半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)

半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)第1頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices場(chǎng)效應(yīng)晶體管，利用改變垂直于導(dǎo)電溝道的電場(chǎng)控制溝道的導(dǎo)電能力，并實(shí)現(xiàn)放大作用第2頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices場(chǎng)效應(yīng)晶體管管的工作電流由導(dǎo)體中單種多數(shù)載流子輸運(yùn)，因此又稱為

單極型晶體管

(UnipolarTransistor

)第3頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices按結(jié)構(gòu)及工藝特點(diǎn)場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般可分成三類：第一類是表面場(chǎng)效應(yīng)管，通常采取絕緣柵的形式，稱為絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管

(IGFET)。第4頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices若半導(dǎo)體襯底與金屬柵間的絕緣介質(zhì)層是Si02，即

“金屬-氧化物-半導(dǎo)體”

(MOS)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它是最重要的一種絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管；第5頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices第二類是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

(JFET)，一種采用

pn結(jié)勢(shì)壘控制器件導(dǎo)電能力的場(chǎng)效應(yīng)晶體管;第6頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesN型襯底

P型柵區(qū)

P型柵區(qū)

柵極

柵極

源極

漏極

耗盡區(qū)耗盡區(qū)第7頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices第三類是薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管(TFT)，結(jié)構(gòu)及原理與IGFET相似。TFT

采用蒸發(fā)工藝將半導(dǎo)體、絕緣體和金屬薄膜蒸發(fā)在絕緣襯底上構(gòu)成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。第8頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices效應(yīng)晶體管與雙極型晶體管相比有下述優(yōu)點(diǎn)：(1)輸入阻抗高達(dá)

109一1015Ω(2)噪聲系數(shù)小第9頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices

(3)功耗小．可制造高集成度半導(dǎo)體的集成電路；

(4)溫度穩(wěn)定性好．多子器件，電學(xué)參數(shù)不隨溫度變化；

(5)抗輻射能力強(qiáng)等。第10頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的

結(jié)構(gòu)

StructureofMOSFETMOS

場(chǎng)效應(yīng)管的襯底材料可以是n

型半導(dǎo)體也可以是p

型半導(dǎo)體。第11頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices

p型襯底制成的器件，漏-源區(qū)是

n型，稱n

溝MOS場(chǎng)效應(yīng)管。

n

型襯底材料制成的器件，漏-源區(qū)是

p型，稱p

溝MOS場(chǎng)效應(yīng)管；第12頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices

p

溝MOS場(chǎng)效應(yīng)管的工藝流程如下：第13頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices

（1）一次氧化：取電阻率為5-10Ω·cm的n型硅，按(100)

面進(jìn)行切割、研磨、拋光、清洗．然后用熱氧化法生長(zhǎng)一層5000?

以上的一次氧化層，如圖（a）；第14頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices（2）漏-源擴(kuò)散：將一次氧化后的片子進(jìn)行光刻，刻出漏-源區(qū)后進(jìn)行硼擴(kuò)散，形成兩個(gè)p+

區(qū)，分別稱為源(S)

區(qū)和漏(D)

區(qū)，如圖（b）；第15頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices

(3)

光刻?hào)艆^(qū)：刻去硅片上源和漏之間的氧化層，留出柵區(qū)，如圖（

c）；第16頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices

(4)

柵氧化：在干氧氣氛中生長(zhǎng)厚度1500–2000?

的優(yōu)質(zhì)氧化層。這是制作MOS

管最關(guān)鍵的一項(xiàng)工藝，柵氧化后的結(jié)構(gòu)如圖（d）：第17頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices

(5)

光刻引線孔、蒸鋁、反刻、合金化，如圖（e）

及（f）；上述步驟總共用了四次光刻、一次擴(kuò)級(jí)、一次蒸發(fā)第18頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices采用p型襯底材料，制作

n溝MOS

場(chǎng)效應(yīng)管，工藝流程與制作p溝管基本相同。第19頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices第20頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesN型襯底P型源區(qū)

P型漏區(qū)

第21頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesp溝MOS

場(chǎng)效應(yīng)管的示意第22頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesM0S

場(chǎng)效應(yīng)管的類型

ClassificationofMOSFET

p

溝增強(qiáng)型襯底材料為n

型源區(qū)和漏區(qū)均為p+

型導(dǎo)電溝道為p型第23頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices柵極電壓為零時(shí)，n

型半導(dǎo)體表面由于Si-Si02

界面正電荷的作用而處于積累狀態(tài)，不存在導(dǎo)電溝道。第24頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices柵極施加一定負(fù)偏壓，且達(dá)到UT

值時(shí)，才形成

p型溝道。柵極負(fù)偏壓增大，溝通導(dǎo)電能力隨之增強(qiáng)，因此稱為

p

溝增強(qiáng)型管。第25頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesP溝耗盡型如果p溝MOS

管柵極電壓UGS＝0

時(shí)已經(jīng)存在

p型導(dǎo)電溝道，原始反型溝道因n型半導(dǎo)體表面耗盡而形成，所以稱為p

溝耗盡型管。第26頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices

UGS

等于

UP時(shí)，表面導(dǎo)電溝道消失，通常稱UP為夾斷電壓或截止電壓，顯然，UP＞0。第27頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices

p溝增強(qiáng)型管的開啟電壓

(負(fù)值)和p

溝耗盡型管的夾斷電壓

(正值)

統(tǒng)稱為閾值電壓。第28頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesn型

Si(B)p+p+p+p+p溝增強(qiáng)型p溝耗盡型SDGBSDGBSGDSGD第29頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices

n

溝增強(qiáng)型襯底材料為

p型源區(qū)和漏區(qū)均為n+型導(dǎo)電溝道為n

型第30頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices柵極電壓為零時(shí)，由于氧化層中正電荷的作用，半導(dǎo)體表面耗盡但未形成導(dǎo)電溝道。

UGS＝UT

時(shí)表面強(qiáng)反型，形成

n型溝道。第31頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices此時(shí)加在柵極上的電壓UT即n

溝增強(qiáng)型MOS

管的開啟電壓，UT＞0。第32頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices

n

溝耗盡型如p型襯底濃度較低氧化層中正電荷密度較大柵下硅表面可能在UGS＝0

時(shí)就已滿足強(qiáng)反型條件，并形成

n型導(dǎo)電溝導(dǎo)。第33頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices這種MOS

管稱為

n

溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管。柵電極如施加負(fù)壓，抵消氧化層中正電荷的作用,表面能帶下彎程度減小，可從強(qiáng)反型轉(zhuǎn)為反型，甚至為耗盡。第34頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices同樣定義使原始

n型表面溝道消失所需的柵極電壓為夾斷電壓

UP。不過n溝耗盡型MOS

管的UP是負(fù)值。第35頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices

UT與

UP統(tǒng)稱為n溝管的閾值電壓。圖示分別為n溝MOS

管的示意圖和電路符號(hào)。第36頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesp型

Si(B)n+n+n+n+n溝增強(qiáng)型n溝耗盡型SGDSGDSDGBSDGB第37頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices如在n

型襯底材料上不僅制作

p

溝MOS管，而且同時(shí)制作n

溝MOS管(n

溝MOS

管制作在p

阱內(nèi))，就構(gòu)成了所謂的CMOS（CompensatoryMOS）。第38頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesCMOS的結(jié)構(gòu)示意p型

Si(B)

n

nnp

pGGSSDDUCCUinUoutGndn-MOSp-MOS第39頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesCMOS

的符號(hào)圖UCCUinUoutGnd第40頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesCMOS

工藝

CMOSTechnology

n

阱CMOS

主要制造步驟第41頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices

1,

注入和擴(kuò)散N

阱p-SubstratephotoresistphotoresistSiO2nWellimplant第42頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices2，淀積薄二氧化硅和氮化硅

定義場(chǎng)氧化和柵區(qū)Si3N4SiO2p-SubstratenWell第43頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices3，

n型場(chǎng)（溝道終止）注入

增加厚氧化MOS

器件的有效閾值電壓|UTH|

(實(shí)際增強(qiáng)型)PadSiO2p-Substraten-WellSi3N4Si3N4Photo-resistPhoto-resistnfieldimplant第44頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices4，

p型場(chǎng)（溝道終止）注入

增加厚氧化

MOS

器件的有效閾值電壓pfieldimplantPhoto-resistp-Substraten-WellSi3N4Si3N4第45頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices5,

生長(zhǎng)場(chǎng)氧化層p-Substraten-WellSi3N4Si3N4FOX第46頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices6，生長(zhǎng)薄氧化層及淀積多晶硅p-Substraten-WellFOXPolysilicon第47頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices7，去除多晶硅并形成漏輕摻雜（LDD）間距p-Substraten-WellFOXSiO2SpacerPolysilicon第48頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices8，N

溝MOS的漏、源注入和

n

型材料的接觸區(qū)Photo-resistn+S/Dimplantp-Substraten-WellFOX第49頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices9，去除間距進(jìn)行N

溝MOS

的輕摻雜漏注入nS/DLDDimplantPhoto-resistp-Substraten-WellFOX第50頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices10，P溝MOS

的漏、源注入Photo-resistp-Substraten-WellFOXpS/DLDDimplant第51頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices11，去除光刻膠構(gòu)成的MOS

器件PolysiliconSiO2p-Substraten-WellFOX第52頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices12，進(jìn)行退火處理激活注入離子nDiffusionpDiffusionPolysiliconp-Substraten-WellFOX第53頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices13，淀積厚氧化層（BPSG–Borophosphosilicateglass）

BPSGp-Substraten-WellFOX第54頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices14，開出接觸窗孔，淀積第一層金屬并且腐蝕掉不需要的金屬M(fèi)etal1p-Substraten-WellFOX第55頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices15，淀積中間介質(zhì)（CVDSiO2），開出過孔，淀積第二層金屬M(fèi)etal2CVDSiO2p-Substraten-WellFOX第56頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesp-Substraten-WellFOX16，腐蝕掉不需要的金屬，淀積鈍化層并開出壓焊區(qū)窗孔Passivationprotectionlayer第57頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices第58頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesMOS場(chǎng)效應(yīng)管的特征

CharacteristicsofMOSFET各種MOS

場(chǎng)效應(yīng)管都有如下共同特征：第59頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices

(1)

雙邊對(duì)稱電學(xué)性質(zhì)上MOS

場(chǎng)效應(yīng)管的源和漏可以相互交換，器件特性不受影響；

(2)

單極性

MOS

晶體管中只有一種類型的載流子參與導(dǎo)電；第60頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices

(3)

輸入阻抗高柵-源及柵-漏之間不存在電流通道，輸入阻抗非常高。通常直流輸入阻抗可大于1014Ω。第61頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices

(4)

電壓控制

MOS場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制的器件，與高輸入阻抗特性一起考慮時(shí)，則為一種輸入功率非常低的器件。第62頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices

(5)

自隔離MOS

晶體管的漏或源由于是背靠背的二極管，自然地與其他晶體管的漏或源隔離，這樣就省掉了雙極型工藝中的隔離工藝。第63頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices采用特性曲線是討論晶體管特性的通常方法。

MOS

場(chǎng)效應(yīng)晶體管可引入輸出特性及轉(zhuǎn)移特性曲線來描述。第64頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesMOS

場(chǎng)效應(yīng)管

的輸出和輸入特性曲線

OutputandInputChararcterisrics

forMOSFET第65頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices場(chǎng)效應(yīng)管以柵極電壓作為參變量，漏-源電流IDS

與漏-源電壓UDS

之間的關(guān)系曲線即輸出特性曲線下面以

n溝道增強(qiáng)型MOS

場(chǎng)效應(yīng)管為例來討論第66頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesp-substraten+n+draingatesourcebulk(substrate)第67頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesUB=0US=0UG<UTUD≥0第68頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices第69頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices假定半導(dǎo)體表面電位恒定不變，即漏-源電壓為零據(jù)此可知，感應(yīng)的反型電荷與柵電壓正比，而且反型電荷沿溝道的分布為常值。第70頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices若漏端施加正電壓U，則溝道電壓將以某種方式從源端的零值增加到漏端的U值。顯然，溝道中產(chǎn)生感應(yīng)反型層的有效凈電壓，越接近漏端，減小得越多。第71頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesp-substraten+n+draingatesourcebulk(substrate)第72頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices溝道電荷密度具有下述形式：Qn為溝道y處的電子電荷，Cox

=εox/tox

，

U(y)為y處的溝道電位。第73頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices

1.可調(diào)電阻區(qū)又稱線性工作區(qū)或三極管工作區(qū)。漏-源電壓UDS

相對(duì)于柵極電壓較小，但源和漏之間已存在連續(xù)的n型溝道。第74頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices根據(jù)溝道電荷密度的表式可以發(fā)現(xiàn)且某特定U(y)電壓下溝道電荷密度必在漏短先為零。第75頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices因此，可定義條件為線性工作區(qū)的邊界條件第76頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices考慮到電流與運(yùn)動(dòng)電荷的速度以及電荷大小的乘積成正比，所以有式中

W為器件的寬度。第77頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices代入溝道電荷密度的表式：注意到電場(chǎng)E

即電壓沿溝道方向的負(fù)梯度，因此第78頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices故沿溝道積分，解得第79頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices漏-源電壓很小時(shí)，不難看出，漏電流基本上與漏-源電壓保持線性關(guān)系。在該狀態(tài)下工作的器件，特性猶如壓控電阻（voltage-controlledresistor）。第80頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices也就是說，器件溝道區(qū)呈現(xiàn)電阻特性，電流IDS

與UDS基本上是類似與真空三極管的線性關(guān)系，且UGS

越大，溝道電阻越小，此即可調(diào)電阻區(qū)名稱的由來。第81頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesUB=0US=0UG>UT0≤UD≤UG-UT第82頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices漏電壓增大至UDS＞UGS-UT反型層將無(wú)法擴(kuò)展至整個(gè)從源到漏的溝道區(qū)，稱為溝道夾斷（pinchedoff

）。2．飽和工作區(qū)第83頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesp-substraten+n+draingatesourcebulk(substrate)第84頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices簡(jiǎn)化為溝道一旦夾斷，溝道中的電荷便不再變化，于是漏電流亦保持不變：第85頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices漏電流不隨漏電壓的改變而變化，稱為漏電流飽和狀態(tài)稱為飽和工作區(qū)。UB=0US=0UG>UTUD≥UG-UT第86頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices容易求得器件工作在飽和區(qū)時(shí)的跨導(dǎo)gm為或第87頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices3．雪崩擊穿區(qū)當(dāng)UDS

超過漏與襯底間結(jié)的擊穿電壓時(shí)，電流不必通過漏和源間的溝道，直接由漏經(jīng)襯底到達(dá)源，IDS

迅速增大，器件進(jìn)入雪崩擊穿區(qū)。第88頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices雪崩擊穿區(qū)飽和工作區(qū)線性工作區(qū)IDUDS0第89頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices

n

溝道耗盡型

p溝道增強(qiáng)型

p溝道耗盡型MOS

場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線，可用類似的方法討論。第90頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesIDUDS0Ugs=0n

溝增強(qiáng)型IDUDS0Ugs=0n

溝耗盡型-ID-UDS0p溝增強(qiáng)型Ugs=0-ID-UDS0Ugs=0p溝耗盡型第91頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices輸入特性曲線

InputChararcterisrics第92頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices

MOS

場(chǎng)效應(yīng)管的輸入特性曲線又稱轉(zhuǎn)移特性曲線

MOS

場(chǎng)效應(yīng)晶體管是一種利用柵源之間的電壓控制輸出電流的壓控制器件。第93頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices

MOS晶體管工作在飽和區(qū)時(shí)的電流為IDSS，UGS

不同，IDSS也不同。

IDSS

與UGS

的關(guān)系曲線稱為轉(zhuǎn)移特性曲線。第94頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesUGSUTIDSS0n溝增強(qiáng)型MOSFET

的轉(zhuǎn)移特性曲線第95頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesUGSUPIDSS0n溝耗盡型

MOSFET

的轉(zhuǎn)移特性曲線第96頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesUGSUTIDSS0p溝增強(qiáng)型MOSFET

的轉(zhuǎn)移特性曲線第97頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesUGSIDSS0UPp溝耗盡型

MOSFET

的轉(zhuǎn)移特性曲線第98頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的

閾值電壓

ThresholdVoltage

ofMOSFET

n溝增強(qiáng)型MOSFET

的閾值電壓也就是器件溝道的開啟電壓，由下式?jīng)Q定：第99頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices第100頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices增強(qiáng)型管，UT＞0，顯然應(yīng)有第101頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices

n

溝耗盡型MOSFET

的閾值電壓UT<0，說明柵極電壓為零，表面溝道已經(jīng)存在，因此，開啟電壓實(shí)際上就是夾斷電壓，通常用

UP

表示第102頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesUP＜0，即當(dāng)UGS＝-│UP│時(shí)器件就能開啟，柵極電壓再負(fù)很些，溝道截止。第103頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesp

溝增強(qiáng)型管的閾值電壓UT

為第104頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesp

溝道耗盡型MOSFET

的閾值電壓UT

仍由上式得到，不過要求

UT＞0就是說，柵極電壓為零時(shí)p型溝道早已形成，第105頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices這時(shí)的開啟電壓實(shí)質(zhì)上是夾斷電壓UP。當(dāng)柵極施加的正電壓大于UP

時(shí)，溝道全部截止。第106頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices需要說明的是，上面的表式只適用于長(zhǎng)溝道MOS

場(chǎng)效應(yīng)管。溝道長(zhǎng)度較短時(shí)，須考慮短溝道效應(yīng)，管子的閾值電壓會(huì)隨溝道長(zhǎng)度的減小而減小。第107頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices溝道長(zhǎng)度調(diào)變

Channel-LengthModulation曾經(jīng)定義飽和工作區(qū)的漏電流不隨漏電壓的改變而變化。第108頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices實(shí)際上，繼續(xù)增加UDS，溝道夾斷點(diǎn)將向源端移動(dòng)，漏端出現(xiàn)耗盡區(qū)。第109頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevicesp-substrateUGSUDSLLSn+n+第110頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices由單邊突變結(jié)耗盡區(qū)寬度的公式可得漏端耗盡區(qū)隨

UDS

增大而不斷變化的關(guān)系：第111頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices漏-源飽和電流隨溝道長(zhǎng)度減小明顯增加。實(shí)際溝道長(zhǎng)度減小為第112頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistorsFundamentalofSemiconductorDevices漏-源飽和電流隨溝道長(zhǎng)度變化而變化的效應(yīng)稱溝道長(zhǎng)度調(diào)變效應(yīng)。MOS管的溝道長(zhǎng)度調(diào)變效應(yīng)類似于雙極型管基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)，結(jié)果都使增益變大，輸出阻抗變小。第113頁(yè)，課件共189頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Chapter4Metal–Oxide-SemiconductorFieldEf