場效應管小結 (2)課件

微電子技術專業(yè)《半導體器件》單元四場效應晶體管小結講授教師：馬穎第

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章半導體表面特性及MOS電容

7.1半導體表面和界面結構了解清潔表面和真實表面的特點理解Si-SiO2界面的特點及影響因素7.2表面勢掌握MIS結構的表面積累、耗盡和反型時表面勢與能帶特點7.3MOS結構的電容-電壓特性掌握理想MOS的C公式了解影響實際C-V特性曲線變化的因素7.4MOS結構的閾值電壓

掌握理想與實際閾值電壓的計算（含C、ΨS、Wm、QSC）一、半導體表面和界面結構真實表面分為外表面和內(nèi)表面，其中內(nèi)表面屬于快態(tài)能級，外表面屬于慢態(tài)能級。利用熱生長或化學汽相淀積人工生長方法在Si面上生長SiO2層，可厚達幾千埃，形成硅-二氧化硅界面。理想表面的特點：在中性懸掛鍵上有一個未成鍵的電子。懸掛鍵還有兩種可能的帶電狀態(tài)：釋放未成鍵的電子成為正電中心，這是施主態(tài)；接受第二個電子成為負電中心，這是受主態(tài)。它們對應的能級在禁帶之中，分別稱為施主和受主能級。Si-SiO2界面的結構的應用：MOS結構中的絕緣介質層、器件有源區(qū)之間場氧化隔離選擇摻雜的掩蔽膜、鈍化保護膜等

二、表面勢表面勢的概念空間電荷區(qū)表面到內(nèi)部另一端，電場從最大逐漸減弱到零，其各點電勢也要發(fā)生變化，這樣表面相對體內(nèi)就產(chǎn)生電勢差，并伴隨能帶彎曲，常稱空間電荷區(qū)兩端的電勢差為表面勢ΨS。MIS結構加正向電壓時，金屬側積累正電荷，半導體表面一層便形成空間負電荷區(qū)。此時，表面勢ΨS是正的，表面電場由外界指向半導體，表面的能帶向下彎曲，此時，表面與體內(nèi)達到了熱平衡，具有共同的費米能級；空間電荷區(qū)中的負電荷恰好與金屬中的正電荷相等。二、表面勢MIS結構加反向電壓時，金屬側積累正電荷，半導體表面一層便形成空間正電荷區(qū)。此時，表面勢ΨS是負的，表面電場由半導體指向外界，表面的能帶向上彎曲。積累耗盡反型P型半導體襯底表面勢ΨsΨs<0ΨF≥Ψs>0Ψs>ΨF>0半導體空間電荷空穴積累空穴耗盡電子積累能帶變化向上彎曲向下彎曲向下彎曲N型半導體襯底表面勢ΨsΨs>0ΨF≦Ψs<0Ψs<ΨF<0半導體空間電荷電子積累電子耗盡空穴積累能帶變化向下彎曲向上彎曲向上彎曲三、MOS結構的電容-電壓特性理想MOS電容的特點：金屬-半導體功函數(shù)差為零；氧化層及界面電荷為零；界面態(tài)為零；半導體體內(nèi)電阻為零；氧化層完全不導電。能帶應是平的；半導體表面處ΨS=0。

理想MOS電容實際就是由一個氧化層電容COX和一個半導體中空間電荷區(qū)電容CS的串聯(lián)結構組成的。

真空介電常數(shù)ε0=8.85×10－12F/m；SiO2的氧化層相對介電系數(shù)εOX為3.9硅的相對介電常數(shù)εS為11.9鍺的相對介電常數(shù)εS為16四、MOS結構的閾值電壓掌握理想與實際閾值電壓的計算（含C、ΨS、Wm、QSC）由P型半導體構成的實際MOS結構

由N型半導體構成的實際MOS結構

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章MOS場效應晶體管的特性

8.1MOSFET的結構和分類MOSFET與雙極型晶體管的優(yōu)缺點對比掌握場效應晶體管的分類

MOS四種類型及各自特點、MOSFET的特征8.2MOSFET的特性曲線（2種曲線及分區(qū)）8.3MOSFET的閾值電壓（略）8.4MOSFET的伏安特性（略）8.5MOSFET的頻率特性掌握跨導與最高振蕩頻率含義及公式8.6MOSFET的開關特性掌握反相器的分類、了解CMOS的工作原理8.7閾值電壓的控制和調整（掌握計算）一、MOSFET的結構和分類簡述雙極型晶體管的工作原理簡述場效應晶體管的工作原理

由一個P-N結注入非平衡少數(shù)載流子，并由另一個P-N結收集而工作的。在這類晶體管中，參加導電的不僅有少數(shù)載流子，也有多數(shù)載流子，故稱為雙極型晶體管。

場效應晶體管（FET）：利用改變垂直于導電溝道的電場強度來控制溝道的導電能力而工作的。在場效應晶體管中，工作電流是由半導體中的多數(shù)載流子所輸運的，因此也稱為單極型晶體管。

一、MOSFET的結構和分類

場效應晶體管的分類第一類：表面場效應管，絕緣柵場效應管（IGFET）第二類：結型場效應管（JFET）第三類：薄膜場效應晶體管（TFT)MOSFET絕緣柵型增強型沒有原始溝道耗盡型有原始溝道N溝道P溝道N溝道P溝道

MOSFET的類型加上一個正的柵壓才能形成N型溝道

加上一個負的柵壓才能形成P型溝道

加上一個負的柵壓才能使N溝道消失

加上一個正的柵壓才能使P溝道消失

一、MOSFET的結構和分類

MOSFET的特征是什么？1．雙邊對稱：在電學性質上源和漏是可以相互交換的。2．單極性：MOS管中參與導電的只有一種載流子（多子）。3．高輸入阻抗：MOSFET的直流輸入阻抗可以大于1014歐。4．電壓控制：由輸入電壓VGS控制輸出電流ID。且輸入功率非常低有較高的扇出能力。5．自隔離：一個MOS晶體管的漏，由于背靠背二極管的作用，自然地與其他晶體管的漏或源隔離。二、MOSFET的特征曲線

MOSFET電壓極性關系結構種類N溝道MOSFETP溝道MOSFET工作方式增強型耗盡型增強型耗盡型符號電壓極性uDSuDS>0uDS>0uDS<0uDS<0uGSuGS>0可正（溝道變寬）可負（溝道變窄）uGS<0可正（溝道變窄）可負（溝道變寬）閾值電壓VT>0VP<0VT<0VP>0

MOSFET的臨界夾斷狀態(tài)的電壓條件為：飽和工作區(qū)特點：溝道夾斷點從漏端向源端移動，漏－源電流基本上達到飽和值IDSS。當MOS晶體管工作在飽和區(qū)時，將工作電流IDSS與輸入電壓VGS之間的關系曲線稱為轉移特性曲線。二、MOSFET的特征曲線ⅠⅡⅢVGS-VDS=VT左圖為什么MOSFET的轉移特性曲線？二、MOSFET的特征曲線溝道長度調變效應在飽和工作區(qū)中，當溝道長度L不滿足遠大于夾斷區(qū)段長度(短溝道)時，VDS增大，溝道長度將減小，IDSS將隨之增加，漏－源飽和電流隨溝道長度的減小而增大的效應稱為溝道長度調變效應。它與雙極型晶體管中的基區(qū)寬度調變效應相當。漏－源擊穿電壓BVDS可由兩種不同的擊穿機理決定：漏極電壓VDS增大時，漏結耗盡區(qū)增大，使溝道有效長度縮短。當溝道表面漏結耗盡區(qū)的寬度LS擴展到等于溝道長度L時，漏結耗盡區(qū)增大到源極，就發(fā)生漏－源之間的直接穿通。

漏區(qū)與襯底之間P-N結的雪崩擊穿；漏和源之間的穿通。

三、MOSFET的頻率特性跨導gm表征在漏－源電壓VDS不變的情況下，漏電流IDS隨著柵電壓VGS變化而變化的程度，標志了MOSFET的電壓放大本領。單位：西門子（S）。線性工作區(qū)：跨導與VDS成正比

飽和工作區(qū)：在不考慮溝道長度調制效應的情況下，跨導與VDS無關。提高跨導的方法

（1）改進管子的結構提高β：增大溝道的寬長比；減薄氧化層厚度從而增大單位面積二氧化硅的電容；減小溝道載流子的濃度以提高溝道內(nèi)載流子的遷移率。（2）在飽和區(qū)時，可通過適當增加VGS來提高跨導。

四、MOSFET的開關特性倒相器也稱為反相器，由反相管（倒相管）和負載兩部分組成。反相管通常用N溝增強管。

E/R反相器為無源負載即用電阻作負載。有源負載又可分為多種不同的MOSFET，常見有E/E反相器（用N溝增強管作負載）CMOS反相器（用P溝增強管作負載）E/D反相器（用N溝耗盡管作負載）。四、MOSFET的開關特性

CMOS結構

CMOS倒相器的特點在同一N型襯底上同時制造P溝MOS管（負載管）和N溝MOS管（倒相管），N溝MOS管制作在P阱內(nèi)。在導通和截止兩種狀態(tài)時，始終只有一個管子導通，只有很小的漏電流通過，所以CMOS倒相器的功耗很小，且開關時間短。

四、MOSFET的開關特性

CMOS倒相器的工作原理當輸入脈沖為零(低電平)時

CMOS倒相器處于截止狀態(tài)。倒相管NMOS增強型管的VGS=0，處于截止狀態(tài)。負載管PMOS增強型管的VGS<0，處于導通狀態(tài)。這時，輸出電壓VD≈VDD，為高電平。當輸入正脈沖VGS≈VDD

（高電平）時

CMOS倒相器處于導通狀態(tài)。倒相管NMOS的VGS>0,處于充分導通的狀態(tài)。負載管PMOS的VGS≈0，處于故處于截止狀態(tài)。這時，輸出電壓VD≈0，為低電平。五、閾值電壓VT的控制和調整通過半導體表面處注入離子來調整和控制閾值電壓的計算注入硼離子造成的平帶電壓漂移類似于固定正電荷，其量為：，F(xiàn)B為注入的硼劑量，所以閾值電壓由VT增加到VT’注入磷離子造成的平帶電壓漂移量為：第

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章MOS功率場效應晶體管

9.1用作功率放大和開關的MOS功率場效應晶體管（略）9.2MOS功率場效應晶體管的結構（分類）9.3DMOS晶體管的擊穿電壓（略）9.4DMOS晶體管的二次擊穿（略）9.5溫度對MOS晶體管特性的影響（略）MOS功率FET的結構MOS功率FET具有兩種基本結構：二維結構和三維結構。