第 3 章 MOSFET 講義與作業
一、MOSFET
何謂場效：
¾ 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
¾ 70 年代實現，比起 BJT，可以做的很小
¾ 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
¾ 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<vDS(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=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 Î 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<VSD(sat)確認電晶體於非飽和區中
例 3.10：
如下圖之電路，電晶體參數 VTN=0.8V，Kn=0.05mA/V2，求 ID、VGS。
解：假設電晶體偏壓於飽和區，直流汲極電流為
直流汲極到源極電壓為
解上兩聯立方程式
得
其兩解分別為
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 ÎVDSD 應為較低電位
Î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 Î IDD 應當相對較小ÎVo 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
