场效应管小结ppt课件

1、7.1 7.1 半导体外表和界面构造半导体外表和界面构造 了解清洁外表和真实外表的特点了解清洁外表和真实外表的特点 了解了解Si-SiO2Si-SiO2界面的特点及影响要素界面的特点及影响要素7.2 7.2 外表势外表势 掌握掌握MISMIS构造的外表积累、耗尽和反型时外表势与能带特点构造的外表积累、耗尽和反型时外表势与能带特点7.3 MOS7.3 MOS构造的电容构造的电容- -电压特性电压特性 掌握理想掌握理想MOSMOS的的C C公式公式 了解影响实践了解影响实践C-VC-V特性曲线变化的要素特性曲线变化的要素7.4 MOS7.4 MOS构造的阈值电压构造的阈值电压 掌握理想与实践阈值电

2、压的计算含掌握理想与实践阈值电压的计算含C C、SS、WmWm、QSCQSC一、半导体外表和界面构造一、半导体外表和界面构造 真实外表分为外外表和内外表，其中内外表属于快态能级，真实外表分为外外表和内外表，其中内外表属于快态能级，外外表属于慢态能级。外外表属于慢态能级。 利用热生长或化学汽相淀积人工生长方法在利用热生长或化学汽相淀积人工生长方法在Si面上生长面上生长SiO2层，可厚达几千埃，构成硅层，可厚达几千埃，构成硅-二氧化硅界面。二氧化硅界面。 理想外表的特点：在中性悬挂键上有一个未成键的电子。理想外表的特点：在中性悬挂键上有一个未成键的电子。悬挂键还有两种能够的带电形状：释放未成键的电

3、子成为悬挂键还有两种能够的带电形状：释放未成键的电子成为正电中心，这是施主态；接受第二个电子成为负电中心，正电中心，这是施主态；接受第二个电子成为负电中心，这是受主态。它们对应的能级在禁带之中，分别称为施主这是受主态。它们对应的能级在禁带之中，分别称为施主和受主能级。和受主能级。 Si-SiO2界面的构造的运用：界面的构造的运用：MOSMOS构造中的绝缘介质层、器件有源区之间场氧化隔离构造中的绝缘介质层、器件有源区之间场氧化隔离选择掺杂的掩蔽膜、钝化维护膜等选择掺杂的掩蔽膜、钝化维护膜等 可动离子钠离子，减小该离子沾污的工艺为磷稳定化和可动离子钠离子，减小该离子沾污的工艺为磷稳定化和氯中性化氯

4、中性化 固定电荷氧化层正电荷，固定电荷密度由最终氧化温度固定电荷氧化层正电荷，固定电荷密度由最终氧化温度决议，减小的方法是在惰性气体中退火决议，减小的方法是在惰性气体中退火 界面圈套，又称界面态中性悬挂键引起，界面态的能级界面圈套，又称界面态中性悬挂键引起，界面态的能级分布？减小方法有氢气退火和金属后退火工艺分布？减小方法有氢气退火和金属后退火工艺 电离圈套由辐射、高温高负偏置应力引起的附加氧化层电离圈套由辐射、高温高负偏置应力引起的附加氧化层电荷的添加，去除和减小的方法是热退火和加固电荷的添加，去除和减小的方法是热退火和加固一、半导体外表和界面构造一、半导体外表和界面构造 二氧化硅层中，存在

5、着严重影响器件性能二氧化硅层中，存在着严重影响器件性能的要素主要有哪些？的要素主要有哪些？二、外表势二、外表势 外表势的概念外表势的概念 空间电荷区外表到内部另一端，电场从最大逐渐减弱空间电荷区外表到内部另一端，电场从最大逐渐减弱到零，其各点电势也要发生变化，这样外表相对体内就产到零，其各点电势也要发生变化，这样外表相对体内就产生电势差，并伴随能带弯曲，常称空间电荷区两端的电势生电势差，并伴随能带弯曲，常称空间电荷区两端的电势差为外表势差为外表势S。 MIS构造加正向电压时，金属侧积累正电荷，半导体外表构造加正向电压时，金属侧积累正电荷，半导体外表一层便构成空间负电荷区。此时，外表势一层便构成

6、空间负电荷区。此时，外表势S是正的，外表是正的，外表电场由外界指向半导体，外表的能带向下弯曲，此时，外电场由外界指向半导体，外表的能带向下弯曲，此时，外表与体内到达了热平衡，具有共同的费米能级；空间电荷表与体内到达了热平衡，具有共同的费米能级；空间电荷区中的负电荷恰好与金属中的正电荷相等。区中的负电荷恰好与金属中的正电荷相等。二、外表势二、外表势MIS构造加反向电压时，金属侧积累正电荷，半导体外表构造加反向电压时，金属侧积累正电荷，半导体外表一层便构成空间正电荷区。此时，外表势一层便构成空间正电荷区。此时，外表势S是负的，外表是负的，外表电场由半导体指向外界，外表的能带向上弯曲。电场由半导体指

7、向外界，外表的能带向上弯曲。积累积累耗尽耗尽反型反型P型半导型半导体衬底体衬底表面势表面势ss0sF0半导体空间电荷半导体空间电荷空穴积累空穴积累空穴耗尽空穴耗尽电子积累电子积累能带变化能带变化向上弯曲向上弯曲向下弯曲向下弯曲向下弯曲向下弯曲N型半导型半导体衬底体衬底表面势表面势ss0Fs0sF0uDS 0uDS 0uDS 0可正（沟道变宽）可正（沟道变宽）可负（沟道变窄）可负（沟道变窄）uGS 0VP0VT0二、二、MOSFETMOSFET的特征曲线的特征曲线 经过经过MOSFETMOSFET的漏源电流与加在漏源极间的电压之间的的漏源电流与加在漏源极间的电压之间的关系曲线即为输出特性曲线。这

8、时加在栅极上的电压作为关系曲线即为输出特性曲线。这时加在栅极上的电压作为参变量。参变量。如图示，该图为什么如图示，该图为什么MOSFETMOSFET的输出特性曲线？其中的输出特性曲线？其中区为区为可调电阻区、可调电阻区、 区为饱和任务区、区为饱和任务区、 区为雪崩击穿区。区为雪崩击穿区。图中的图中的区沟道能否夹断？有何特点？区沟道能否夹断？有何特点？ 在可调电阻区，沟道未夹断，在可调电阻区，沟道未夹断，VDSVDS使沟道中各点的电位不同，从源端到漏使沟道中各点的电位不同，从源端到漏端沟道的厚度变小。此时的沟道区呈现端沟道的厚度变小。此时的沟道区呈现电阻特性，电流电阻特性，电流IDSIDS与与V

9、DSVDS根本上是线性根本上是线性关系。而且，关系。而且，VGSVGS越大，沟道电阻越小。越大，沟道电阻越小。 MOSFET的临界夹断形状的电压条件为：的临界夹断形状的电压条件为： 饱和任务区特点：沟道夹断点从漏端向源端挪动，漏源电流饱和任务区特点：沟道夹断点从漏端向源端挪动，漏源电流根本上到达饱和值根本上到达饱和值IDSS。当当MOS晶体管任务在饱和区时，将任务电流晶体管任务在饱和区时，将任务电流IDSS与输入电压与输入电压VGS之间的关系曲线称为转移特性曲线。之间的关系曲线称为转移特性曲线。二、二、MOSFETMOSFET的特征曲线的特征曲线 VGS-VDS=VT 左图为什么左图为什么MO

10、SFET的的转移特性曲转移特性曲线？线？二、二、MOSFETMOSFET的特征曲线的特征曲线沟道长度调变效应沟道长度调变效应 在饱和任务区中，当沟道长度在饱和任务区中，当沟道长度L不满足远大于夹断区段长不满足远大于夹断区段长度度(短沟道短沟道)时，时， VDS增大，沟道长度将减小，增大，沟道长度将减小， IDSS将随之添加，将随之添加，漏源饱和电流随沟道长度的减小而增大的效应称为沟道长度漏源饱和电流随沟道长度的减小而增大的效应称为沟道长度调变效应。它与双极型晶体管中的基区宽度调变效应相当。调变效应。它与双极型晶体管中的基区宽度调变效应相当。 漏源击穿电压漏源击穿电压BVDS可由两种不同的击穿机

11、理决议：可由两种不同的击穿机理决议： 漏极电压漏极电压VDSVDS增大时，漏结耗尽区增大，使沟道有效长增大时，漏结耗尽区增大，使沟道有效长度缩短。当沟道外表漏结耗尽区的宽度度缩短。当沟道外表漏结耗尽区的宽度LSLS扩展到等于沟道长扩展到等于沟道长度度L L时，漏结耗尽区增大到源极，就发生漏源之间的直接时，漏结耗尽区增大到源极，就发生漏源之间的直接穿通。穿通。 u漏区与衬底之间漏区与衬底之间P-N结的雪崩击穿；结的雪崩击穿；u漏和源之间的穿通。漏和源之间的穿通。 三、三、MOSFETMOSFET的频率特性的频率特性 跨导跨导gmgm表征在漏源电压表征在漏源电压VDSVDS不变的情况下，漏电流不变

12、的情况下，漏电流IDSIDS随着栅电压随着栅电压VGSVGS变化而变化的程度，标志了变化而变化的程度，标志了MOSFETMOSFET的电压的电压放大身手。单位：西门子放大身手。单位：西门子S S。 线性任务区：跨导与线性任务区：跨导与VDSVDS成正比成正比 饱和任务区：在不思索沟道长度调制效应的情况下，跨饱和任务区：在不思索沟道长度调制效应的情况下，跨导与导与VDSVDS无关。无关。 提高跨导的方法提高跨导的方法 DSmVgTGSDsatmVVVg1 1改良管子的构造提高改良管子的构造提高： 增大沟道的宽长比；增大沟道的宽长比； 减薄氧化层厚度从而增大单位面积二氧化硅的电容；减薄氧化层厚度从

13、而增大单位面积二氧化硅的电容； 减小沟道载流子的浓度以提高沟道内载流子的迁移率。减小沟道载流子的浓度以提高沟道内载流子的迁移率。2 2在饱和区时，可经过适当添加在饱和区时，可经过适当添加VGSVGS来提高跨导。来提高跨导。 三、三、MOSFETMOSFET的频率特性的频率特性 NMOSFETNMOSFET最高振荡频率最高振荡频率 PMOSFETPMOSFET最高振荡频率最高振荡频率 减小沟道长度可以有效提高最高振荡频率减小沟道长度可以有效提高最高振荡频率TGSinMVVLCCf2OX2TGSiPMVVLCCf2OX2四、四、MOSFETMOSFET的开关特性的开关特性 倒相器也称为反相器，由反

14、相管倒相管和负载两倒相器也称为反相器，由反相管倒相管和负载两部分组成。部分组成。 反相管通常用反相管通常用N N沟加强管。沟加强管。 E/RE/R反相器为无源负载即用电阻作负载。反相器为无源负载即用电阻作负载。 有源负载又可分为多种不同的有源负载又可分为多种不同的MOSFETMOSFET，常见有，常见有 E/EE/E反相器用反相器用N N沟加强管作负载沟加强管作负载 CMOSCMOS反相器用反相器用P P沟加强管作负载沟加强管作负载 E/DE/D反相器用反相器用N N沟耗虽然作负载。沟耗虽然作负载。四、四、MOSFETMOSFET的开关特性的开关特性 CMOS构造构造 CMOS倒相器的特点倒相

15、器的特点 在同一在同一N型衬底上同时制造型衬底上同时制造P沟沟MOS管负载管负载管和管和N沟沟MOS管倒相管，管倒相管，N沟沟MOS控制造控制造在在P阱内。阱内。 在导通和截止两种形状时，一直在导通和截止两种形状时，一直只需一个管子导通，只需很小的漏电只需一个管子导通，只需很小的漏电流经过，所以流经过，所以CMOS倒相器的功耗很倒相器的功耗很小，且开关时间短。小，且开关时间短。 四、四、MOSFETMOSFET的开关特性的开关特性 CMOS CMOS倒相器的任务原理倒相器的任务原理p当输入脉冲为零当输入脉冲为零( (低电平低电平) )时时p CMOS CMOS倒相器处于截止形状。倒相器处于截止

16、形状。p 倒相管倒相管NMOSNMOS加强型管的加强型管的VGS=0VGS=0，处于截止形状。，处于截止形状。p 负载管负载管PMOSPMOS加强型管的加强型管的VGS0VGS0 , VGS0 , 处于充分导通的形状。处于充分导通的形状。p 负载管负载管PMOSPMOS的的VGS0VGS0，处于故处于截止形状。，处于故处于截止形状。p 这时，输出电压这时，输出电压VD0VD0，为低电平。，为低电平。五、阈值电压五、阈值电压VTVT的控制和调整的控制和调整 调整和控制阈值电压的方法调整和控制阈值电压的方法在半导体近外表处注入准确控制的相对较少的硼或磷在半导体近外表处注入准确控制的相对较少的硼或磷

17、离子。硼注入会导致阈值电压正漂移，磷注入会导致离子。硼注入会导致阈值电压正漂移，磷注入会导致阈值电压负漂移。阈值电压负漂移。经过改动氧化层厚度来控制经过改动氧化层厚度来控制VTVT。氧化层厚度添加，。氧化层厚度添加，N N沟沟道道MOSFETMOSFET的阈值电压会变大，而的阈值电压会变大，而P P沟道沟道MOSFETMOSFET的阈值电的阈值电压将变小。压将变小。选择适当的栅极资料来调整功函数差从而控制选择适当的栅极资料来调整功函数差从而控制VTVT。 五、阈值电压五、阈值电压VTVT的控制和调整的控制和调整 注入硼离子呵斥的平带电压漂移类似于固定正注入硼离子呵斥的平带电压漂移类似于固定正电

18、荷，其量为：电荷，其量为： ，FBFB为注入的硼剂量，所为注入的硼剂量，所以阈值电压由以阈值电压由VTVT添加到添加到VTVTOXBTTCqFVVOXBCqF 注入磷离子呵斥的平带电压漂移量为：注入磷离子呵斥的平带电压漂移量为： OXPCqFOXPTTCqFVV9.1 用作功率放大和开关的用作功率放大和开关的MOS功率场效应功率场效应晶体管略晶体管略9.2 MOS功率场效应晶体管的构造分类功率场效应晶体管的构造分类9.3 DMOS晶体管的击穿电压略晶体管的击穿电压略9.4 DMOS晶体管的二次击穿略晶体管的二次击穿略9.5 温度对温度对MOS晶体管特性的影响略晶体管特性的影响略MOSMOS功率功率FETFET的构造的构造 MOS MOS功率功率FETFET具有两种根本构造：二维构造和具有两种根本构造：二维构造和三维构造。三维构造。 二维横向器件与常规的二维横向器件与常规的MOSMOS晶体管根本类似，晶体管根本类似，只是多一个延伸的高电阻漏区，这种构造特点有只是多一个延伸的高电阻漏区，这种构造特点有助于提高器件的高压性能。助于提高器件的高压性能。 在三维器件中，那么具有一个纵向的延伸漏在三维器件中，那么具有一个纵向的延伸漏区，通常称之为漂移区，漏电极位于片子的底部。区，通常称之为漂移区，漏电极位于片子的底部。这种三维构造可以提高硅片的利用率。这种三维构造可以提高