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第 3 章 MOSFET 講義與作業 一、MOSFET 何謂場效： 經由外加垂直半導體表面的電場來調變半導體的傳導性或電流 重要性 70 年代實現，比起 BJT ，可以做的很小 數位電路可以只含 MOSFET ，不用電阻及二極體，所以可以製成高密 度 VLSI 引發第二次電子革命，使高密度 VLSI 可行 金屬-氧化物-半導體(MOS) 結構(MOSFET) 金屬：鋁或其他金屬，很多是用高導的多晶矽 氧化層：厚度 tox ，介電常數εox N-MOS P-MOS n-MOSFET 臨界電壓 V 的含意：可看成 D-G 所形成之電位障(V -V )，VGD 恰抵 TN D G 銷此電位障，則剛好通與不通之間 1. VDS 與 IDS 的關係如同一個線性電阻 2. 增加 VDS 即 D 極電壓增加 3. VDS 增加至飽和電壓 vDS(sat)= vGS-VTN iD 對 vDS 之斜率為零 vGS-vDS(sat)= VTN ：可想成VTN= vGD(sat) 4. vDSvDS(sat) ：飽和區：理想MOSFET 有固定之 D 極電流 I-V 曲線 (n-MOSFET) 1. vDSvDS(sat)為非飽和(三極)區： vGS 增加則 iD 對 vDS 的起始斜率增加 且 vDS(sat)增加(如圖虛線) 2. 飽和區 理想上，增量(小訊號)電阻為無限大(因 iD 與 vDS 無關) 例 3.1： n 通道 MOSFET 之參數為 VTN=0.75V ，W=40 μm ，L=4 μm ， μ =650cm2/V-s ，ε = (3.9)(8.85× 10-14)F/cm 。求當電晶體在飽和區， n ox VGS = 2VTN 之 iD 電流。 解： 算出導電參數 假設在飽合區 vGS=2VTN MOSFET 電路符號 n-MOSFET p-MOSFET n-MOSFET 與 p-MOSFET 的比較 以上討論為長通道元件下的 I-V 特性曲線 通道長度大於 2 μm 在通道中的水平電場是由 vDS 所造成 在通道中的垂直電場是由 vGS 所造成 兩電場間之間互為獨立不受影響 短通道效應 現今元件中通到長度大多在 0.2 μm 範圍或更短 臨界電壓 VT 正比 L 反比 vDS 通道導電常數Kn` 正比 μn 反比 EG 與反轉層的垂直電場(正比於 v )成正比 G 漂移速度飽和 當通道水平電場(正比於 vDS)持續增加，則水平飄一速度會達到一 個固定值後不再增加 造成較低的 vDS(sat) ⎝ 在較小的 vDS 下，iDS 就會達到飽和電流 iDS - vG 在飽和區形成線性關係(長通道下圍二次曲線關係) 非線性電流電壓特性 有限輸出阻抗 二、MOSFET 直流電路分析 例 3.3： 一個 n 通道增強型 MOSFET 之共源極電路，求其 ID 和 VDS 。如圖(a) 之電路， R1 = 30k Ω，R2 = 20 k Ω，R =20 k Ω，V