晶体管原理总结2

1、半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-1-01()bjmnencncccenencnccebcdiiiieiiiij第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的频率特性5)5) 共基极高频小信号短路电流放大系数与截止频率共基极高频小信号短路电流放大系数与截止频率 为极低频或直流小信号共基极短路电流放大系数，或共基极增量电流放大系数。*000EEECecdIdIdIdIii0ECII（1）信号延迟时间）信号延迟时间ec定义：载流子从流入发射极开始到从集电极流出为止总渡越时间。0221()ecje

2、cbem1bbbbmm半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-2-（2） 截止角频率截止角频率 、截止频率、截止频率 f11()1becdecbmm12 ()1becdfm 01bjmefjf （下降了3dB）时的角频率 、频率分别称为截止角频率、 截止频率。02定义：第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的频率特性6) 共发射极高频小信号电流放大系数与特征频率共发射极高频小信号电流放大系数与特征频率（1）定义：集电结对高频小信号短路（vbc=0, VBC0）条件下的 ic与ib 之比为共射

3、极高频小信号短路电流放大系数半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-3-0001第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的频率特性极低频或直流小信号共发射极短路电流放大系数、或共发射极增量电流放大系数 下降到 （下降3dB)时的角频率、频率分别称为的截止角频率截止角频率、截止频率截止频率 * 截止角频率 、与截止频率 定义:f0/2001100020011()ejececej 00又 ，c00001111ecvbcjiicb半导体器件原理2009.06.05Institute of Micro

4、electronics Circuit & System-4-0011ecec 即：012ecf 第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的频率特性0011fjjfv500MHz时，Wb较小，只占 中很小一部分，可忽略 fbec bm0001(1)bm v比 截止频率低的多半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-5-（）晶体管的（）晶体管的特征频率特征频率01fjff增一倍降一半，或改变10lg2-1=-3dB ，功率正比于电（倍频程）流的平方，则功率增益降1/4,或改变20lg2-1=-6d

5、B1时的频率，称晶体管的特征频率晶体管的特征频率fT00012Tecff 第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的频率特性0f f时,半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-6-其中， ，IE 或 IC , fT ， IE 或IC 很大时，e 的影响很小，可略去；大注入时，基区扩展，b 增加更多，集电结势垒区减小，势垒区延迟 d 减小的少一些，故 IC 很大时，fT 随 IC 增加而下降。第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的频率特性（4 4）提高特征频率的途径）提高特征频

6、率的途径 一般高频管中，四个时间常数以 最长，减小 是提高的主要途径v减小v减小v减小bbTfedccdbeecTecTff2121（3）电流对）电流对 fT 的影响的影响TEETEeeCqIkTCr半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-7- 当晶体管用于小信号高频放大时，小信号电流、电压之间的关系是线性线性方程方程，其系数不随信号大小变化的常数，这些系数称为电路参数电路参数。选取自变量不同，描述各变量间关系的方程形式就不同，电路参数也不同。第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管-2.晶体管的频率特性

7、晶体管的高频参数与等效电路晶体管的高频参数与等效电路 利用电荷控制方程，可以得出用振幅表示的共基极高频小信号电流电压方程为:cbbemeVrVCjgI01cbbemcVCjrVgI01DETECCC0eDETCrCCCr-表示发射结扩散电容和势垒电容并联01BECVCBIrV:集电极增量输出电阻0r1cBccmVBEeIqIgVkTr-晶体管的转移电导，跨导，表示集电极电流受发射结电压变化的影响。半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-8-将晶体管等效为一个线性二端口网络如下图:第三章第三章 双极结型晶体管

8、双极结型晶体管-2.晶体管的频率特性1I2I1V2V211101VmIYgj CV11120201VIYVr222101VmIYgV12220201VIYj CVr111 112 222122 2IY VY VIY V Y V1CErESCTECDeY12VCY21VeCDCCTCrCS本征Y参数等效电路共基极Y参数等效电路半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-9-功率增益 ：晶体管对信号功率的放大能力.PG最高振荡频率 ：晶体管对信号功率放大能力的极限.Mf第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管-

9、.晶体管的频率特性1)最大功率增益接有负载阻抗ZL的共射极高频等效电路图BIbrbbBreEbIZLCCTCIcC12TcTCf最大输出功率:221max22()(2)28bTboTTCTCIf IPf CCf输入功率:Pin=rbb Ib2最大功率增益：maxmax28oTpinbbTCPfKPr Cf5.5. 高频功率增益和最高振荡频率高频功率增益和最高振荡频率半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-10-2)最高振荡频率最高振荡频率2max8TpbbTCfMKfr C晶体管的高频优值晶体管的高频优值

10、: 与频率平方的积MpG第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的频率特性Mf： 下降到1时的频率maxpK12()8TMbbTCffr Cmax28 ()TpbbTeTCfKrf L Cf1218 ()MbbTeTCfrf L C频率达几千兆赫以上时，要加入管壳寄生参量的影响，主要的是发射极引线电感 的作用.eL3) 提高功率增益的途径提高功率增益的途径 （1）提高 fT 2） 减小基极电阻 rbb （3） 尽量减小结面积（4）尽量减小发射极引线电感和其他寄生参数 （5）选用合适的管壳半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics

11、Circuit & System-11-v大注入效应大注入效应BBBnNP第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管1) 基区电导调制效应基区电导调制效应 大注入时，注入到基区的少子不能忽略，为维持电中性，相应增加的多子浓度不能忽略，在基区中建立了和注入少子有同样浓度梯度的多子分布，从而使基区电阻率显著下降，产生基区电导率受注入电流调制的基区电导调制效应基区电导调制效应。2)自建电场自建电场 为维持基区多子分布，在基区产生由集电结指向发射结的电场 ，称大注入自建电场大注入自建电场。bEdxdPPqkTEdxdPqDEqPJBBBpBpBBp10空穴动态平衡时：注入EnNnEnNNdxdnnnN

12、ndxdNNnNNqkTBBBbBBBBBBBBBBBBB11第三节第三节 晶体管的功率特性晶体管的功率特性半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-12-积分:第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管-.晶体管的功率特性dxpndpqDdxdnpdxdpnpqDBBBnBBBBBBnB)(dxdndxdppnqDdxdnqDEqnJBBBBnBBnBnBBn基区少子电流：00 xBBWxBBnBWBnpnpnqDdxpJBB3)基区渡越时间与输运系数基区渡越时间与输运系数发射结注入基区电子(少子)流:BB

13、BWBBBnBEWBWxBBxBBnBEndxppnqDAdxppnpnqDAI000)0()0(qkTVBE/0BCV半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-13-00(0) (0)bbWWbBpdxndxD pnBn基区少子总量Q少子电流I基区输运系数基区输运系数0011(0) (0)bbWWbBBBpdxndxDpn 基区渡越时间基区渡越时间适用于基区任意注入强度与任意杂质分布对于基区小注入并且均匀掺杂2212BBWL 22BbBWD第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的功率特性大注

14、入时dxdnDqdxdnqDdxdnnqkTnqJnBnBnBn)2(1半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-14-与缓变基区小注入时相比：221(1)2BbBWeD时，两式相等2.56则对于缓变基区晶体管，2.562.56时，大注入使时，大注入使bb大注入时:24BbBWD2214BBWL v无论基区是否均匀掺杂，基区少子形式完全由扩散电流构成，与均匀基区小注入相同，只扩散系数DB扩大了一倍，即Webster效应第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的功率特性半导体器件原理2009.06

15、.05Institute of Microelectronics Circuit & System-15-第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的功率特性发射结注入基区电子流:BWBBBnBEndxppnqDAI0)0()0(同理，从基区注入发射区的少子空穴流：2()exp()EiEBEPEEOA qnDqVIQkTbnBBkTqVnBiEWBEkTqVnBiEIQeDqnAdxpqAeDqnABEBBE0/20/2)()(4）注入水准对电流放大系数的影响注入水准对电流放大系数的影响半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics C

16、ircuit & System-16-*小注入：111EBBOEBEEOBD QRD QR得*小电流时下降，是基极电流中发射结势垒区复合电流比例增大所致CI1uA100mA100uA200400第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的功率特性则注入效率：()11EBBOnbPnBEEODQIIID Q 0BBbnQI*大注入：22114EnbEBCBEEOBEEOD ID WID QD Q 得0BBbnQI12222144EBCBBBEEOD W IWLD Q半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & Sys

17、tem-17-有效基区扩展效应基区扩展效应 - 大电流下，晶体管的有效基区宽度随注入电流的增加而扩展的现象，也称为克尔克（Kirk）效应。 当少子电子以有限速度经过集电结势垒区时，电流很大时，对空间电荷有改变，从而改变势垒区电场分布。势垒区中轻掺杂N- 一侧中泊松方程:1）注入电流对集电结电场分布的影响注入电流对集电结电场分布的影响第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的功率特性*集电结势垒区全部退出基区,左边界移到集电结冶金结界面处,此时JC记为JCH，称强电场下的临界电流密度临界电流密度.sCnNqdxdE)(半导体器件原理2009.06.05Institute of Mi

18、croelectronics Circuit & System-18-2）强电场下的基区纵向扩散强电场下的基区纵向扩散)/(maxqvJnCH单边突变结1202ADDADmNNVqN Nx120max2()()biCBCCHCVVWJqNqV第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的功率特性0max22()CBCCVqVNqWbiCBVVCCCBbiCHNqWVVqvJ20max212maxmax1CHCBCCCJqvNWWJqvNv基区扩展量：半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-19-3

19、 3）弱电场下的基区纵向扩展弱电场下的基区纵向扩展ebPcNCWBWCBWWN在电流密度下JC，N-区域上未耗尽区d1上的压降 V1为:1CCVJ1d弱电场下的临界(pn结电压为零)电流密度为：CBCBCLnCCCCVVJqNWWCCLJJ集电结正偏， 主要降在 区域内的电阻上CBWWCBV()CBCCCBVJWW(1)CBCLBCCCCCVJWWWJJ第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的功率特性v条件条件:VCB较低,WC较大N-半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-20-4 4）基

20、区扩展对基区扩展对 的影响的影响 当JCLJCH 时 基区纵向扩展时，基区集电结势垒区边上的少子浓度已经很高，必须向周围非工作基区扩散，使基区有效面积变大。第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的功率特性基区横向扩展：基区横向扩展：CCBEEEOBIIIWWDQDCLC22)(4CCCLCBEEEOBCBEEEOBIIIWWDQDIWDQD2222144发生基区扩展时半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-21- 晶体管工作在大电流状态时，较大的基极电流流过基极电阻，将在基区中产生较大的横向

21、压降，使发射结正向偏置电压从边缘到中心逐渐减小，发射极电流密度则由中心到边缘逐渐增大 。 第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的功率特性1)集边效应集边效应3.3. 发射结电流集边效应发射结电流集边效应基极电流IB(y)在dy段电阻上产生的压降为： 集电结零偏时发射极电流：()expBEEESq VVJJkT 1)(BeBEEERldyyIkTqyJdVkTqyJydJ口1)(BeBRldyyIdV口半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-22-第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管-

22、 .晶体管的功率特性设发射极条很宽,有边界条件: 0,0/,0,BBCIdydIJy时112)0(1)(ykTlqRIyIeBBB口 201)0()()()(yyJdyydIlyJyJldyydIEBeEEeB ,20)0(221eBBEkTlIRqJ口2/110)0(2EBJqRkTy口 dyydIkTlRyqIdyydJldyyIdBeBBEeB122口 yJldyydIdylyJydIydIEeBeEEBIB(y)的表达式：其中: 半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-23-第三章第三章 双极结型晶

23、体管双极结型晶体管- .晶体管的功率特性2/10BKWy 2/1121npK其中v大注入时大注入时v电流集边效应使工作基区局限在发射结边缘下面,基极电流流经的路程缩短,因此基极电阻将减小.10106122BBbbRlyRlyr口口时02 ySe2)发射极有效条宽发射极有效条宽00)0()(EeEeEJyldyyJlI3)电流集边效应对电流集边效应对 及及rbb的影响的影响CECBEEEOBCCBEEEOBJAWWDQDIWWDQD22224422CCBIWW)/(0ylIJeCC半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & S

24、ystem-24-第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的功率特性4)4)发射极单位长度的电流容量发射极单位长度的电流容量单位发射极长度内不发生大注入效应和基区扩展效应的最大电流。记为i02/11002BCRCRqRkTJyJi口eCLiI0max 2/1050)(npBkTNi大(1)要防止大注入效应的要防止大注入效应的v开关管i05A/cm; 一般放大管i0:0.51.5A/cm; 线性放大管i00.6V，基区存储的少子电荷为：基极电流的一部分用来增加与不断增加的qB等量的多子电荷，以维持基区的电中性，这相当于对对CDE的充电的充电。（2）VBE的微增，即Ib1中的一部分对

25、对CTE充电充电：()()CTCCSLCCTCLCdqCrR diC R di（3） ，则Ib1中的一部分对对CTC充电充电：()BCCCSCVirR CeCeTEBETEEdidirCdvCdqCi半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-36-综上所述，驱动电流 Ib1：1CCBEbdqidqdqIdtdtdt()CCebbcTCLdiiC Rdt当t = 0时，iC = 0，则有：当 t = tr 时，iC(tr)=ICS，则得第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- 晶体管的开关特性3 3）存储时

26、间存储时间t ts s1bBSII过驱动电流 使 微增，在基区、集电区引进了超量储1()CCbBSQIICiBQCQ存电荷 与 一般有CBQQ)(exp1)(1LTCcbebCRCtItiCSbbLTCcberIIIRCt11ln)(半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-37-当输入回路的正脉冲消失后，输入回路存在一个较大反向基极电流，即2BBEBbbEViIR v 只要 、 还在，集电结上就有正电压，而 远大于两个结上的正电压，故 维持在 不变。BQCQCECSICi第三章第三章 双极结型晶体管双极结型

27、晶体管- 晶体管的开关特性其间，基极上有两个电流流入 ，维持 不变。流出 CSICSI2/bCSII在存储时间期间，QC满足以下的微分方程，即2()CCCSbCdQQIIdt 半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-38-122ln()bbsCCSbIItII根据边界条件QC(0)=C(Ib1-IBS)、QC(ts)=0，可得：4）下降时间下降时间ft设-Ib不变，分别用（-Ib2)和（-tf）代替前式中的Ib1，tr 得：2211.7()ln()2bCSfTCCLTbIItCERfI第三章第三章 双极结型

28、晶体管双极结型晶体管- 晶体管的开关特性提高开关速度的措施提高开关速度的措施（1）降低集电区少子寿命（2）提高 ，但会使击穿电压降低。CN（3）采用较薄的外延层使 CQ（4）采用肖特基钳位二极管来阻止晶体管进入饱和。（5）减小结面积以减小结电容。半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-39-噪声噪声:无规则变化的电流或电压,但有其统计规律。第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管* 晶体管的噪声特性晶体管的噪声特性 噪声表现为电流或电压在宏观平均值附近的无规则起伏。主要有三种噪声源:（1）热噪声热噪声:半

29、导体材料体内载流子热运动的起伏而产生的。（2）散粒噪声散粒噪声:通过pn结载流子的数量和速度的不规则变化而产生的。 （3）1/f噪声噪声:与表面现象有关。半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-40-引引 言言1. 晶体管按工作原理分类晶体管按工作原理分类:第四章第四章 场效应晶体管场效应晶体管1) 双极型晶体管双极型晶体管 2) 场效应晶体管场效应晶体管(Field effect transistor: FET)*20世纪三十年代世纪三十年代:利林费尔德-场效应思想 -通过加在半导体表面上的垂直电场来调制

30、半导体的电导率。*1962年前后年前后:Si平面工艺和外延技术发展;表面态密度大大降低。2. FET按结构和工艺特点来划分按结构和工艺特点来划分 1) 结型栅场效应晶体管(JFET) 2) 肖特基势垒栅场效应晶体管(MESFET) 3) 绝缘栅场效应晶体管(IGFET)半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-41-3. 与双极型晶体管相比, FET的优点的优点:1) 输入阻抗高; 2) 功耗小; 3) 噪声系数小; 4) 温度稳定性好; 5) 抗辐射能力强第四章第四章 场效应晶体管场效应晶体管-引 言4.

31、JFET和和MESFET半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-42-第四章第四章 场效应晶体管场效应晶体管v结构和分类结构和分类1) 结构结构第一节第一节 MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性2) 工作原理工作原理半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-43-3) 输出特性输出特性(1)OA段: 线性区线性区,VGS决定沟道电阻* 集成电路中的都是横向MOSFET,即沟道电流是水平方向流动;分立器件中有的沟道电

32、流是垂直方向流动的,称为纵向MOSFET。第四章第四章 场效应晶体管场效应晶体管-1.MOSFET的基本特性(2)AB段: 过渡区过渡区,沟道压降影响沟道电阻(3)BC段: 饱和区饱和区,VDSVDsat,之后沟道有效长度随VDS增大而缩短,称为有效沟道长度有效沟道长度调变效应调变效应.(4)CD段: 击穿区击穿区,VDSBVDS非非饱饱和和区区4)MOSFET类型类型* N沟道增强型、耗尽型, P沟道增强型、 耗尽型半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-44-又称开启电压，是使栅下的衬底表面开始发生强反

33、型时的栅极电压,记为VT。第四章第四章 场效应晶体管场效应晶体管-1.MOSFET的基本特性MOSFETMOSFET的阈值电压的阈值电压1)MOS结构的阈电压结构的阈电压(1)功函数功函数Wm=E0 (EF)mWmE0(EF)mWs=E0 (EF)sWsE0(EF)sECEV半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-45-金半功函数差为零; 栅氧化层内有效电荷面密度为零; 栅氧化层与半导体界面处不存在界面态。第四章第四章 场效应晶体管场效应晶体管-1.MOSFET的基本特性(2)(2)理想理想MOSMOS结构

34、结构半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-46-（3 3）实际实际MOSMOS结构与平带电压结构与平带电压第四章第四章 场效应晶体管场效应晶体管-1.MOSFET的基本特性0, 0oxmsQ 通常有 ,使半导体一侧带负电荷,类同VG0, 能带在表面向下弯曲,数量为:)/(oxoxmsCQqqv定义:从表面到体内平衡处的电势差,为表面势表面势 ,即FBoxoxmssVCQ/sFPoxFPAoxoxmsTCQCQV2)2( 有效栅极电压（VG-VFB）一部分降在栅氧化层上，即 ，另一部分降在半导体上，即 .刚

35、发生强反型时,栅极电压VG即阈电压VT:oxVs（4）实际实际MOS结构的阈电压结构的阈电压VToxsoxmoxCQCQVAAnsQQQQ耗尽区中电离受主电荷面密度反型层电荷面密度FPoxFPTVVV2半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-47-2) 2) MOSFETMOSFET的阈电压的阈电压VGVSVBBDSGnnFBBGVVV)(BsFnFPVVqEE（1）有效栅极电压为（2）（3）强反型时表面势 ，增为（4）强反型时沟道下耗尽区厚度BsFPinvsVV 2,21,max)2(AinvssdqNx

36、invs,则耗尽区中电离受主电荷面密度FpBSFpoxAsoxoxmssTVVCNqCQVV2)2()2(2/12/121,2)(invssAinvsAqNQ第四章第四章 场效应晶体管场效应晶体管-1.MOSFET的基本特性P衬底半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-48-3）影响影响VT 的几个因素的几个因素（1）栅电容 （2）衬底费米势 （3）金半功函数差oxCFpms令 称为P型衬底体因子。 取VS=0、VB=0则有FpFpoxoxmsTKCQV2)2(2/1oxAsCNqK21)2(第四章第四章

37、场效应晶体管场效应晶体管-1.MOSFET的基本特性v一般器件掺杂范围内,掺杂影响最大的是QA,故可以通过掺杂对QA的影响来改变VT.强反型后（4）衬底杂质浓度N2/1max)4(FPAsdAANqxqNQ（5）栅氧化层中Qoxv影响Qox的因素:制造工艺晶面氧化以后的工艺半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-49-衬底偏置效应衬底偏置效应(体效应体效应):衬底与源极之间外加衬底偏压VBS后,MOSFET的特性将发生变化.第四章第四章 场效应晶体管场效应晶体管-1.MOSFET的基本特性（6）衬底偏置电压

38、的影响v空间电荷面密度随偏压增大而增大.FpBSFpoxoxmssTVVKCQVV2)2(2/112122/12/100FpBSFpVTVTTVKVVVBSBSGSV0AnOXMQQQ：Q电中性BSVv物理意义物理意义半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-50-vMOSFET的伏安特性的伏安特性假设假设：沟道内电压降忽略不计 扩散电流忽略不计沟道内c 缓变沟道近似强反型近似 栅氧化层内有效电荷面密度为常数第四章第四章 场效应晶体管场效应晶体管-1.MOSFET的基本特性dVQLZIDSVVnnD)(dVQ

39、ZdyIDSVVnnLD)(01) 非饱和区非饱和区（1）漏电流的一般表达式）漏电流的一般表达式忽略扩散电流，则沟道内电子电流密度为dydVnqnEqJnynCdydVQZdydVqndxZ：InnbnD)(0积分bnqndxQ0-沟道电子电荷面密度半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-51-oxAsSDSDFpFBGDCqNVVVVVVI2/122)2(32)(21)(2(2/32/3)2()2(SBFpDBFpVVVV（2）沟道电子电荷面密度）沟道电子电荷面密度Qn与漏电流与漏电流第四章第四章 场效应

40、晶体管场效应晶体管-1.MOSFET的基本特性 衬底表面强反型后,沟道电子的屏蔽使VG增加部分几乎全落在栅氧化层上，半导体中能带弯曲程度不再增大，表面势和耗尽区宽都不再变化。2/1,)(22)(yVVqNVVCQQQBFpAsinvsFBGoxAsn2/1)(22)(2(yVVqNyVVVCBFpAsFpFBGox)(2,yVVBFpinvsLCZoxn-MOSFET增益因子半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-52-221)(DSDSTGSDVVVVITSBVVV, 0, 0TGSDsatDSDVVVd

41、VdI 02)(2TGSVVIDsat对于pMOSFET:221)(DSDSTGSDVVVVI2)(2TGSVVIDsat饱和漏极电压第四章第四章 场效应晶体管场效应晶体管-1.MOSFET的基本特性饱和漏极电流TGSDSVVV2）饱和区饱和区)(/也可以感应出电子不可忽略yEVyDSID近似不变,但略有增加。DsatDSVV半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-53-（1）有效沟道长度调制效应有效沟道长度调制效应：VDSVDsat,沟道有效长度随VDS增大而缩短的现象。第四章第四章 场效应晶体管场效应晶

42、体管-1.MOSFET的基本特性vVDS=VDsat时, V(L)=VDsat,夹断点电势夹断点电势VDsat,沟道压降也是VDsat夹断点处夹断点处栅沟电压为栅沟电压为VGS-VDsat=VT。vVDSVDsat时, 沟道中各点电势均上升,V(y)=VDsat位置左移,夹断点左移夹断点左移,有效沟道压降不变VDsat=VGS-VT,夹断点处栅沟电压为夹断点处栅沟电压为VGS-VDsat=VT。21)(2ADsatDSsqNVVL沟道长度调制量：)/11()(212LLIVVCLZIDsatTGSoxnD半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronic

43、s Circuit & System-54- 衬底低掺杂时，漏衬耗尽层随VDS增大而展宽很快，宽度可与沟道长相比拟，这时，起始于漏区的电力线不再全部终止于扩展到衬底中的耗尽层空间电荷上，即有一大部分穿过耗尽区终止于沟道区的可动电荷上，静电耦合。（2）漏区静电场对沟道区的反馈作用漏区静电场对沟道区的反馈作用v衬底中等掺杂以上时，漏电流不饱和的主要原因是有效沟道调制效应。衬底低掺杂时，以漏区沟道耦合作用为主。 第四章第四章 场效应晶体管场效应晶体管-1.MOSFET的基本特性 漏-沟间存在耦合电容,使单位面积沟道区内产生的平均电荷密度的增量为:ZLVCQDSdCTAV3) 亚阈区亚阈区 VGSVT

44、 ,ID0本征电压本征电压 Vi：外加栅源电压使半导体表面附近能带下弯 时，半导体表面处于本征状态，这时栅源电压称本征电压。Fpq半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-55-亚阈漏电流、次开启电流亚阈漏电流、次开启电流IDsub：表面处于弱反型状态，表面电子浓度介于本征载流子浓度ni和衬底平衡多子浓度nA 之间，有VDS时有很小的ID。LLnnAqDdydnAqDInnDsub)()0(第四章第四章 场效应晶体管场效应晶体管-1.MOSFET的基本特性v此时IDsub主要由沟道扩散电流引起，忽略漂移电流。

45、)exp()0(0kTqnnsp)(exp)(0kTVqnLnDSsp2/12)(sAssAsDNqddQCAsDsqNCqkTqEkTb)()exp(1)exp()2exp()()(2kTqVkTqkTqCqkTLZIDSSFpSDnDsub-沟道有效厚度2/12ssAsAsqNQE-高斯定律-沟道下耗尽层电容半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-56-)exp(1)(exp()(2kTqVnVVkTqCqkTLZIDSTGSDnDsub第四章第四章 场效应晶体管场效应晶体管-1.MOSFET的基本特性

46、4）击穿区击穿区VDS超过一定值时，IDS迅速上升,称漏源击穿。此时为漏源击穿电压BVDS。(1)之一之一-漏极雪崩击穿漏极雪崩击穿：源衬相连时，VDS对漏pn结呈反向电压，VDS增加到一定程度时漏pn结会雪崩击穿。 实际漏结击穿电压比理论值要低。v 实验表明:当衬底电阻率较大时,漏结击穿电压不再与衬底材料掺杂浓度有关,而主要由栅极电压的极性、大小和栅氧化层的厚度所决定。v亚阈区栅源电压摆幅亚阈区栅源电压摆幅S: 表征亚阈区中VGS对IDsub的控制能力.半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-57-之二之

47、二-漏源穿通击穿电压（漏源穿通击穿电压（VPT） L 较短，衬 较高时，漏衬间尚未雪崩击穿，但漏 pn 结耗尽区已扩展到与源区相连，称漏源穿通击穿（VPT），VDS继续，源 pn结正偏，大量电子进入沟道，被强电场扫入漏区，形成较大的 ID。 210sd)(2xqNVVbi2PT2VLqNsA一维状态：类同双极型管基区穿通，但那里NBNC，不易基区穿通，这里反之。 （2）栅源击穿电压栅源击穿电压 BVGS取决于栅氧化层和温度 VGS超过一定值（BVGS）时，栅氧化层击穿，栅衬短路，造成永久性损坏。氧化层击穿的临界电场:21. 0oxBTEnmTox200100)80(nmTox时，EB与TOX无

48、关，BVGS与TOX成正比。vMOS电容的两个特点： 一.绝缘电阻非常高；二.电容量很小。第四章第四章 场效应晶体管场效应晶体管-1.MOSFET的基本特性半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-58-MOSFETMOSFET直流参数与温度特性直流参数与温度特性1）阈值电压阈值电压VTFpBSFpASOXOXOXMSSTVVqNCCQVV222121（第四章第四章 场效应晶体管场效应晶体管-1.MOSFET的基本特性ln)2(2)2(22)2(2)2(2221212121VCABSFpOXASFpBSFpOXASTNNNqkVCqNdTdVCqNdTdVqENNNqkTeNNNqkTnNqkTgVCAkTEVCAiAFpg2lnlnln)2/(3) 在-55C 125 C时，VT与T成线性关系(2) VBS的引入使 减小dTdV)(02沟道ndTdVNNNTAVC(1)半导体器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-59-2 2）饱和漏极电流饱和漏极电流I