晶體管原理第五章課件

1晶體管原理遼寧大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)授課教師：盧雪梅2007年3月LEARNING2場效應(yīng)晶體管（FieldEffectTransistor，F(xiàn)ET）是另一類重要的微電子器件。這是一種電壓控制型多子導(dǎo)電器件，又稱為單極型晶體管。這種器件與雙極型晶體管相比，有以下優(yōu)點①輸入阻抗高；②溫度穩(wěn)定性好；③噪聲??；④大電流特性好；⑤無少子存儲效應(yīng)，開關(guān)速度高；⑥制造工藝簡單；⑦各管之間存在天然隔離。絕緣柵場效應(yīng)晶體管第五章3結(jié)型柵場效應(yīng)晶體管（JFET）肖特基勢壘柵場效應(yīng)晶體管（

MESFET）絕緣柵場效應(yīng)晶體管（IGFET或MOSFET)

場效應(yīng)晶體管（FET）的分類絕緣柵場效應(yīng)晶體管第五章5

J-FET的基本結(jié)構(gòu)源、漏絕緣柵場效應(yīng)晶體管第五章6絕緣柵場效應(yīng)晶體管按其早期器件的縱向結(jié)構(gòu)又被稱為“金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管”，簡稱為MOSFET，但現(xiàn)在這種器件的柵電極實際不一定是金屬，絕緣柵也不一定是氧化物，但仍被習(xí)慣地稱為

MOSFET。

5.1.1MOSFET

的結(jié)構(gòu)

MOSFET基礎(chǔ)第五章7

MOSFET的立體結(jié)構(gòu)

MOSFET基礎(chǔ)第五章9

5.1.2MOSFET

的工作原理當(dāng)

VGS=0時，N+

型的源區(qū)與漏區(qū)之間隔著P

型區(qū)，且漏結(jié)反偏，故無漏極電流。當(dāng)

VGS

>0時，外加電壓會在柵下的氧化層中產(chǎn)生電場，電力線由柵電極指向半導(dǎo)體表面，將在P型硅表面產(chǎn)生感應(yīng)負(fù)電荷，隨著柵壓增加，P型硅表面將耗盡而反型，產(chǎn)生電子積累。當(dāng)柵壓增加到VT（稱為

閾電壓）時，P

型硅表面發(fā)生

強反型

，形成連通源、漏區(qū)的N

型

溝道

，在

VDS作用下產(chǎn)生漏極電流ID。對于恒定的

VDS

，VGS

越大，溝道中的電子就越多，溝道電阻就越小，ID

就越大。所以MOSFET是通過改變

VGS來控制溝道的導(dǎo)電性，從而控制漏極電流ID

，是一種電壓控制型器件。

MOSFET基礎(chǔ)第一節(jié)10

轉(zhuǎn)移特性曲線：VDS

恒定時的VGS~

ID曲線。MOSFET的轉(zhuǎn)移特性反映了柵源電壓

VGS對漏極電流

ID的控制能力。

N

溝道MOSFET

當(dāng)VT>0時，稱為

增強型

，為

常關(guān)型。VT

<0時，稱為

耗盡型

，為

常開型。IDVGSVT0IDVGSVT0

MOSFET基礎(chǔ)第一節(jié)11

P

溝道MOSFET

的特性與N

溝道MOSFET

相對稱，即：

(1)襯底為N

型，源漏區(qū)為P+

型。

(2)VGS、VDS的極性以及ID

的方向均與N

溝相反。

(3)溝道中的可動載流子為空穴。

(4)VT

<0時稱為增強型（常關(guān)型），VT>0時稱為耗盡型（常開型）。

5.1.3MOSFET

的類型

MOSFET基礎(chǔ)第一節(jié)13①線性區(qū)當(dāng)

VDS

很小時，溝道就象一個阻值與

VDS無關(guān)的

固定電阻，這時ID與VDS成線性關(guān)系，如圖中的OA段所示。

MOSFET基礎(chǔ)第一節(jié)14②過渡區(qū)隨著VDS增大，漏附近的溝道變薄，溝道電阻增大，曲線逐漸下彎，如圖中的

AB段所示。當(dāng)VDS

增大到

VDsat(飽和漏源電壓)

時，漏端處的可動電子消失，這稱為溝道被

夾斷，如圖中的

B點所示。線性區(qū)與過渡區(qū)統(tǒng)稱為

非飽和區(qū)，有時也統(tǒng)稱為

線性區(qū)。

MOSFET基礎(chǔ)第一節(jié)15③飽和區(qū)當(dāng)

VDS>VDsat后，溝道夾斷點左移，漏附近只剩下耗盡區(qū)。這時ID

幾乎與

VDS無關(guān)而保持常數(shù)IDsat，曲線為水平直線，如圖中的BC

段所示。實際上ID

隨

VDS的增大而略有增大，曲線略向上翹。

MOSFET基礎(chǔ)第一節(jié)17將各曲線的夾斷點用虛線連接起來，虛線左側(cè)為非飽和區(qū)，虛線右側(cè)為飽和區(qū)。以

VGS

作為參變量，可得到不同

VGS下的

VDS

~ID曲線族，這就是MOSFET的

輸出特性曲線。

MOSFET基礎(chǔ)第一節(jié)18

4種類型MOSFET的特性曲線小結(jié)19

定義：使柵下的硅表面處開始發(fā)生強反型時的柵電壓稱為閾電壓

，記為

VT

。

定義：當(dāng)硅表面處的少子濃度達到或超過體內(nèi)的平衡多子濃度時，稱為表面發(fā)生了

強反型

。在推導(dǎo)閾電壓的表達式時可以近似地采用一維分析，即認(rèn)為襯底表面下空間電荷區(qū)內(nèi)的空間電荷完全由柵極與襯底之間的電壓所決定，與漏極電壓無關(guān)。

MOSFET的閾值電壓第二節(jié)21上圖中，

1、理想MOS

結(jié)構(gòu)（金屬與半導(dǎo)體間的功函數(shù)差MS=0，柵氧化層中的電荷面密度QOX

=0）當(dāng)VG=0時的能帶圖稱為P

型襯底的費米勢

MOSFET的閾值電壓第二節(jié)22

2、實際

MOS結(jié)構(gòu)（MS<0，QOX>0）當(dāng)

VG=0時的能帶圖上圖中，S稱為

表面勢，即從硅表面處到硅體內(nèi)平衡處的電勢差，等于能帶彎曲量除以q

。COX

代表單位面積的柵氧化層電容，，TOX

代表柵氧化層厚度。23

3、實際MOS結(jié)構(gòu)當(dāng)

VG=VFB

時的能帶圖當(dāng)時，可以使能帶恢復(fù)為平帶狀態(tài)，這時S=0，硅表面呈電中性。VFB

稱為

平帶電壓

。

MOSFET的閾值電壓第二節(jié)25外加?xùn)烹妷撼^

VFB

的部分（VG

-VFB）稱為

有效柵電壓。有效柵電壓可分為兩部分：降在氧化層上的VOX與降在硅表面附近的表面電勢S

，即

VG–VFB=VOX+S

表面勢S使能帶發(fā)生彎曲。表面發(fā)生強反型時能帶的彎曲量是2qFP

，表面勢為2FP

，于是可得：

VT–VFB=VOX+2FP

VT=VFB+VOX+2FP

MOSFET的閾值電壓第二節(jié)26上式中，QM和QS分別代表金屬一側(cè)的電荷面密度和半導(dǎo)體一側(cè)的電荷面密度，而QS又是耗盡層電荷QA與反型層電荷Qn之和。-QAQM-QnCOX}-QS

MOSFET的閾值電壓第二節(jié)27中，可得MOS結(jié)構(gòu)的閾電壓為再將和上式代入VT=VFB+VOX+2FP關(guān)于QA

的進一步推導(dǎo)在以后進行。作為近似，在剛開始強反型時，可忽略Qn。QA

是S

的函數(shù)，在開始發(fā)生強反型時，QA(S)=QA(2FP)，故得：

MOSFET的閾值電壓第二節(jié)29因此MOSFET的閾電壓一般表達式為

MOSFET的閾值電壓第二節(jié)30以下推導(dǎo)QA

的表達式。對于均勻摻雜的襯底，式中，，稱為

體因子。

MOSFET的閾值電壓第二節(jié)31于是可得N

溝MOSFET的閾電壓為

MOSFET的閾值電壓第二節(jié)32注意上式中，通常VS

>0，VB<0。當(dāng)VS=0，VB=0時，這與前面得到的MOS結(jié)構(gòu)的閾電壓表達式相同。

MOSFET的閾值電壓第二節(jié)33稱為N

型襯底的費米勢。同理，P

溝MOSFET的閾電壓為式中，F(xiàn)N與FP可以統(tǒng)一寫為FB

，代表

襯底費米勢。

MOSFET的閾值電壓第二節(jié)34

2、影響閾電壓的因素當(dāng)VS=0，VB=0時，N

溝道與P

溝道MOSFET的閾電壓可統(tǒng)一寫為

a)柵氧化層厚度TOX

一般來說，當(dāng)TOX

減薄時，|VT|是減小的。早期MOSFET的TOX的典型值為150nm

，目前高性能MOSFET的

TOX可達10nm

以下。

MOSFET的閾值電壓第二節(jié)35

b)襯底費米勢FB

FB與摻雜濃度有關(guān)，但影響不大。室溫下，當(dāng)摻雜濃度為1015cm-3時，約為0.3V。

MOSFET的閾值電壓第二節(jié)36

MS與金屬種類、半導(dǎo)體導(dǎo)電類型及摻雜濃度有關(guān)。對于Al~Si系統(tǒng)，

c)功函數(shù)差MS-0.6V～-1.0V(N溝)-0.6V～-0.2V(P溝)（見圖5-15）當(dāng)N=1015cm-3

時，-0.9V(N溝)-0.3V(P溝)

MS=

MS=

MOSFET的閾值電壓第二節(jié)37

d)耗盡區(qū)電離雜質(zhì)電荷面密度QAD由于FB與摻雜濃度N的關(guān)系不大，故可近似地得到

MOSFET的閾值電壓第二節(jié)38

e)柵氧化層中的電荷面密度QOX

QOX主要包括：Si-SiO2界面的固定電荷密度QSS和界面附近的可動Na+離子。QOX總是正的，所以上式的第二項總是負(fù)的。在一般工藝條件下，當(dāng)TOX

=150nm時，

MOSFET的閾值電壓第二節(jié)39影響QOX的因素

①制造工藝。如果在制備柵氧化層時，清洗工作做得不好，混入了帶正電荷的雜質(zhì)離子，就會使QOX增大，尤其是堿金屬離子Na+、K+的影響最大。

MOSFET的閾值電壓第二節(jié)

②晶面。在同樣的材料和工藝條件下，QSS隨晶面的不同而不同，所以在不同晶面上制作MOSFET，其閾值電壓也不同。

③氧化以后的工藝。40

調(diào)整閾電壓主要是通過改變摻雜濃度N（例如離子注入）和改變柵氧化層厚度

TOX來實現(xiàn)。

對于P溝道MOSFET，上式中的四項都是負(fù)的，所以VT總是負(fù)值，即由常規(guī)鋁硅工藝制作的P溝道MOSFET都是增強型的。

MOSFET的閾值電壓第二節(jié)

對于N溝道MOSFET，上式中的第一項和第二項是負(fù)的，后兩項是正的。當(dāng)QOX較大和NA較小時，VT是負(fù)值，MOSFET是耗盡型；當(dāng)QOX較小和NA較大時，VT是正值，MOSFET是增強型。41對于N溝道MOSFET，

3、襯底偏置效應(yīng)（體效應(yīng)）

襯底偏置效應(yīng)：VT

隨VBS

的變化而變化。當(dāng)VS=0時，可將源極作為電位參考點，這時VG=VGS

、VD=VDS、VB=VBS。

MOSFET的閾值電壓第二節(jié)42對于P溝道MOSFET，可見，當(dāng)|VBS|增大時，N溝道MOSFET的閾電壓向正方向變化，而P溝道MOSFET的閾電壓向負(fù)方向變化。由于，所以TOX越厚、N越高，襯底偏置效應(yīng)就越嚴(yán)重。

MOSFET的閾值電壓第二節(jié)43

4、離子注入對閾電壓的調(diào)整

假設(shè)注入的雜質(zhì)濃度為階梯形分布，且注入深度

R小于溝道下的襯底耗盡區(qū)最大厚度

xdmax，

MOSFET的閾值電壓第二節(jié)44則經(jīng)離子注入調(diào)整后的閾電壓為

閾電壓的調(diào)整量為

式中，NI代表離子注入增加的雜質(zhì)濃度，NA=NA

+NI；QI=-qNIR代表離子注入在耗盡區(qū)增加的電離雜質(zhì)電荷面密度。

MOSFET的閾值電壓第二節(jié)45

本節(jié)將以N溝道MOSFET為例，推導(dǎo)MOSFET的ID~VD方程。IDVD

MOSFET的直流電流電壓方程第三節(jié)46

推導(dǎo)時采用如下假設(shè)：①溝道電流只由漂移電流構(gòu)成，忽略擴散電流；②采用緩變溝道近似，即：這表示溝道厚度沿y

方向的變化很小，溝道電子電荷全部由感應(yīng)出來而與無關(guān)；

5.3.1非飽和區(qū)直流電流電壓方程

MOSFET的直流電流電壓方程第三節(jié)47附：泊松方程

MOSFET的直流電流電壓方程第三節(jié)IDVD48③溝道內(nèi)的載流子（電子）遷移率為常數(shù)；④采用強反型近似，即認(rèn)為當(dāng)表面少子濃度達到體內(nèi)平衡多子濃度（也即S=S,inv）時溝道開始導(dǎo)電；⑤QOX

為常數(shù)，與能帶的彎曲程度無關(guān)。

MOSFET的直流電流電壓方程第三節(jié)49當(dāng)在漏極上加

VD>

VS后，產(chǎn)生漂移電流，式中，代表溝道內(nèi)的電子電荷面密度。

1、漏極電流的一般表達式

（5-36）

MOSFET的直流電流電壓方程第三節(jié)50（5-37）（5-36）

MOSFET的直流電流電壓方程第三節(jié)51當(dāng)VG>VT后，溝道中產(chǎn)生的大量電子對來自柵電極的縱向電場起到屏蔽作用，所以能帶的彎曲程度幾乎不再隨

VG增大，表面勢S也幾乎維持S,inv不變。于是，

2、溝道電子電荷面密度

Qn

QAQMQn

MOSFET的直流電流電壓方程第三節(jié)52當(dāng)外加VD

(>VS)后，溝道中將產(chǎn)生電勢V(y)，V(y)隨

y而增加，從源極處的V(0)=VS

增加到漏極處的V(L)=VD

。這樣S,inv、xd與

QA都成為y的函數(shù)，分別為：

MOSFET的直流電流電壓方程第三節(jié)53將上面的S,inv和QA代入溝道電子電荷面密度Qn

后，可知Qn也成為

y的函數(shù)，即：

MOSFET的直流電流電壓方程第三節(jié)54將Qn代入式（5-37）對上式可進行簡化。

3、漏極電流的精確表達式

并經(jīng)積分后得：

MOSFET的直流電流電壓方程第三節(jié)55將Qn中的在V=0處用級數(shù)展開，當(dāng)只取一項時，當(dāng)

VS=0，VB=0時，可將

VD

寫作VDS，將VG寫作

VGS，則Qn成為：

4、漏極電流的近似表達式

MOSFET的直流電流電壓方程第三節(jié)56將此Qn代入式（5-37）的ID中，并經(jīng)積分后得：（5-50）

MOSFET的直流電流電壓方程第三節(jié)57（5-51）再將寫作，稱為

MOSFET

的

增益因子，則

MOSFET的直流電流電壓方程第三節(jié)58式（5-51）表明，ID與VDS成

拋物線關(guān)系，即：式（5-51）只在拋物線的左半段有物理意義。IDsatIDVDsat0VDS

MOSFET的直流電流電壓方程第三節(jié)59此時所對應(yīng)的漏極電流稱為

飽和漏極電流

IDsat

，由Qn

的表達式可知，在y=L

的漏極處，可見|Qn(L)|是隨

VDS

增大而減小的。當(dāng)

VDS

增大到被稱為

飽和漏源電壓

的

VDsat

時，Qn

(L)=0，溝道被夾斷。顯然，（5-52）

MOSFET的直流電流電壓方程第三節(jié)60這一點正好是拋物線的頂點。所以

VDsat

也可由令而解出。（5-53）

MOSFET的直流電流電壓方程第三節(jié)61當(dāng)

VDS>VDsat

后，簡單的處理方法是從拋物線頂點以水平方向朝右延伸出去。以不同的

VGS作為參變量，可得到一組ID~VDS

曲線，這就是MOSFET的輸出特性曲線。

MOSFET的直流電流電壓方程第三節(jié)62對于P

溝道MOSFET，可得類似的結(jié)果，式中，以上公式雖然是近似的，但因計算簡單，在許多場合得到了廣泛的應(yīng)用。

MOSFET的直流電流電壓方程第三節(jié)63實測表明，當(dāng)

VDS

>VDsat

后，ID

隨

VDS的增大而略有增大，也即MOSFET的增量輸出電阻不是無窮大而是一個有限的值。

3.3.2飽和區(qū)的特性通常采用兩個模型來解釋ID

的增大。

MOSFET的直流電流電壓方程第三節(jié)64當(dāng)

VDS>VDsat后，溝道中滿足

V=VDsat

和Qn

=0的位置向左移動