS的影響，如果控制不當，VT可能出現(xiàn)負值，變成耗盡型