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1、 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第 8 章MOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 8.1 MOSFET8.1 MOSFET的结构和分类的结构和分类的结构和分类的结构和分类8.2 MOSFET8.2 MOSFET的特性曲线的特性曲线的特性曲线的特性曲线8.3 MOSFET8.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压的阈值电压的阈值电压8.4
2、MOSFET8.4 MOSFET的伏安特性的伏安特性的伏安特性的伏安特性8.5 MOSFET8.5 MOSFET的频率特性的频率特性的频率特性的频率特性8.6 MOSFET8.6 MOSFET的开关特性的开关特性的开关特性的开关特性8.7 8.7 阈值电压的控制和调整阈值电压的控制和调整阈值电压的控制和调整阈值电压的控制和调整8.8 8.8 习题习题习题习题 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信
3、息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理 本章重点本章重点本章重点本章重点 MOSFET的结构、种类和特点的结构、种类和特点 MOSFET的直流特性和阈值电压调整的直流特性和阈值电压调整 MOSFET的交流响应的交流响应 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理双极型晶体管和场效应晶体管的区别双极型晶体管和场效应晶体管的区别双极型晶体管和场效应晶体管的区别
4、双极型晶体管和场效应晶体管的区别双极型晶体管双极型晶体管：由一个：由一个P-N结注入非平衡少数载流子，结注入非平衡少数载流子，并由另一个并由另一个P-N结收集而工作的。在这类晶体管中，结收集而工作的。在这类晶体管中，参加导电的不仅有少数载流子，也有多数载流子，参加导电的不仅有少数载流子，也有多数载流子，故称为双极型晶体管。故称为双极型晶体管。场效应晶体管（场效应晶体管（FET）：）：利用改变垂直于导电沟道利用改变垂直于导电沟道的电场强度来控制沟道的导电能力而工作的。在场的电场强度来控制沟道的导电能力而工作的。在场效应晶体管中，工作电流是由半导体中的多数载流效应晶体管中，工作电流是由半导体中的多
5、数载流子所输运的，因此也称为子所输运的，因此也称为单极型晶体管单极型晶体管。上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理场效应晶体管的分类场效应晶体管的分类场效应晶体管的分类场效应晶体管的分类第一类第一类：表面场效应管，通常采取绝缘栅的形式，称为：表面场效应管，通常采取绝缘栅的形式，称为绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管（IGFET）。若用二氧化硅作为半导体）。若用二
6、氧化硅作为半导体衬底与金属栅之间的绝缘层，即构成衬底与金属栅之间的绝缘层，即构成“金属氧化物金属氧化物半导体半导体”（MOS）场效应晶体管，它是绝缘栅场效应）场效应晶体管，它是绝缘栅场效应管中最重要的一种管中最重要的一种；第二类第二类：结型场效应管（：结型场效应管（JFET），它就是用），它就是用P-N结势垒结势垒电场来控制导电能力的一种体内场效应晶体管；电场来控制导电能力的一种体内场效应晶体管；第三类第三类：薄膜场效应晶体管（：薄膜场效应晶体管（TFT），它的结构与原理），它的结构与原理和绝缘栅场效应晶体管相似，其差别是所用的材料及工和绝缘栅场效应晶体管相似，其差别是所用的材料及工艺不同，艺
7、不同，TFT采用真空蒸发工艺先后将半导体采用真空蒸发工艺先后将半导体-绝缘体绝缘体-金属蒸发在绝缘衬底上而构成。金属蒸发在绝缘衬底上而构成。上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理MOSFETMOSFET相比双极型晶体管的优点相比双极型晶体管的优点相比双极型晶体管的优点相比双极型晶体管的优点（1）输入阻抗高：双极型晶体管输入阻抗约为几千欧，而）输入阻抗高：双
8、极型晶体管输入阻抗约为几千欧，而场效应晶体管的输入阻抗可以达到场效应晶体管的输入阻抗可以达到1091015欧；欧；（2）噪声系数小：因为）噪声系数小：因为MOSFET是依靠多数载流子输运电是依靠多数载流子输运电流的，所以不存在双极型晶体管中的散粒噪声和配分噪声；流的，所以不存在双极型晶体管中的散粒噪声和配分噪声；（3）功耗小：可用于制造高集成密度的半导体集成电路；）功耗小：可用于制造高集成密度的半导体集成电路；（4）温度稳定性好：因为它是多子器件，其电学参数不易）温度稳定性好：因为它是多子器件，其电学参数不易随温度而变化。随温度而变化。（5）抗辐射能力强：双极型晶体管受辐射后）抗辐射能力强：双
9、极型晶体管受辐射后下降，这是下降，这是由于非平衡少子寿命降低，而场效应晶体管的特性与载流子寿由于非平衡少子寿命降低，而场效应晶体管的特性与载流子寿命关系不大，因此抗辐射性能较好。命关系不大，因此抗辐射性能较好。上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理MOSFETMOSFET相比双极型晶体管的缺点相比双极型晶体管的缺点相比双极型晶体管的缺点相比双极型晶体管的缺
10、点工艺洁净要求较高；工艺洁净要求较高；场效应管的速度比双极型晶体管的速度来得低。场效应管的速度比双极型晶体管的速度来得低。上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理8.1 MOSFET的结构和分类的结构和分类漏源区，栅氧化层，金属栅电极等组成漏源区，栅氧化层，金属栅电极等组成 用用N型半导体材料做衬底型半导体材料做衬底 用用P型半导体材料做衬底型半导体材料做衬
11、底 由由N型衬底制成的管子，其漏源区是型衬底制成的管子，其漏源区是P型的，型的，称为称为P沟沟MOS场效应管场效应管；由由P型材料制成的管子，其漏源区是型材料制成的管子，其漏源区是N型的，型的，称为称为N沟沟MOS场效应管场效应管。上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理P沟沟MOS管的工作原理管的工作原理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半
12、导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理 在工作时，在工作时，源与漏之间接电源电压源与漏之间接电源电压。通常源极接地，漏极接。通常源极接地，漏极接负电源。在负电源。在栅极和源之间加一个负电压栅极和源之间加一个负电压，它将使，它将使MOS结构中半导结构中半导体表面形成负电的表面势，从而使由于硅二氧化硅界面正电荷体表面形成负电的表面势，从而使由于硅二氧化硅界面正电荷引起的半导体能带下弯的程度减小。当栅极负电压加
13、到一定大小引起的半导体能带下弯的程度减小。当栅极负电压加到一定大小时，表面能带会变成向上弯曲，半导体表面耗尽并逐步变成反型。时，表面能带会变成向上弯曲，半导体表面耗尽并逐步变成反型。当栅极电压达到当栅极电压达到VT时，半导体表面发生强反型，这时时，半导体表面发生强反型，这时P型沟道就型沟道就形成了。空穴能在漏源电压形成了。空穴能在漏源电压VDS的作用下，在沟道中输运。的作用下，在沟道中输运。VT称为场效应管的开启电压。显然，称为场效应管的开启电压。显然，P沟沟MOS管的管的VT是负值。由前是负值。由前面的讨论可知，形成沟道的条件为面的讨论可知，形成沟道的条件为 上海电子信息职业技术学院上海电子
14、信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理 表面强反型即沟道形成时，在表面处空穴表面强反型即沟道形成时，在表面处空穴的浓度与体内电子的浓度相等。开启电压是表的浓度与体内电子的浓度相等。开启电压是表征征MOS场效应管性能的一个重要参数，以后内场效应管性能的一个重要参数，以后内容中还将做详细介绍。容中还将做详细介绍。另外，还可以指出，当栅极电压变化时，另外，还可以指出，当栅极电压变化时，沟道的导
15、电能力会发生变化，从而引起通过漏沟道的导电能力会发生变化，从而引起通过漏和源之间电流的变化，在负载电阻和源之间电流的变化，在负载电阻RL上产生电上产生电压变化，这样就可以实现电压放大作用。压变化，这样就可以实现电压放大作用。上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理 MOSFET的四种类型的四种类型P P沟耗尽型沟耗尽型沟耗尽型沟耗尽型：栅压为零时，沟道已存在
16、，加上一个：栅压为零时，沟道已存在，加上一个：栅压为零时，沟道已存在，加上一个：栅压为零时，沟道已存在，加上一个正的栅压可以使正的栅压可以使正的栅压可以使正的栅压可以使P P型沟道消失。型沟道消失。型沟道消失。型沟道消失。P沟增强型沟增强型：栅压为零时，沟道不存在，加上一个：栅压为零时，沟道不存在，加上一个负的栅压才能形成负的栅压才能形成P型沟道。型沟道。N沟增强型沟增强型：栅压为零时，沟道不存在，加上一个：栅压为零时，沟道不存在，加上一个正的栅压才能形成正的栅压才能形成N型沟道。型沟道。N沟耗尽型沟耗尽型：栅压为零时，沟道已存在，加上一个：栅压为零时，沟道已存在，加上一个负的栅压才能使负的栅
17、压才能使N型沟道消失。型沟道消失。上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理 上
18、海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职
19、业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理 如果在同一如果在同一N型衬底上同时制造型衬底上同时制造P沟沟MOS管和管和N沟沟MOS管，管，（N沟沟MOS管制作在管制作在P阱内），这就构成阱内），这就构成CMOS 。上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应
20、晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理练习练习P127 17，18P142 1，3，4 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基
21、本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理 MOSFET的特征的特征1双边对称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。发射极与集电极，晶体管的增益将明显下降。2单极性单极性在在MOS晶体管中参与导电的只是一种类型的载流子，这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，显与双极型晶体管相
22、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，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。另一种载流子在导电中也起着重要作用。上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理3高输入阻抗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，因由于栅氧化层的影响，在栅和其他端
23、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，此输入阻抗非常高，而且主要是电容性的。通常，MOSFET的直的直流输入阻抗可以大于流输入阻抗可以大于1014欧。欧。4电压控制电压控制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。一个件。一个MOS晶体管可以驱动许多与它相似的晶体管可以驱动许多与它相似的MOS晶体管；也晶体管；也就是说，它有较高的扇出能力。就是说，它有较高的扇出能力。5自隔离自隔离由由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
24、管之间能自动隔离。一个晶体管之间能自动隔离。一个MOS晶体管的漏，由于背靠晶体管的漏，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。掉了双极型工艺中的既深又宽的隔离扩散。上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理8.2 MOSFET的特性曲线的特性曲
25、线 对于对于MOSFET则可引进则可引进输出特性曲线输出特性曲线和和转移特转移特性曲线性曲线来描述其电流电压关系。来描述其电流电压关系。输出特性曲线输出特性曲线 通过通过MOSFET的的漏源电流漏源电流IDS与加在与加在漏源极间漏源极间的电压的电压VDS之间的关系曲线即为输出特性曲线。之间的关系曲线即为输出特性曲线。这时这时加在栅极上的电压作为参变量加在栅极上的电压作为参变量。以以N沟道增强型沟道增强型MOSFET为例来进行讨论。为例来进行讨论。（共源极接法（共源极接法）上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体
26、管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理源极接地，并作源极接地，并作为输入与输出的为输入与输出的公共端，衬底材公共端，衬底材料也接地。料也接地。输入加在栅极输入加在栅极G及源极及源极S之间，之间，输出端为漏极输出端为漏极D与源极与源极S。上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技
27、术学院半导体器件物理半导体器件物理 对于对于N沟道增强型管，沟道增强型管，VDS为正电压，为正电压，VGS也是正电压。当也是正电压。当VGS大于开启电压时，大于开启电压时，N沟道形成，电流通过沟道形成，电流通过N沟道流过漏和源之间。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。定性地可以将它分为三个工作区来进行讨论。可调电阻区可调电阻区/线性工作区线性工作区/三极管工作区三极管工作区 当漏源电压当漏源电压VDS相对于栅极电压较小时，在源和漏之间存在相对于栅极电压较小时，在源和漏之间存在一个连续的一个连续的N型沟道。此沟道的长度型沟道。此沟道的长度L不变，宽度不变，宽度W也不变。从
28、也不变。从源端到漏端沟道的厚度稍有变化。这是因为源端到漏端沟道的厚度稍有变化。这是因为VDS使沟道中各点的使沟道中各点的电位不同，在近源处（电位不同，在近源处（VGS-V沟沟）比近漏处的大，表面电场较大，）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。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，电流由此可见，此时的沟道区呈现电阻特性，电流IDS与与VDS基本上是基本上是线性关系。而且，线性关系。而且，VGS越大，沟道电阻越小，可调电阻区的名称越大，沟道电阻越小，可调电阻区的名称由此而来。由此而来。上海电子信息
29、职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理 可调电阻区的范围为可调电阻区的范围为VDSVGS-VT时，沟道夹断时，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，夹断点的电压仍为缩短，夹断点的电压仍为VGS-VT，增加的电压，增加的电压VDS-(VGS-VT)都降落在夹断区，如图都降落在夹断区，如图8-11中的中的AB
30、段所示。段所示。显然，夹断区是耗尽区。由于沟道的长度总的来说显然，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变化不大，所以漏源电流基本上达到饱和值IDSS。若若VDS再增大，只是使夹断区增大。增加的电压再增大，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均降落在耗尽区，漏源电流仍基本上维持IDSS值，值，因此这个区域称为饱和工作区，如图因此这个区域称为饱和工作区，如图8-10中区域中区域所示。所示。上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶
31、体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理沟道长度调变效应沟道长度调变效应 两个两个N+区（源区（源-漏）之间形成沟道长度漏）之间形成沟道长度L满足大满足大大于夹断区大于夹断区AB段长度段长度(长沟道长沟道)，其饱和漏源电流
32、，其饱和漏源电流基本上不变。图基本上不变。图8-10中水平直线。中水平直线。但当沟道长度但当沟道长度L不满足大大于夹断区不满足大大于夹断区AB段长度段长度(短沟道短沟道)时，夹断区对沟道长度缩短的影响不能忽时，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，可见饱和工略，从而对电流的影响也不可以忽略，可见饱和工作区中，作区中，IDS会随会随VDS增大而增加，这就是所谓的增大而增加，这就是所谓的沟沟道长度调变效应道长度调变效应。它与双极型晶体管中的基区宽度。它与双极型晶体管中的基区宽度调变效应相当。调变效应相当。上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导
33、体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理雪崩击穿区雪崩击穿区 当当VDS超过漏与衬底间超过漏与衬底间P-N结的击穿电压时，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，直接经衬底到达源极流过大的电流，IDS迅速增大。迅速增大。这就出现输出特性曲线中的第这就出现输出特性曲线中的第个区域个区域雪崩雪崩击穿区，如图击穿区，如图8-12（a）所示
34、。）所示。上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理 可以用相似的方法讨论可以用
35、相似的方法讨论N沟道耗尽型，沟道耗尽型，P沟道增强型，沟道增强型，P沟道沟道耗尽型耗尽型MOSFET的输出特性曲线，它们分别如图的输出特性曲线，它们分别如图8-12（b）（d）所示。）所示。上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的
36、基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理MOSFET的转移特性曲线的转移特性曲线 MOSFET是一种电压控制器件，它是利用加在栅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，工作电流为晶体管工作在饱和区时，工作电流为IDSS。不。不同的同的VGS会引起不同的会引起不同的IDSS。我们将。我们将I
37、DSS与与VGS之间之间的关系曲线称为转移特性曲线。的关系曲线称为转移特性曲线。对于对于N沟增强型沟增强型MOS管，管，VT0，VGS0，其转移，其转移特性曲线如图特性曲线如图8-13（a）所示。）所示。用相似的方法可以得到用相似的方法可以得到N沟耗尽型，沟耗尽型，P沟增强型，沟增强型，P沟耗尽型沟耗尽型MOSFET的转移特性曲线，它们分别表的转移特性曲线，它们分别表示于图示于图8-13（b）（d）。）。上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管
38、的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院
39、上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理8.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压N沟道增强型沟道增强型MOSFET的开启电压的开启电压VT 对于增强型管，对于增强型管，VT0 式（式（式（式（8-18-1）上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET的夹断电压的夹断电压Vp （8-1）也适合于）也适合于N沟耗尽型管沟
40、耗尽型管 这时这时VT显然小于零。这说明在栅极电压为零即未加显然小于零。这说明在栅极电压为零即未加电压时，表面沟道已经存在。因此，这时的开启电压实电压时，表面沟道已经存在。因此，这时的开启电压实际上就是夹断电压，通常用际上就是夹断电压，通常用Vp表示。对于表示。对于N沟耗尽型沟耗尽型MOSFET，Vp0，即当栅极电压，即当栅极电压VGS-|Vp|时即能开启。时即能开启。栅极电压再负得多些时，沟道截止。栅极电压再负得多些时，沟道截止。上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应
41、晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理P沟道增强型沟道增强型MOSFET的开启电压的开启电压VT 显然，显然，P沟道增强型沟道增强型MOSFET的的VT0。也就是说，在栅极电压为零时，也就是说，在栅极电压为零时，P型沟道早已形成。这时的开启型沟道早已形成。这时的开启电压实质上就是夹断电压电压实质上就是夹断电压Vp。当栅极加的正电压大于。当栅极加的正电压大于Vp时，沟道时，沟道全部截止。全部截止。公式（公式（8-1）、（）、（8-2）只适用于长沟道）只适用于长沟道MOSFET。当沟道长度较短时，必须考虑短沟道效应，管子
42、的阈当沟道长度较短时，必须考虑短沟道效应，管子的阈值电压值电压VT会随沟道长度会随沟道长度L的减小而减小。这个问题将的减小而减小。这个问题将在以后讨论。在以后讨论。说说说说 明明明明 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理8.4 MOSFET的伏安特性的伏安特性 为了方便起见，先作以下几个假定：为了方便起见，先作以下几个假定：（1）漏区和源区的电压降可以忽
43、略不计；）漏区和源区的电压降可以忽略不计；（2）在沟道区不存在复合产生电流；）在沟道区不存在复合产生电流；（3）沿沟道的扩散电流比由电场产生的漂移电流小得多；）沿沟道的扩散电流比由电场产生的漂移电流小得多；（4）在沟道内载流子的迁移率为常数；）在沟道内载流子的迁移率为常数；（5）沟道与衬底间的反向饱和电流为零；）沟道与衬底间的反向饱和电流为零；（6）缓变沟道近似成立，即跨过氧化层的垂直于沟道方）缓变沟道近似成立，即跨过氧化层的垂直于沟道方向的电场分量与沟道中沿载流子运动方向的电场分量无关。向的电场分量与沟道中沿载流子运动方向的电场分量无关。上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体
44、器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理线性工作区的伏安特性线性工作区的伏安特性 以以N沟道增强型为例：设沟道长度为沟道增强型为例：设沟道长度为L，宽度为，宽度为W，厚度为，厚度为d，厚度从源到漏略有变化。则线性工作区的直流特性方程可，厚度从源到漏略有变化。则线性工作区的直流特性方程可表示为表示为 增益因子增益因子 当当VDS很小时，很小时，IDS与与VDS成线性关系。成线性关系。VDS稍大时，稍大时，IDS上
45、升变慢，特性曲线弯上升变慢，特性曲线弯曲，如图所示。曲，如图所示。式（式（式（式（8-38-3）上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技
46、术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理饱和工作区的伏安特性饱和工作区的伏安特性 当漏当漏-源电压增加到使漏端的沟道夹断时，源电压增加到使漏端的沟道夹断时，IDS将趋于不变。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和工作区所加的漏-源电压为源电压为VDsat，它由下式决定：，它由下式决定：将上式代入式（将上式代入式（8-3），可得到饱和工作区的漏），可得到饱和工作区的漏-源电流（漏源电流（漏-源饱和电流）源饱和电流）上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导
47、体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理 严格来讲，饱和工作区的电流不是一成不变的。严格来讲，饱和工作区的电流不是一成不变的。因为这时实际的有效沟道长度减小了。当因为这时实际的有效沟道长度减小了。当VDS增大增大时，由于沟道长度减小，时，由于沟道长度减小，IDSS将随之增加。将随之增加。漏源饱和电流随沟道长度的减小而增大的效漏源饱和电流随沟道长度的减小而增大的效应称为沟道长度调变效应。应称为沟道长度调变效应。这个效应会使这
48、个效应会使MOS管的输出特性明显发生倾管的输出特性明显发生倾斜，导致它的输出阻抗降低。斜，导致它的输出阻抗降低。沟道长度调变效应沟道长度调变效应 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理击穿区击穿区 当漏源电压当漏源电压VDS继续增大时，会出现漏源电继续增大时，会出现漏源电流突然增大的情况，这时器件进入击穿区。漏源击流突然增大的情况，这时器件进入击穿区。漏源
49、击穿电压穿电压BVDS可由两种不同的击穿机理决定：可由两种不同的击穿机理决定：漏区与衬漏区与衬底之间底之间P-N结的雪崩击穿结的雪崩击穿；漏和源之间的穿通漏和源之间的穿通。漏结雪崩击穿漏结雪崩击穿 漏源穿通漏源穿通 在正常工作时，漏结处于反向偏置状态，当反偏电压达到其雪崩在正常工作时，漏结处于反向偏置状态，当反偏电压达到其雪崩击穿电压时会产生击穿，且击穿电压随击穿电压时会产生击穿，且击穿电压随VGS的增大而增大。的增大而增大。漏极电压漏极电压VDS增大时，漏结耗尽区增大，使沟道有效长度缩增大时，漏结耗尽区增大，使沟道有效长度缩短。当沟道表面漏结耗尽区的宽度短。当沟道表面漏结耗尽区的宽度LS扩展
50、到等于沟道长度扩展到等于沟道长度L时，时，漏结耗尽区增大到源极，就发生漏源之间的直接穿通。漏结耗尽区增大到源极，就发生漏源之间的直接穿通。上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院半导体器件物理半导体器件物理第八章第八章第八章第八章 MOSMOS场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性场效应晶体管的基本特性