微電子器件(4-1)

1、 場效應(yīng)晶體管（場效應(yīng)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。與雙極型晶體管相比，有以下優(yōu)點：。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??； 大電流特性好；大電流特性好； 無少子存儲效應(yīng)，開關(guān)速度高；無少子存儲效應(yīng)，開關(guān)速度高； 制造工藝簡單；制造工藝簡單； 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 。結(jié)型柵場效應(yīng)晶體管結(jié)型柵場效應(yīng)晶體管（J FET）肖特基勢壘柵場效應(yīng)晶體管（肖特基勢壘柵

2、場效應(yīng)晶體管（MESFET）絕緣柵場效應(yīng)晶體管絕緣柵場效應(yīng)晶體管（IGFET 或或 MOSFET） 根據(jù)溝道導(dǎo)電類型的不同，每類根據(jù)溝道導(dǎo)電類型的不同，每類 FET 又可分為又可分為 和和。 JFET 和和 MESFET 的工作原理相同。以的工作原理相同。以 JFET 為例，用低摻為例，用低摻雜的半導(dǎo)體作為導(dǎo)電溝道，在半導(dǎo)體的一側(cè)或兩側(cè)制作雜的半導(dǎo)體作為導(dǎo)電溝道，在半導(dǎo)體的一側(cè)或兩側(cè)制作 PN 結(jié)，結(jié)，并加上反向電壓。并加上反向電壓。兩種兩種 FET 的不同之處是，的不同之處是，J FET 利用利用 PN 結(jié)作為控制柵，而結(jié)作為控制柵，而 MESFET 則是利用金則是利用金- 半結(jié)（肖特基勢壘

3、結(jié)）來作為控制柵。半結(jié)（肖特基勢壘結(jié)）來作為控制柵。 IGFET 的工作原理略有不同，利用電場能來控制半導(dǎo)體的的工作原理略有不同，利用電場能來控制半導(dǎo)體的表面狀態(tài)，從而控制溝道的導(dǎo)電能力。表面狀態(tài)，從而控制溝道的導(dǎo)電能力。 J FET 的基本結(jié)構(gòu)與工作原理的基本結(jié)構(gòu)與工作原理源、漏源、漏利用利用 PN 結(jié)勢壘區(qū)寬度隨反向電壓而變化的特點來控制導(dǎo)電結(jié)勢壘區(qū)寬度隨反向電壓而變化的特點來控制導(dǎo)電溝道的截面積，從而控制溝道的導(dǎo)電能力。溝道的截面積，從而控制溝道的導(dǎo)電能力。 MESFET 的基本結(jié)構(gòu)與工作原理的基本結(jié)構(gòu)與工作原理 利用金利用金 - 半結(jié)（肖特基勢壘結(jié)）來作為控制柵。半結(jié)（肖特基勢壘結(jié)）來

4、作為控制柵。 絕緣柵場效應(yīng)晶體管絕緣柵場效應(yīng)晶體管按其早期器件的縱向結(jié)構(gòu)按其早期器件的縱向結(jié)構(gòu)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(xí)慣地稱為仍被習(xí)慣地稱為 MOSFET。 MOSFET 的立體結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)溝道溝道P 型襯底型襯底 N 溝道溝道 MOSFET 的剖面圖的剖面圖 當(dāng)當(dāng) 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

5、 。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(dǎo)電性，從而來控制溝道的導(dǎo)電性，從而控制漏極電流控制漏極電流 ID ，是一種電壓控制型器件。，是一種電壓控制型器件。 ：VDS 恒定時的恒定時的 VGS ID 曲線。曲線。MOSFET 的的轉(zhuǎn)移特性反映了柵源電壓轉(zhuǎn)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(dāng)當(dāng)VT 0 時，稱為時，稱為 ，為，為 。VT 0 時

6、，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 溝道相反。溝道相反。 (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）。 VDS 很小時，溝道近似為一個阻值與很小時，溝道近似為一個阻值與 VDS 無關(guān)的無關(guān)的 ，這時這時 ID 與與 VDS 成線性關(guān)系，如圖中的成

7、線性關(guān)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。可分為曲線。可分為以下以下 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(dāng)逐漸下彎。當(dāng) VDS 增大到增大到 時，漏端處的時，漏端處的可動電子消失，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(dāng)當(dāng) 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(guān)而保持常數(shù)無關(guān)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(dāng)當(dāng) VDS 繼續(xù)增大到繼續(xù)增大到 時，漏結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，或者漏源時，漏結(jié)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 段所示。段所示。 將各曲線的夾斷點用虛線連接起來