晶體管原理(4-1)

1、 場效應晶體管（場效應晶體管（Field Effect Transistor，F(xiàn)ET）是另一類）是另一類重要的微電子器件。這是一種重要的微電子器件。這是一種，又稱，又稱為為。這種器件與雙極型晶體管相比，有以下優(yōu)點。這種器件與雙極型晶體管相比，有以下優(yōu)點 輸入阻抗高；輸入阻抗高； 溫度穩(wěn)定性好；溫度穩(wěn)定性好； 噪聲??；噪聲小； 大電流特性好；大電流特性好； 無少子存儲效應，開關速度高；無少子存儲效應，開關速度高； 各管之間存在天然隔離，適宜于制作各管之間存在天然隔離，適宜于制作 VLSI 。 功耗低功耗低結型柵場效應晶體管結型柵場效應晶體管（ J FET ）肖特基勢壘柵場效應晶體管（肖特基勢壘柵

2、場效應晶體管（ MESFET ）絕緣柵場效應晶體管絕緣柵場效應晶體管（ IGFET 或或 MOSFET ) JFET 和和 MESFET 的工作原理相同。以的工作原理相同。以 JFET 為例，用一為例，用一個低摻雜的半導體作為導電溝道，在半導體的一側或兩側制作個低摻雜的半導體作為導電溝道，在半導體的一側或兩側制作 PN 結，并加上反向電壓。結，并加上反向電壓。兩種兩種 FET 的不同之處僅在于，的不同之處僅在于，JFET 是利用是利用 PN 結結作為控制柵，而作為控制柵，而 MESFET 則是利用金則是利用金- 半結（肖特基勢壘結）半結（肖特基勢壘結）來作為控制柵。來作為控制柵。 IGFET

3、的工作原理略有不同，利用電場能來控制半導體的的工作原理略有不同，利用電場能來控制半導體的表面狀態(tài)，從而控制溝道的導電能力。表面狀態(tài)，從而控制溝道的導電能力。 根據(jù)溝道導電類型的不同，每類根據(jù)溝道導電類型的不同，每類 FET 又可分為又可分為 和和。 J - FET 的基本結構的基本結構源、漏源、漏 MESFET 的基本結構的基本結構 絕緣柵場效應晶體管絕緣柵場效應晶體管 按其早期器件的縱向結構按其早期器件的縱向結構又被稱為又被稱為 ，簡稱為，簡稱為 ， 但現(xiàn)在這種器件的柵電極實際不一定是金屬，但現(xiàn)在這種器件的柵電極實際不一定是金屬，絕緣絕緣柵柵也不一定也不一定是是氧化物，但氧化物，但仍被習慣地

4、稱為仍被習慣地稱為 MOSFET 。 從從65納米到納米到45納米納米 必須找到新的必須找到新的high-K材料材料 在45納米以前,使用的二氧化硅做為制造晶體管柵介質的材料, 通過壓縮其厚度以維持柵級的電容進而持續(xù)改善晶體管效能。 在65納米制程工藝下，Intel公司已經(jīng)將晶體管二氧化硅柵介質的厚度壓縮至與五層原子的厚度相當。 65納米已經(jīng)達到了這種傳統(tǒng)材料的極限納米已經(jīng)達到了這種傳統(tǒng)材料的極限。 為了解決上述問題，便開發(fā)了新的高-K材料來做柵絕緣層。 目前Intel使用金屬鉿(讀音為哈)的氧化物作為柵極的電介質，這種材料具有高K的性質，可以做的足夠厚以防止漏電，因為有較高的介電常數(shù)可以維持

5、柵級的電容。 新的柵介質和原來的柵極的多晶硅（摻雜）不兼容。Intel用特殊金屬代替多晶硅，至于金屬材料的成分屬于商業(yè)機密沒有公布。而金屬柵極本身相比多晶硅擁有更快的開關速率，又多了一個提升速度的因素。 金屬柵極與高電介質組成的柵極結構就是 “高高K金屬柵結構金屬柵結構”,能使晶體管開關速度能夠提升20%且耗電量降低30%。 第一款第一款45納米納米QX9650晶體管數(shù)量增長晶體管數(shù)量增長40%面積下降面積下降25% 英特爾共同創(chuàng)始人Gordon Moore說，采用“high-k”和金屬材料標志著自從60年代末推出多晶硅柵MOS晶體管以來晶體管技術的一個最大最大的變化。 MOSFET 的立體結

6、構的立體結構P 型襯底型襯底 N 溝道溝道 MOSFET 的剖面圖的剖面圖P 型襯底型襯底 當當 VGS VT 時，柵時，柵下的下的 P 型硅表面發(fā)生型硅表面發(fā)生 ，形成連通源、漏區(qū)的，形成連通源、漏區(qū)的 N 型型 ，在在 VDS 作用下產(chǎn)生漏極電流作用下產(chǎn)生漏極電流 ID 。對于恒定的。對于恒定的 VDS ，VGS 越大，越大，溝道中的電子就越多，溝道電阻就越小，溝道中的電子就越多，溝道電阻就越小，ID 就越大。就越大。 所以所以 MOSFET 是通過改變是通過改變 VGS 來控制溝道的導電性，從來控制溝道的導電性，從而控制漏極電流而控制漏極電流 ID ，是一種電壓控制型器件。，是一種電壓控

7、制型器件。 ：VDS 恒定時的恒定時的 VGS ID 曲線。曲線。MOSFET 的的轉移特性反映了柵源電壓轉移特性反映了柵源電壓 VGS 對漏極電流對漏極電流 ID 的控制能力的控制能力。 N 溝道溝道 MOSFET 當當VT 0 時，稱為時，稱為 ，為，為 。VT 0 時，稱為時，稱為 ，為，為 。IDVGSVT0IDVGSVT0 P 溝道溝道 MOSFET 的特性與的特性與 N 溝道溝道 MOSFET 相對稱，即：相對稱，即： (1) 襯底為襯底為 N 型，源漏區(qū)為型，源漏區(qū)為 P+ 型。型。 (2) VGS 、VDS 的極性以及的極性以及 ID 的方向均與的方向均與 N 溝相反。溝相反。

8、 (3) 溝道中的可動載流子為空穴。溝道中的可動載流子為空穴。 (4) VT 0 時稱為耗盡型時稱為耗盡型（常開型）。（常開型）。 當當 VDS 很小時，溝道就象一個阻值與很小時，溝道就象一個阻值與 VDS 無關的無關的 ，這時這時 ID 與與 VDS 成線性關系，如圖中的成線性關系，如圖中的 OA 段所示。段所示。 VGS VT 且恒定時的且恒定時的 VDS ID 曲線?？煞譃榍€?？煞譃橐韵乱韵?4 段段 隨著隨著 VDS 增大，漏附近的溝道變薄，溝道電阻增大，曲線增大，漏附近的溝道變薄，溝道電阻增大，曲線逐漸下彎。當逐漸下彎。當 VDS 增大到增大到 時，漏端處的時，漏端處的可動電子消失

9、，這稱為溝道被可動電子消失，這稱為溝道被 ，如圖中的，如圖中的 AB 段所示。段所示。 線性區(qū)與過渡區(qū)統(tǒng)稱為線性區(qū)與過渡區(qū)統(tǒng)稱為 ，有時也統(tǒng)稱為，有時也統(tǒng)稱為 。 當當 VDS VDsat 后，溝道夾斷點左移，漏附近只剩下耗盡區(qū)。后，溝道夾斷點左移，漏附近只剩下耗盡區(qū)。這時這時 ID 幾乎與幾乎與 VDS 無關而保持常數(shù)無關而保持常數(shù) ，曲線為水平直線，如，曲線為水平直線，如圖中的圖中的 BC 段所示。段所示。 實際上實際上 ID 隨隨 VDS 的增大而略有增大，曲線略向上翹。的增大而略有增大，曲線略向上翹。 當當 VDS 繼續(xù)增大到繼續(xù)增大到 時，漏結發(fā)生雪崩擊穿，或者漏源時，漏結發(fā)生雪崩擊穿，或者漏源間發(fā)生穿通，間發(fā)生穿通，ID 急劇增大，如圖中的急劇增大，如圖中的 CD 段