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摘 要

随着现代集成电路的发展，MOS晶体管由于其制备工艺简单、价格低廉而广泛应用。本文主要测量了MOSFET的各项电学特性参数，包括开启电压、截止电压、饱和漏电流；电路中所涉及的5537型号的光敏电阻在不同光照下的伏安特性；LM358运算放大器的输出与输入电压的关系以及蜂鸣器在不同电压下的工作情况，为接下来的电路设计做准备。

将LM358运算放大器作为电压比较器，由于光敏电阻在光照下电阻变化使LM358的输出电压变化，从而改变MOS晶体管栅极电压，使其导通，蜂鸣器工作。根据这个原理，我们设计出火灾报警电路，并进行了电路搭建，经过测试，获得了较好的实验结果。

关键词：MOSFET 光敏电阻 电学特性参数 火灾报警电路

The Study of Electrical Characteristics of MOSFET and the Design of Alarm Circuit

Abstract

With the development of modern integrated circuits, MOSFETs are widely used because of their simple preparation process and low cost. In this paper, the characteristic parameters of MOSFET were measured, including open voltage, cut-off voltage,saturated leakage current. In addition,voltage-ampere characteristic of photo-resistance under different illumination intensity, input-output relationship of LM operational amplifier and working condition of buzzer under different voltage were carried out in order to prepare for the next circuit design.LM358 Operational Amplifier was used as voltage comparator. The output voltage of LM358 varies due to the change of resistance of photosensitive resistor under light, which will control the gate voltage of MOS transistor to turn on, so as to provide the working voltage for buzzer. According to this principle, we designed a fire alarm circuit, and built the circuit. Testing showed a good result for this fire alarm circuit.Key words: MOSFET ; Photo-resistance ; Electric characteristic parameter ; Fire alarm circuit

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）技术发展及其障碍 1

1.2 MOS晶体管的电学特性 2

1.2.1 N沟道增强型MOS晶体管 2

1.2.2 N沟道耗尽型MOS晶体管 4

1.2.3短沟道效应 5

1.3本论文的研究内容 6

第二章 报警电路所需各元件相关参数测量 7

2.1 MOS晶体管的特性参数测量 7

2.1.1输出特性曲线与转移特性曲线 7

2.1.2开启电压、截止电压、饱和漏电流 12

2.2 光敏电阻在不同光照下亮电阻的测量 13

2.2.1正常环境亮度下光敏电阻的阻值测量 13

2.2.2不同光源距离下光敏电阻阻值的变化情况测量 14

2.3蜂鸣器的工作特性测量 15

2.4 LM358放大器的参数测量 18

第三章 火灾报警电路设计 20

3.1设计原理 20

3.2实际电路搭建 22

3.2.1器件介绍 22

3.2.2电路搭建 23

3.3报警电路测试 24

第四章 总结和展望 26

参考文献 27

致谢 27

第一章 绪论

本章首先介绍了MOS晶体管的发展过程和现状以及所遇到的障碍，其次详细描述了两种MOS晶体管（增强型和耗尽型）的电学特性和其短沟道效应，最后对本文的研究内容做了简单的介绍，即基于MOSFET的火灾报警电路设计。

1.1金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）技术发展及其障碍

MOSFET全称为Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，即金属-氧化物-半导体场效应晶体管也称MOS晶体管，是微处理器和半导体储存器这一类超大规模集成电路中最重要的器件。自上世纪起MOS晶体管在集成电路中的应用使得我们进入大规模集成电路时代，随着技术的不断发展，到如今我们已经实现了超大规模集成电路（VLSI）的广泛应用^[1]。而在现今信息产业快速发展的背景下，各种现代化设备对于集成电路的规模要求也越来越高。而越来越大的集成规模势必将要求晶体管的尺寸要越来越小。自从1970年时集成电路中器件栅长为10μm直到2000年前后采取的0.1μm制造技术，甚至于到2006年Intel以65nm技术来制造新一代处理器，MOS晶体管的制备技术已经得到了极大的发展。

而这种尺寸的缩减并不是一帆风顺的，在上世纪八十年代，MOS晶体管的尺寸已经发展到了1μm大小，而为了再将其尺寸缩小一半却付出了许多的努力与工作。

先进集成电路的关键是能够通过改进用于制造结构的光刻工艺步骤来减小单个器件和电路的尺寸。随着电子束和X射线技术的应用，由于这些技术具有更高的分辨能力，器件和电路的尺寸不断减小^[1]。到上世纪八十年代许多VLSI技术的工作就已经采用了尺寸为1-1.25μm集成电路布局。

考虑到电阻效应，当尺寸缩小到1μm时就将不可避免地导致电阻的增加，另一方面各种辐射对于晶体管的影响也不容忽视^[3]。而当要求尺寸进一步缩小到0.25μm时，不难发现即使允许0.25μm的沟道长度中存在0.1μm的误差范围，对于刻印仍要求栅极氧化物厚度仅为6nm左右。这在当时是十分具有挑战性的。随着技术的进步，在后续的研究中器件的尺寸仍在不断减小。在经历了90nm、65nm、42nm、28nm、22nm、14nm到10nm的缩小过程后，现在的技术已经可以实现仅仅7nm尺寸的晶体管。如今三星的7nm工艺晶体管已经可以实现每平方毫米1.0123亿个晶体管的集成程度。尽管人们一直努力按比例不断缩小MOSFET沟道长度和其他尺寸，而由于包括杂质原子统计随机起伏和表面电荷的敏感性以及各种形式的短沟道效应、反型层的量子力学效应、源/漏串联电阻等在内的影响，随着其尺寸达到纳米级，可以肯定的是器件按比例缩小已变得愈发困难，缩小尺寸得到的回报也在减小^[4]。

1.2 MOS晶体管的电学特性

现在我们所用的MOS晶体管有N沟道和P沟道两类，而每一类又分为增强型和耗尽型两种。P沟道MOS晶体管在结构上与N沟道十分类似，此处选取N沟道的两种类型作相关讨论。另外，我们对器件尺寸减小产生的“短沟道效应”也进行了描述。

1.2.1 N沟道增强型MOS晶体管

如图1-1左所示：采用P型硅片作为衬底，其中扩散两个N 区，并从扩散区上分别引出电极作为源极（S）和漏极(D),半导体表面覆盖有SiO₂绝缘层，绝缘层上再在源极和漏极之间制造一层金属铝，称为栅极（G），图中右边还给出了其电路符号。

图 1‑1 N沟道增强型MOS晶体管截面示意图（左）及电路符号（右）

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