实验微电子器件

1、授课教师：张建国：计算机学院112房间办公室： 211楼1101房间：02883203830，:si_laserjgzhangPDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建第4章绝缘栅场效应晶体管Lilienfeld于30年代初提出了表面场效应晶体管原理 （Method and apparatus forcontrolling electric currents，US Patent 1745175, Lilienfeld 1930年；Device for controllingelectric current, US1900018, Lilienfeld

2、1933年 ） 科研方法：注重思想20世纪40年代末BellShockley、Bardeen、Brattain等对场效应进行了深入研究1960年Kahng和Alalla应用热氧化硅结构制造出第一只MOSFET，成为路中的主流器件MOSFET是英文缩写词，其它叫法：绝缘体场效应晶体管（IGFET）、金属-绝缘体-半导体场效应晶体管（MISFET）、金属-氧化物-半导体晶体管（MOST）等大规模集成电参考资料：1、晶体之火晶体管的发明及信息的来临 美 迈克尔. 赖尔登 莉莲. 霍德2002年森著上海科学技术2、History of Semiconductor Engineering by Bo L

3、ojekHeidelberg 2007Springer-Verlag BerlinPDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建场效应晶体管（FieldEffect Transistor，FET）是另一类重要的微电子器件（与PN结和双极性晶体管有何不同？）。这是一种电压型多子导电器件，又称为单极型晶体管。这种器件与双极型晶体管相比，有以下优点： 电流低，输入阻抗高； 温度稳定性好； 噪声小； 大电流特性好； 无少子效应，开关速度高； 制造工艺简单； 各管之间存在天然（反偏PN结，高质量场氧的隔离），适宜于制作 VLSI 。PDF 文件使用 "pd

4、fFactory Pro" 试用版本创建场效应晶体管（FET）的分类结型栅场效应晶体管（ J FET ） 利用PN结反向电压下势垒高度增加，势垒区宽度增大肖特基势垒栅场效应晶体管（ MESFET ） 利用n型阻挡层肖特基势垒在反向电压下势垒高度增加，势垒区宽度增大绝缘栅场效应晶体管（ IGFET 或 MOSFET )利用强电场下发生强反型，在源漏之间形成导电沟道PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建JFET 和 MESFET 的工作原理相同。以 JFET 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PN 结，并加上反向

5、电压。利用 PN 结势垒区宽度随反向电压的变化而变化的特点来导电沟道的截面积，从而沟道的导电能力。两种 FET 的不同之处仅在于，JFET 是利用 PN 结栅，而 MESFET 则是利用金- 半结（肖特基势垒结）栅。作为来作为IGFET 的工作原理略有不同，利用电场能来半导体的表面状态，从而沟道的导电能力。根据沟道导电类型的不同，每类 FET 又可分为 N 沟道器件和 P 沟道器件。PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建J - FET 的基本结构源、漏PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建J - FET

6、 的基本结构由两种不同工艺制成的n沟道JFET（a）外延扩散工艺（b）双扩散工艺源极SourceS漏极DrainD栅极GateG：上栅、下栅PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建MESFET 的基本结构PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建MESFET 的基本结构MESFET的俯视图实际的MESFET是利用半绝缘的GaAs衬底上的一层外延层制造的。以减小寄生电阻。肖特基势垒是和源、漏两极的欧姆接触一起用蒸发的方法在N型外延层顶面上形成的。PDF 文件使用 "pdfFactory Pro&quo

7、t; 试用版本创建课堂练习一：计算在零偏和反偏情况下（室温 300 K，即kT为0.026 eV）相应PN结势垒和肖特基势垒的宽度。相关参数:PN结势垒：假定本征载流子浓度ni1.5×1010/cm2,Si介电常数er 为11.7，e为8.85×1014F/cm,NA 1.0×1016/cm3 ，0ND= 1.0×1015/cm2，反偏时电压为5伏 。肖特基势垒：假定金属Au的功函数Wm为4.75eV，n型Si功函数Ws为4.2508eV， ND= 1×1016/cm3，反偏时电压为2伏。PDF 文件使用 "pdfFactory Pr

8、o" 试用版本创建4.1MOSFET 基础4.1.1MOSFET 的结构绝缘栅场效应晶体管 按其早期器件的纵向结构又被称为“金属 -氧化物-半导体场效应晶体管”，简称为 MOSFET ， 但现在这种器件的栅电极实际不一定是金属，绝缘栅也不一定是氧化物，但仍被习惯地称为 MOSFET 。PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建MOSFET 的立体结构PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建N 沟道 MOSFET 的剖面图P 型衬底P 型衬底PDF 文件使用 "pdfFactory Pro&

9、quot; 试用版本创建4.1.2MOSFET 的工作原理当VGS < VT（称为阈电压 ）时， N+ 型的源区与漏区之间隔着 P型区，且漏结反偏，故无漏极电流。当VGS >VT 时，栅下的 P型硅表面发生强反型 ，形成连通源、漏区的 N型沟道 ，在VDS 作用下产生漏极电流 ID 。对于恒定的VDS ，VGS 越大，沟道中的电子就越多，沟道电阻就越小，ID 就越大。所以 MOSFET 是通过改变VGS 来沟道的导电性，从漏极电流 ID ，是一种电压而型器件。PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建转移特性曲线：VDS 恒定时的 VGS

10、ID 曲线。MOSFET 的转移特性反映了栅源电压 VGS 对漏极电流 ID 的N 沟道 MOSFET当VT > 0 时，称为增强型 ，为常关型。能力。VT< 0 时，称为耗尽型 ，为常开型。PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建4.1.3MOSFET 的类型P 沟道 MOSFET的特性与 N 沟道 MOSFET相对称，即：(1) 衬底为 N型，源漏区为 P+ 型。(2)VGS 、VDS 的极性以及 ID 的方向均与 N 沟相反。沟道中的可动载流子为空穴。(3)(4)VT < 0 时称为增强型（常关型），VT> 0 时称为耗

11、尽型（常开型）。PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建4.1.4MOSFET 的输出特性输出特性曲线：VGS > VT 且恒定时的 VDS以下 4 段 ID 曲线。可分为 线性区当VDS 很小时，沟道就象一个阻值与VDS 无关的固定电阻，这时 ID 与 VDS 成线性关系，如图中的 OA 段所示。PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 过渡区随着 VDS 增大，漏附近的沟道变薄，沟道电阻增大，曲线逐渐下弯。当 VDS 增大到 VDsat ( 饱和漏源电压 ) 时，漏端处的可动电子消失，这称为沟道被

12、夹断，如图中的 AB 段所示。线性区与过渡区统称为非饱和区，有时也统称为线性区。PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 饱和区当VDS >VDsat 后，沟道夹断点左移，漏附近只剩下耗尽区。这时 ID 几乎与VDS 无关而保持常数 IDsat ，曲线为水平直线，如图中的 BC 段所示。实际上 ID 随VDS的增大而略有增大，曲线略向上翘。PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 击穿区当VDS 继续增大到 BVDS 时，漏结发生雪崩击穿，或者漏源间发生穿通，ID 急剧增大，如图中的 CD 段所示。PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创