引言晶體管按工作原理分類:第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管1.雙極型晶體管2.場效應(yīng)晶體管(Fieldeffecttransistor:FET)*20世紀(jì)三十年代:利林費(fèi)爾德-場效應(yīng)思想.*1962年前后:Si平面工藝和外延技術(shù)發(fā)展;表面態(tài)密度大大降低.FET按結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)來劃分

1.結(jié)型柵場效應(yīng)晶體管(JFET)2.肖特基勢壘柵場效應(yīng)晶體管(MESFET)3.絕緣柵場效應(yīng)晶體管(IGFET)

與雙極型晶體管相比,FET的優(yōu)點(diǎn):

1.輸入阻抗高;2.噪聲系數(shù)小;3.功耗小;4.溫度穩(wěn)定性好;5.抗輻射能力強(qiáng)蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)和分類1)結(jié)構(gòu)第一節(jié)MOSFET的基本特性2)

工作原理蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院3)

輸出特性(1)OA段:線性區(qū),VGS決定溝道電阻*集成電路中的都是橫向MOSFET,即溝道電流是水平方向流動(dòng);分立器件中有的溝道電流是垂直方向流動(dòng)的,稱為縱向MOSFET.第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性(2)AB段:過渡區(qū),溝道壓降影響溝道電阻(3)BC段:飽和區(qū),VDS>VDsat,之后溝道有效長度隨VDS增大而縮短,稱為有效溝道長度調(diào)變效應(yīng).(4)CD段:擊穿區(qū),VDS≥BVDS非飽和區(qū)4)MOSFET類型*N溝道增強(qiáng)型、耗盡型,P溝道增強(qiáng)型、耗盡型蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院又稱開啟電壓,是使柵下的襯底表面開始發(fā)生強(qiáng)反型時(shí)的柵極電壓,記為VT。第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基礎(chǔ)MOSFET的閾值電壓1)MOS結(jié)構(gòu)的閾電壓(1)功函數(shù)Wm=E0–(EF)mWmE0(EF)mWs=E0–(EF)sWsE0(EF)sECEV蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院①金半功函數(shù)差為零;②柵氧化層內(nèi)有效電荷面密度為零;③柵氧化層與半導(dǎo)體界面處不存在界面態(tài)。第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基礎(chǔ)(2)理想MOS結(jié)構(gòu)蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院（3）實(shí)際MOS結(jié)構(gòu)第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基礎(chǔ)通常有,類同VG>0,使半導(dǎo)體一側(cè)帶負(fù)電荷,能帶在表面向下彎曲,數(shù)量為:定義:從表面到體內(nèi)平衡處的電勢差,為表面勢

,即

有效柵極電壓（VG-VFB）一部分降在柵氧化層上，即，另一部分降在半導(dǎo)體上，即.剛發(fā)生強(qiáng)反型時(shí),柵極電壓VG即閾電壓VT:（4）實(shí)際MOS結(jié)構(gòu)的閾電壓VT耗盡區(qū)中電離受主電荷面密度反型層電荷面密度蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院2)MOSFET的閾電壓（1）有效柵極電壓為（2）（3）強(qiáng)反型時(shí)表面勢，增為（4）強(qiáng)反型時(shí)溝道下耗盡區(qū)厚度則耗盡區(qū)中電離受主電荷面密度第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基礎(chǔ)蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院3）影響VT

的幾個(gè)因素（1）柵電容（2）襯底費(fèi)米勢

（3）金－半功函數(shù)差令稱為P型襯底體因子第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基礎(chǔ)一般器件摻雜范圍內(nèi),摻雜影響最大的是QA,故可以通過摻雜對QA的影響來改變VT.強(qiáng)反型后（4）襯底雜質(zhì)濃度N（5）柵氧化層中Qox影響Qox的因素:①制造工藝②晶面③氧化以后的工藝P增MOSFET易制作,是因柵氧化層中的正電荷,使n型表面在柵極電壓為零時(shí)總不能變成p型導(dǎo)電溝道.蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院襯底偏置效應(yīng)(體效應(yīng)):襯底與源極之間外加襯底偏壓VBS后,MOSFET的特性將發(fā)生變化.第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基礎(chǔ)（6）襯底偏置電壓的影響空間電荷面密度隨偏壓增大而增大.物理意義蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院MOSFET的伏安特性假設(shè)：①溝道內(nèi)壓降忽略不計(jì)②擴(kuò)散電流忽略不計(jì)③溝道內(nèi)μ＝c④緩變溝道近似⑤強(qiáng)反型近似⑥柵氧化層內(nèi)有效電荷面密度為常數(shù)第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性1)非飽和區(qū)（1）漏電流的一般表達(dá)式忽略擴(kuò)散電流，則溝道內(nèi)電子電流密度為---溝道電子電荷面密度蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院（2）溝道電子電荷面密度Qn與漏電流第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性襯底表面強(qiáng)反型后,溝道電子的屏蔽使VG增加部分幾乎全落在柵氧化層上,半導(dǎo)體中能帶彎曲程度不再增大,表面勢和耗盡區(qū)寬都不再變化.---MOSFET增益因子蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院對于p－MOSFET:飽和漏極電壓第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性飽和漏極電流2）飽和區(qū)ID近似不變,但略有增加。蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院（1）有效溝道長度調(diào)制效應(yīng)：VDS>VDsat,溝道有效長度隨VDS增大而縮短的現(xiàn)象。第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性VDS=VDsat時(shí),V(L)=VDsat,夾斷點(diǎn)電勢VDsat,溝道壓降也是VDsat夾斷點(diǎn)處柵溝電壓為VGS-VDsat=VT。VDS>VDsat時(shí),溝道中各點(diǎn)電勢均上升,V(y)=VDsat位置左移,夾斷點(diǎn)左移,有效溝道壓降不變VDsat=VGS-VT,夾斷點(diǎn)處柵溝電壓為VGS-VDsat=VT。溝道長度調(diào)制量：蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院襯底低摻雜時(shí)，漏－襯耗盡層隨VDS增大而展寬很快，寬度可與溝道長相比擬，這時(shí)，起始于漏區(qū)的電力線不再全部終止于擴(kuò)展到襯底中的耗盡層空間電荷上，即有一大部分穿過耗盡區(qū)終止于溝道區(qū)的可動(dòng)電荷上，靜電耦合。（2）漏區(qū)靜電場對溝道區(qū)的反饋?zhàn)饔靡r底中等摻雜以上時(shí)，漏電流不飽和的主要原因是有效溝道調(diào)制效應(yīng)。襯底低摻雜時(shí)，以漏區(qū)－溝道耦合作用為主。第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性漏-溝間存在耦合電容,使單位面積溝道區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的平均電荷密度的增量為:3)

亞閾區(qū)VGS≤VT,ID≠0本征電壓Vi：外加?xùn)旁措妷菏拱雽?dǎo)體表面附近能帶下彎時(shí)，半導(dǎo)體表面處于本征狀態(tài)，這時(shí)柵源電壓稱本征電壓。蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院亞閾漏電流、次開啟電流IDsub：表面處于弱反型狀態(tài)，表面電子濃度介于本征載流子濃度ni和襯底平衡多子濃度nA

之間，有VDS時(shí)有很小的ID。第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性此時(shí)IDsub主要由溝道擴(kuò)散電流引起，忽略漂移電流。蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性4）擊穿區(qū)VDS超過一定值時(shí)，IDS迅速上升,稱漏源擊穿.此時(shí)為漏源擊穿電壓BVDS。(1)之一--漏極雪崩擊穿：源襯相連時(shí)，VDS對漏pn結(jié)呈反向電壓，VDS增加到一定程度時(shí)漏pn結(jié)會(huì)雪崩擊穿。實(shí)際漏結(jié)擊穿電壓比理論值要低,是由于金屬柵極引起的附加電場的影響。實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)襯底電阻率較大時(shí),漏結(jié)擊穿電壓不再與襯底材料摻雜濃度有關(guān),而主要由柵極電壓的極性、大小和柵氧化層的厚度所決定。亞閾區(qū)柵源電壓擺幅S:表征亞閾區(qū)中VGS對IDsub的控制能力.蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院之二--漏源穿通擊穿電壓（VPT）L較短，較高時(shí)，漏襯間尚未雪崩擊穿，但漏pn結(jié)耗盡區(qū)已擴(kuò)展到與源區(qū)相連，稱漏源擊穿（VPT），VDS繼續(xù)，源pn結(jié)正偏，大量電子進(jìn)入溝道，被強(qiáng)電場掃入漏區(qū)，形成較大的ID。一維狀態(tài)：類同雙極型管基區(qū)穿通，但那里NB>NC，不易基區(qū)穿通，這里反之。

（2）柵源擊穿電壓BVGS取決于柵氧化層和溫度

VGS超過一定值（BVGS）時(shí)，柵氧化層擊穿，柵襯短路，造成永久性損壞。氧化層擊穿的臨界電場:時(shí)，EB與TOX無關(guān)，BVGS與TOX成正比。MOS電容的兩個(gè)特點(diǎn)：一.絕緣電阻非常高；二.電容量很小。第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院MOSFET直流參數(shù)與溫度特性1）閾值電壓VT第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性(3)

在-55~125時(shí)，VT與T成線性關(guān)系(2)VBS的引入使減小(1)蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院2）飽和漏極電流IDSS

對于耗盡型MOSFET，VGS=0（導(dǎo)通），VDS足夠大時(shí)的漏電流飽和值稱為飽和漏極電流IDSS。截止漏電流--增強(qiáng)型MOSFET，VGS=0，VDS≠0時(shí)，pn結(jié)反向飽和電流ID≠0,這個(gè)電流叫截止漏電流。第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性N-MOSFET在非飽和區(qū):<0---(VGS-VT)(1)較小時(shí),有正的溫度系數(shù);(2)較大時(shí)有負(fù)的溫度系數(shù);(3)適當(dāng)?shù)墓ぷ鳁l件使溫度系數(shù)為零.蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院3）通導(dǎo)電阻Ron當(dāng)MOSFET工作在非飽和區(qū)且VDS很小時(shí)，輸出特性曲線是直線，漏源電壓VDS與漏極電流ID的比值稱為通導(dǎo)電阻Ron

。4）柵極電流IG定義：在外加電壓的作用下，流過柵極與溝道之間的電流。IG很小，通常小于10-14A

，所以MOSFET有很高的輸入電阻。第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院MOSFET的交流小信號參數(shù)1）跨導(dǎo)gm

——漏源電壓VDS一定時(shí)，漏電流的微分增量與柵源電壓微分增量之比。它表示VGS對ID的控制能力，是MOSFET轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率。標(biāo)志電壓放大能力.非飽和區(qū)：飽和區(qū)：（與VDS無關(guān)）為提高飽和區(qū)跨導(dǎo)----從電路使用角度和器件設(shè)計(jì)角度考慮。第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性2）漏源電導(dǎo)gds漏源電導(dǎo)是MOSFET的輸出特性曲線的斜率，它反映了MOSFET的漏極電流ID隨漏源電壓VDS的變化而變化的情況。

蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院以N溝道MOSFET為例---非飽和區(qū)的漏源電導(dǎo)為：當(dāng)VDS=VDsat

時(shí)：(1)有效溝道長度調(diào)制效應(yīng)對的影響：當(dāng)溝道長度L較短時(shí)，溝道長度調(diào)制效應(yīng)較顯著，這時(shí)飽和區(qū)漏源電導(dǎo)將很大。第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性(2)漏區(qū)靜電場對溝道區(qū)的反饋?zhàn)饔脤Φ挠绊懀禾K州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院3）電壓放大系數(shù)定義：以N溝道為例，在非飽和區(qū)：取全微分，得令上式為零，得第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性MOSFET的頻率特性1）本征電容Cgs和Cgd定義柵極電容CG：P-襯底N+N+①②柵、源對交流短路的情況下：柵漏電容Ｃgd:蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院推導(dǎo)Cgs和Cds的表達(dá)式采用準(zhǔn)靜態(tài)近似法柵、源對交流短路的情況下：柵源電容Ｃgs:當(dāng)VDS=0時(shí)第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性物理意義:當(dāng)VGS>VT后，源漏區(qū)之間的半導(dǎo)體表面將形成溝道。如果VGS增加電子將由源區(qū)流入溝道，使溝道內(nèi)的電子電荷增加?？砂堰@一過程看做是通過電阻對柵極與溝道間電容的充電。當(dāng)飽和時(shí),CG=2ZLCOX/3,Cgd=0,Cgs=2ZLCOX/3蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院2）寄生參數(shù)N+N+SDGCgs’Cgd’版圖設(shè)計(jì)時(shí)須使金屬柵極與源漏區(qū)有重疊、防套刻偏差，形成寄生電容Cgs’，Cgd’。第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性RsGCgs’CgsCgd’Rgs

Cds’RDSMOSFET中的主要參數(shù)RS和RD分別代表源漏極的寄生串聯(lián)電阻。均有三部分組成：①金屬與源、漏區(qū)的接觸電阻；②源、漏區(qū)的體電阻；③當(dāng)電流從源、漏區(qū)流向較薄的反型層時(shí)，與電流流動(dòng)路線的聚集有關(guān)的電阻，即“擴(kuò)展電阻”效應(yīng)。蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院3）頻率特性MOS中的電容、載流子渡越溝道時(shí)間，這些使MOSFET存在頻率使用限制。第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性(1)跨導(dǎo)截止頻率VgsigCgs’CgsRgsC’gd+CgdrdsRLidMOSFET線性放大器的基本電路低頻時(shí):?VGS使Cgs兩端感應(yīng)出符號相反的電荷,使溝道電荷隨柵壓改變,產(chǎn)生?I。高頻時(shí):蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院

下降到低頻值頻率的

時(shí)的頻率。第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性跨導(dǎo)截止頻率（2）最高工作頻率柵極電流的小信號高頻分量為：設(shè),則輸入阻抗為輸入電容為：密勒效應(yīng)：在放大電路中，電容等效到輸入端時(shí)擴(kuò)大到倍的現(xiàn)象。蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院最高工作頻率定義：輸入電流上升到正好等于電壓控制電流源時(shí)的頻率為MOSFET的截止頻率，表示為fT（）。第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性（3）改善頻率特性的方法③減小寄生電容Cgs’、Cgd’,由于密勒效應(yīng)的存在，尤其減小Cgd’。①選用高遷移率襯底材料，選用提高溝道遷移的結(jié)構(gòu)（100）方向。②縮小溝道長度L，提高VGS最大功率增益與最高振蕩頻率蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管第二節(jié)短溝道效應(yīng)短溝道效應(yīng):溝道長小到可以和漏結(jié)﹑源結(jié)耗盡層寬相比擬時(shí),閾電壓下降﹑跨導(dǎo)下降﹑溝道夾不斷Poon-yan模型—電荷分享模型L很小時(shí),終止于柵下空間電荷區(qū)的電力線將有一部分發(fā)自于源和漏區(qū)。溝道耗盡區(qū)總電荷受柵極控制的受源漏區(qū)控制的閾電壓的變化—1)短溝道效應(yīng)長溝道時(shí):蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管--2.短溝道效應(yīng)減輕閾電壓溝道效應(yīng)的措施:①結(jié)深②柵氧化層厚③襯底摻雜對閾電壓有貢獻(xiàn)的溝道耗盡區(qū)電離受主電荷面密度平均值:則VS=0,VB=0時(shí):蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管2)窄溝道效應(yīng)MOSFET溝道寬度Z很小時(shí),閾電壓VT隨Z的減小而增大。--2.短溝道效應(yīng)由VGS引起的擴(kuò)展區(qū)2?Z內(nèi)的電離受主雜質(zhì)折算到寬度為Z的溝道耗盡區(qū)中,使溝道耗盡區(qū)平均電離雜質(zhì)電荷面密度變?yōu)?實(shí)際柵電極總有一部分要覆蓋在溝道寬度以外的場氧化層上,并在場氧化層下的襯底表面也會(huì)產(chǎn)生一些耗盡區(qū)電荷。則窄溝道MOSFET的閾電壓為:蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管漏誘生勢壘降低效應(yīng)--2.短溝道效應(yīng)1)表面DIBL效應(yīng)

VFB<VGS<VT,源漏區(qū)間勢壘高度表面的低于體內(nèi)的,電子從源區(qū)注入溝道及在溝道內(nèi)的流動(dòng)都發(fā)生在表面,形成亞閾電流IDsub。(1)隨溝道長L縮短,亞閾電流增加;(2)亞閾電流一直隨VDS增加而增加,VT減小;(3)VGS對IDsub控制能力變?nèi)?，使MOSFET難以截止。2）體內(nèi)DIBL效應(yīng)

VGS<VFB，VDS不太大，源漏區(qū)間勢壘高度表面的高于體內(nèi),電子從源區(qū)注入溝道及在溝道內(nèi)流動(dòng)都發(fā)生在體內(nèi),形成穿通電流。以n-MOSFET為例：長溝道的VDS全降在漏結(jié)上。短溝道時(shí)，源于漏的電力線將有一部分貫穿溝道區(qū)終止于源區(qū)，使源漏區(qū)間的勢壘高度降低，稱為漏誘生勢壘降低效應(yīng)（DIBL）。蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院第六章絕緣柵場效應(yīng)晶體管熱電子效應(yīng)--2.短溝道效應(yīng)---在強(qiáng)電場作用下,電子在兩次碰撞之間會(huì)加速到比熱運(yùn)動(dòng)速度高許多倍的速度,由于動(dòng)能很大而稱為熱電子,從而引起“熱電子效應(yīng)”。改進(jìn)：(1)兩次離子注入;(2)外加襯底偏壓。問題：穿通電流