晶体管原理第五章

1、晶体管原理第五章2 场效应晶体管（场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）是另一）是另一类重要的微电子器件。这是一种类重要的微电子器件。这是一种，又，又称为称为。这种器件与双极型晶体管相比，有以下优。这种器件与双极型晶体管相比，有以下优点点 输入阻抗高；输入阻抗高； 温度稳定性好；温度稳定性好； 噪声小；噪声小； 大电流特性好；大电流特性好； 无少子存储效应，开关速度高；无少子存储效应，开关速度高； 制造工艺简单；制造工艺简单； 各管之间存在天然隔离。各管之间存在天然隔离。第五章第五章第1页/共76页3结型栅场效应晶体管结型栅场效应晶体管（ J FET ）肖特基势

2、垒栅场效应晶体管（肖特基势垒栅场效应晶体管（ MESFET ）绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管（ IGFET 或或 MOSFET ) 第五章第五章第2页/共76页4 JFET 和和 MESFET 的工作原理相同。以的工作原理相同。以 JFET 为例，用一为例，用一个低掺杂的半导体作为导电沟道，在半导体的一侧或两侧制作个低掺杂的半导体作为导电沟道，在半导体的一侧或两侧制作 PN 结，并加上反向电压。结，并加上反向电压。两种两种 FET 的不同之处仅在于，的不同之处仅在于，JFET 是利用是利用 PN 结结作为控制栅，而作为控制栅，而 MESFET 则是利用金则是利用金- 半结（肖特基势垒结）

3、半结（肖特基势垒结）来作为控制栅。来作为控制栅。 IGFET 的工作原理略有不同，利用电场能来控制半导体的的工作原理略有不同，利用电场能来控制半导体的表面状态，从而控制沟道的导电能力。表面状态，从而控制沟道的导电能力。 根据沟道导电类型的不同，每类根据沟道导电类型的不同，每类 FET 又可分为又可分为 和和。第五章第五章第3页/共76页5 J - FET 的基本结构的基本结构源、漏源、漏第五章第五章第4页/共76页6 绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管 按其早期器件的纵向结构按其早期器件的纵向结构又被称为又被称为 ，简称为，简称为 ， 但现在这种器件的栅电极实际不一定是金属，但现在这种器件的

4、栅电极实际不一定是金属，绝缘绝缘栅栅也不一定也不一定是是氧化物，但氧化物，但仍被习惯地称为仍被习惯地称为 MOSFET 。第五章第五章第5页/共76页7 MOSFET 的立体结构的立体结构第五章第五章第6页/共76页8P 型衬底型衬底 N 沟道沟道 MOSFET 的剖面图的剖面图P 型衬底型衬底第一节第一节第7页/共76页9 当当 VGS =0时，时， N+ 型的源区与漏区之间隔着型的源区与漏区之间隔着 P 型区，且漏型区，且漏结反偏，故无漏极电流。当结反偏，故无漏极电流。当 VGS 0时，外加电压会在栅下的氧时，外加电压会在栅下的氧化层中产生电场，电力线由栅电极指向半导体表面，将在化层中产生

5、电场，电力线由栅电极指向半导体表面，将在P型型硅表面产生感应负电荷，随着栅压增加，硅表面产生感应负电荷，随着栅压增加，P型硅表面将耗尽而型硅表面将耗尽而反型，产生电子积累。当栅压增加到反型，产生电子积累。当栅压增加到VT （称为（称为 ）时，）时，P 型硅表面发生型硅表面发生 ，形成连通源、漏区的，形成连通源、漏区的 N 型型 ，在，在 VDS 作用下产生漏极电流作用下产生漏极电流 ID 。对于恒定的。对于恒定的 VDS ，VGS 越大，沟越大，沟道中的电子就越多，沟道电阻就越小，道中的电子就越多，沟道电阻就越小，ID 就越大。就越大。 所以所以 MOSFET 是通过改变是通过改变 VGS 来

6、控制沟道的导电性，从来控制沟道的导电性，从而控制漏极电流而控制漏极电流 ID ，是一种电压控制型器件。，是一种电压控制型器件。第一节第一节第8页/共76页10 ：VDS 恒定时的恒定时的 VGS ID 曲线。曲线。MOSFET 的的转移特性反映了栅源电压转移特性反映了栅源电压 VGS 对漏极电流对漏极电流 ID 的控制能力的控制能力。 N 沟道沟道 MOSFET 当当VT 0 时，称为时，称为 ，为，为 。VT 0 时，称为时，称为 ，为，为 。IDVGSVT0IDVGSVT0第一节第一节第9页/共76页11 P 沟道沟道 MOSFET 的特性与的特性与 N 沟道沟道 MOSFET 相对称，即

7、：相对称，即： (1) 衬底为衬底为 N 型，源漏区为型，源漏区为 P+ 型。型。 (2) VGS 、VDS 的极性以及的极性以及 ID 的方向均与的方向均与 N 沟相反。沟相反。 (3) 沟道中的可动载流子为空穴。沟道中的可动载流子为空穴。 (4) VT 0 时称为耗尽型时称为耗尽型（常开型）。（常开型）。 第一节第一节第10页/共76页12 VGS VT 且恒定时的且恒定时的 VDS ID 曲线。可分曲线。可分为以下为以下 4 段段第一节第一节第11页/共76页13 当当 VDS 很小时，沟道就象一个阻值与很小时，沟道就象一个阻值与 VDS 无关的无关的 ，这时这时 ID 与与 VDS 成

8、线性关系，如图中的成线性关系，如图中的 OA 段所示。段所示。 第一节第一节第12页/共76页14 随着随着 VDS 增大，漏附近的沟道变薄，沟道电阻增大，曲线增大，漏附近的沟道变薄，沟道电阻增大，曲线逐渐下弯，如图中的逐渐下弯，如图中的 AB 段所示。当段所示。当 VDS 增大到增大到 时，漏端处的可动电子消失，这称为沟道被时，漏端处的可动电子消失，这称为沟道被 ，如，如图中的图中的 B 点所示。线性区与过渡区统称为点所示。线性区与过渡区统称为 ，有时也统，有时也统称为称为 。第一节第一节第13页/共76页15 当当 VDS VDsat 后，沟道夹断点左移，漏附近只剩下耗尽区。后，沟道夹断点

9、左移，漏附近只剩下耗尽区。这时这时 ID 几乎与几乎与 VDS 无关而保持常数无关而保持常数 ，曲线为水平直线，如，曲线为水平直线，如图中的图中的 BC 段所示。段所示。 实际上实际上 ID 随随 VDS 的增大而略有增大，曲线略向上翘。的增大而略有增大，曲线略向上翘。第一节第一节第14页/共76页16 当当 VDS 继续增大到继续增大到 时，漏结发生雪崩击穿，或者漏时，漏结发生雪崩击穿，或者漏源间发生穿通，源间发生穿通，ID 急剧增大，如图中的急剧增大，如图中的 CD 段所示。段所示。第一节第一节第15页/共76页17 将各曲线的夹断点用虚线连接起来，将各曲线的夹断点用虚线连接起来，。 以以

10、 VGS 作为参变量，可得到不同作为参变量，可得到不同 VGS下的下的 VDS ID 曲线族，曲线族，这就是这就是 MOSFET 的的 。第一节第一节第16页/共76页18 4 种类型种类型 MOSFET 的特性曲线小结的特性曲线小结第17页/共76页19 使栅下的硅表面处开始发生强反型时的栅电压称为使栅下的硅表面处开始发生强反型时的栅电压称为 ，记为，记为 。 当硅表面处的少子浓度达到或超过体内的平衡多子当硅表面处的少子浓度达到或超过体内的平衡多子浓度时，称为表面发生了浓度时，称为表面发生了 。 在推导阈电压的表达式时可以近似地采用一维分析，即认在推导阈电压的表达式时可以近似地采用一维分析，

11、即认为衬底表面下空间电荷区内的空间电荷完全由栅极与衬底之间为衬底表面下空间电荷区内的空间电荷完全由栅极与衬底之间的电压所决定，与漏极电压无关。的电压所决定，与漏极电压无关。第二节第二节第18页/共76页20 本小节推导本小节推导 P 型衬底型衬底 MOS 结构的结构的阈电压阈电压 。第二节第二节第19页/共76页21 上图中，上图中，0ln1iAFiFPnNqkTEEq）（ 1、理想、理想 MOS 结构（金属与半导体间的功函数差结构（金属与半导体间的功函数差 MS = 0 ，栅氧化层中的电荷面密度栅氧化层中的电荷面密度 QOX = 0 ）当）当 VG = 0 时的能带图时的能带图称为称为 第二

12、节第二节第20页/共76页22 2、实际、实际 MOS 结构（结构（ MS 0）当）当 VG = 0 时的能带图时的能带图 上图中，上图中， S 称为称为 ，即从硅表面处到硅体内平衡处的，即从硅表面处到硅体内平衡处的电势差，等于能带弯曲量除以电势差，等于能带弯曲量除以 q 。COX 代表单位面积的栅氧化代表单位面积的栅氧化层电容，层电容， ，TOX 代表栅氧化层厚度。代表栅氧化层厚度。OXOXOXTCOXOXMSSCQqqq第21页/共76页23 3、实际、实际 MOS 结构当结构当 VG = VFB 时的能带图时的能带图 当当 时，可以使能带恢复为平带状态，时，可以使能带恢复为平带状态，这时

13、这时 S = 0，硅表面呈电中性。，硅表面呈电中性。 称为称为 。OXOXMSFBGCQVV第二节第二节第22页/共76页24 4、实际、实际 MOS 结构当结构当 VG = VT 时的能带图时的能带图 要使表面发生强反型，应使表面处的要使表面发生强反型，应使表面处的 EF - Eis = q FP ，这，这时时 ，表面势为，表面势为 S = S,inv = 2 FP 。第二节第二节第23页/共76页25 外加栅电压超过外加栅电压超过 VFB 的部分（的部分（VG - -VFB）称为）称为 。有效栅电压可分为两部分：降在氧化层上的有效栅电压可分为两部分：降在氧化层上的 VOX 与降在硅表面与降

14、在硅表面附近的表面电势附近的表面电势 S ，即，即 VG VFB = VOX + S 表面势表面势 S 使能带发生弯曲。表面发生强反型时能带的弯曲使能带发生弯曲。表面发生强反型时能带的弯曲量是量是 2q FP ，表面势为，表面势为 2 FP ，于是可得：，于是可得： VT VFB = VOX + 2 FP 第二节第二节第24页/共76页26 上式中，上式中， QM 和和 QS 分别代表金属一侧的分别代表金属一侧的电荷面密度和半导体一侧的电荷面密度，而电荷面密度和半导体一侧的电荷面密度，而 QS 又是耗尽层电荷又是耗尽层电荷QA 与反型层电荷与反型层电荷 Qn 之和。之和。,OXSOXMOXCQ

15、CQV-QAQM-QnCOX-QS第二节第二节第25页/共76页27FPOXFPAOXOXMST22CQCQV中，可得中，可得 MOS 结构的阈电压为结构的阈电压为 再将再将 和上式代入和上式代入 VT = VFB + VOX + 2 FPOXOXMSFBCQV关于关于 QA 的进一步推导在以后进行。的进一步推导在以后进行。 作为近似，在刚开始强反型时，可忽略作为近似，在刚开始强反型时，可忽略 Qn 。QA 是是 S 的的函数，在开始发生强反型时，函数，在开始发生强反型时，QA ( S ) = QA ( 2 FP ) ，故得：，故得：OXFPAOX2CQV第二节第二节第26页/共76页28 M

16、OSFET 与与 MOS 结构的不同之处是：结构的不同之处是： a) 栅与衬底之间的外加电压由栅与衬底之间的外加电压由 VG 变为变为 (VG - -VB) ，因此有效，因此有效栅电压由栅电压由 (VG - -VFB ) 变为变为 (VG - -VB - - VFB ) 。 b) 有反向电压有反向电压 (VS - -VB )加在源、漏及反型层的加在源、漏及反型层的 PN 结上，使结上，使之处于非平衡状态，之处于非平衡状态，EFp- -EFn = q(VS - -VB ) 。 c) 强反型开始时的表面势强反型开始时的表面势 S,inv 由由 2 FP 变为变为( 2 FP + VS - -VB

17、)。 第27页/共76页29S,invOXS,invAFBBTCQVVV 因此因此 MOSFET 的阈电压一般表达式为的阈电压一般表达式为第二节第二节第28页/共76页30 以下推导以下推导 QA 的表达式。对于均匀掺杂的衬底，的表达式。对于均匀掺杂的衬底，AS,invAd()Qq N x 式中，式中， ，称为，称为 。OX21sA2CNqK21BSFP21BSFPOX21sAOXS,invA222VVKVVCNqCQ21AS,invsA2NqNq12AsFPSB2(2)qNVV 第二节第二节第29页/共76页31 于是可得于是可得 N 沟沟 MOSFET 的阈电压为的阈电压为SFP21BSF

18、POXOXMSBSFP21BSFPFBBT2222VVVKCQVVVVKVVV第二节第二节第30页/共76页32 注意上式中，通常注意上式中，通常 VS 0，VB VS 后，产生漂移电流，后，产生漂移电流，yVnqnEqjyddnnnbyVQZyVxqnZI0nnnDddddd 式中，式中， 代表沟道内的电子电荷面密度。代表沟道内的电子电荷面密度。bxqnQ0nd)( （5-36）第三节第三节第48页/共76页50VQLZIVVdDSnnDDSddnn0DVVLVQZyIVQZyIddnnDyVQZIddnnD（5-37）（5-36）第三节第三节第49页/共76页51 当当 VG VT 后，沟

19、道中产生的大量电子对来自栅电极的纵向后，沟道中产生的大量电子对来自栅电极的纵向电场起到屏蔽作用，所以能带的弯曲程度几乎不再随电场起到屏蔽作用，所以能带的弯曲程度几乎不再随 VG 增大增大 ，表面势表面势 S 也几乎维持也几乎维持 S,inv 不变。于是，不变。于是， AinvS,FBBGOXAOXOXAMASnQVVVCQVCQQQQQ）（QAQMQn第三节第三节第50页/共76页52 当外加当外加 VD ( VS ) 后，沟道中将产生电势后，沟道中将产生电势 V ( y ) ，V (y) 随随 y 而增加，从源极处的而增加，从源极处的 V (0) = VS 增加到漏极处的增加到漏极处的 V

20、(L) = VD 。这样这样 S,inv 、xd 与与 QA 都成为都成为 y 的函数，分别为：的函数，分别为： S,invFPB12sdFPBA12AAdsAFPB( )22( )2( )( )22( )yVV yxyVV yqNQyqN xqNVV y 第三节第三节第51页/共76页53 将上面的将上面的 S,inv 和和 QA 代入沟道电子电荷面密度代入沟道电子电荷面密度 Qn 后，可知后，可知 Qn 也成为也成为 y 的函数，即：的函数，即： 21BFPAsFPFBGOXn222)(yVVNqyVVVCyQ第三节第三节AS,invFBBGOXnQVVVCQ）（第52页/共76页54 将

21、将 Qn 代入式（代入式（5-37）23SBFP23DBFPOX21As2S2DSDFPFBGOXnD22232212VVVVCNqVVVVVVCLZI 对上式可进行简化。对上式可进行简化。VQLZIVVdDSnnD 并经积分后得：并经积分后得：第三节第三节第53页/共76页55 将将 Qn 中的中的 在在 V = 0 处用级数展开，处用级数展开，21BFP)(2yVV 21BFP21BFP21BFP2222VVVyVV 当只取一项时，当只取一项时， 21BFP21BFP22VyVV 当当 VS = 0 ，VB = 0 时，可将时，可将 VD 写作写作 VDS ，将，将 VG 写作写作 VGS

22、 ，则则 Qn 成为：成为： 第三节第三节第54页/共76页56 将此将此 Qn 代入式（代入式（5-37）的）的 ID 中，并经积分后得：中，并经积分后得：2DSDSTGSOXn0TGSOXnD21)(d)(DSVVVVCLZVyVVVCLZIVOX21FPAsFPFBGSOX22)(2(CNqyVVVC)(TGSOXyVVVC 21FPAsFPFBGSOXn222)(NqyVVVCyQ（5-50）第三节第三节第55页/共76页572DSDSTGSD21)(VVVVI（5-51） 再将再将 写作写作 ，称为称为 MOSFET 的的 ，则则OXnCLZ第三节第三节第56页/共76页58 式（式

23、（5-51）表明，）表明，ID 与与 VDS 成成 ，即：，即： 式（式（5-51）只在抛物线的左半段有物理意义。）只在抛物线的左半段有物理意义。IDsatIDVDsat0VDS第三节第三节第57页/共76页59 此时所对应的漏极电流称为此时所对应的漏极电流称为 ，TGSsatDVVV 由由 Qn 的表达式可知，在的表达式可知，在 y = L 的漏极处，的漏极处，DSTGSOXn)(VVVCLQ 可见可见 | Qn(L) | 是随是随 VDS 增大而减小的。当增大而减小的。当 VDS 增大到被称增大到被称为为 的的时，时，Qn ( L ) = 0 ，。显然，。显然，（5-52）第三节第三节第5

24、8页/共76页602TGS2DsatDsatTGSDsat2121)(VVVVVVI 这一点正好是抛物线的顶点。所以这一点正好是抛物线的顶点。所以 VDsat 也可由令也可由令而解出。而解出。 0ddDSDVI（5-53）第三节第三节第59页/共76页61 当当 VDS VD sat 后，简单的处理方法是从抛物线顶点以水平方后，简单的处理方法是从抛物线顶点以水平方向朝右延伸出去。向朝右延伸出去。 以不同的以不同的 VGS 作为参变量，可得到一组作为参变量，可得到一组 ID VDS 曲线，这曲线，这就是就是 。第三节第三节第60页/共76页62 对于对于 P 沟道沟道 MOSFET，可得类似的结

25、果，可得类似的结果，2TGSDsatTGSDsat2DSDSTGSD)(2121)(VVIVVVVVVVI 式中，式中，OXpCLZ 以上公式虽然是近似的，但因计算简单，在许多场合得到以上公式虽然是近似的，但因计算简单，在许多场合得到了广泛的应用。了广泛的应用。第三节第三节第61页/共76页63 实测表明，当实测表明，当 VDS VDsat 后，后，ID 随随 VDS 的增大而略有增大，的增大而略有增大，也即也即 MOSFET 的增量输出电阻的增量输出电阻 不是无穷大而是一个不是无穷大而是一个有限的值。有限的值。 DDSdsIVr 通常采用两个模型来解释通常采用两个模型来解释 ID 的增大。的

26、增大。第三节第三节第62页/共76页64 当当 VDS VDsat 后，沟道中满足后，沟道中满足 V = VDsat 和和 Qn = 0 的位置的位置向左移动向左移动 L，即：，即： 已知当已知当 VDS = VDsat 时，时，V (L) = VDsat ，Qn (L) = 0 。 satD)(VLLV0)(nLLQ 这意味着有效沟道长度缩短了。这意味着有效沟道长度缩短了。第三节第三节第63页/共76页65L0yVDsatV(y) L图中，曲线图中，曲线 代表代表 VDS VDsat 而而 V ( L - - L ) = VDsat 。 第三节第三节第64页/共76页6621TGSDSAs2

27、1DsatDSAs22VVVqNVVqNL 当当 VDS VDsat 后，可以将后，可以将 VDS 分为两部分，其中的分为两部分，其中的 VDsat 降降在有效沟道长度在有效沟道长度 ( L - - L ) 上，超过上，超过 VDsat 的部分的部分 ( VDS - - VDsat ) 则降落在长度为则降落在长度为 L 的耗尽区上。根据耗尽区宽度公式可计算的耗尽区上。根据耗尽区宽度公式可计算出出 L 为：为： 由于由于 ，当，当 L 缩短时，缩短时，ID 会增加。会增加。LI1D第三节第三节第65页/共76页67 若用若用 IDsat 表示当表示当 VDS VDsat 后的漏极电流，可得：后的

28、漏极电流，可得： 当当 L 较长或较长或 NA 较大时，较大时， 较小，电流的增加不明显，较小，电流的增加不明显，rds 较大较大 ；反之，则电流的增加较明显，；反之，则电流的增加较明显，rds 较小。较小。LLLLILLLVVCLZVVCLLZI11)(21)(21Dsat2TGSOXn2TGSOXnDsat第三节第三节第66页/共76页68 对于对于L 较短及较短及 NA 较小的较小的 MOSFET，当，当 VDS VD sat 后，耗后，耗尽区宽度接近于有效沟道长度，这时从漏区发出的电力线有一尽区宽度接近于有效沟道长度，这时从漏区发出的电力线有一部分终止于沟道上，使沟道电子的数量增多，从

29、而导致电流增部分终止于沟道上，使沟道电子的数量增多，从而导致电流增大。可以把此看作是在漏区与沟道之间存在一个电容大。可以把此看作是在漏区与沟道之间存在一个电容 CdCT ，当当 VDS 增加增加 VDS 时，沟道区的电子电荷面密度的增量为时，沟道区的电子电荷面密度的增量为ZLVCQDSdCTAV 第67页/共76页69 随着随着 VDS 增大，漏附近的沟道变薄，沟道电阻增大，曲线增大，漏附近的沟道变薄，沟道电阻增大，曲线逐渐下弯，如图中的逐渐下弯，如图中的 AB 段所示。当段所示。当 VDS 增大到增大到 时，漏端处的可动电子消失，这称为沟道被时，漏端处的可动电子消失，这称为沟道被 ，如，如图中的图中的 B 点所示。线性区与过渡区统称为点所示。线性区与过渡区统称为 ，有时也统，有时也统称为称为 。第一节第一节第68页/共76页70 2、实际、实际 MOS 结构（结构（ MS 0）当）当 VG = 0 时的能带图时的能带图 上图中，上图中， S 称为称为 ，即从硅表面处到硅体内平衡处的，即从硅表面处到硅体内平衡处的电势差，等于能带弯曲量除以电势差，等于能带弯曲量除以 q 。COX 代表单位面积的栅氧化代表单位面积的栅氧化