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 VTN 的含意：可看成 D-G 所形成之電位障(VD-VG)，VGD 恰抵銷此電位障，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. vDS>vDS(sat) ：飽和區：理想 MOSFET 有固定之 D 極電流

I-V 曲線 (n-MOSFET)

1. vDS

例 3.1：

n 通道 MOSFET 之參數為 VTN=0.75V，W=40μm，L=4μm， μn=650cm2/V-s，εox = (3.9)(8.85×10-14)F/cm。求當電晶體在飽和區， 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 vG)成正比 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 = 30kΩ，R2 = 20 kΩ，RD=20 kΩ，VDD= 5V，VTN= 1V，Kn = 0.1mA/V2。

解：

假設電晶體偏壓於飽和區，汲極電流為

汲-源極電壓為

大於 Vds,sat = Vgs-Vtn = 2-1=1 符合飽和區的假設

例 3.4：

電路如圖 3.26(a)， 設 R1=R2=50kΩ，VDD=5V，RD=7.5 kΩ，VTP= -0.8V，KP=0.2mA/V2。

解：

假設電晶體偏壓於飽和區中，則汲極電流

源-汲極電壓為

小於 Vsd,sat = VSG + VTP = 2.5 – 0.8=1.7 V

重算汲極電流

解一元二次方程式, 得

源-汲極電壓為

VSD

可解出

例 3.11：

其電晶體參數為 VTND = VTNL = 1V, KnD = 50μA/V2, and KnL = 10μA/V2， 並假設λnD = λnL = 0。 (下標 D 所指的是驅動電晶體，而 L 所指的為負載電晶體) 試算出當輸入為 VI=5V 與 VI=1.5V 時，輸出值 V0 為何 ?

解 (a) 輸入為 VI=5V 時：

若 VI 為高電位，VO 則降為低準位 VDSD 應為較低電位 假設驅動電晶體將偏壓在非飽和工作區域 但 負載電晶體將偏壓在飽和工作區域

在負載電晶體的 IDL 應當等同於驅動電晶體的 IDD

利用二次方程式的求解公式

由於 VDSD = V0 = 0.349 V < VGSD – VTND = 5 – 1 = 4 V，則驅動電晶體偏壓在非飽和區，如同起始假設工作狀態 工作電流

(b)輸入為 VI=1.5V 時： 由於驅動電晶體 VTN = 1V 且 VI=1.5V

IDD 應當相對較小 Vo 應當相對較大 . 我們假設驅動電晶體將偏壓在飽和工作區域 在負載電晶體的 IDL 應當等同於驅動電晶體的 IDD

可求得 Vo=2.88V 由於 VDSD = Vo = 2.88 V > VGSD – VTND= 1.5 – 1 = 0.5 V， 驅動電晶體將如同前述設定的偏壓工作在飽和區 而工作電流為