晶体管原理第五章

晶体管原理第五章第1页/共69页2场效应晶体管（FieldEffectTransistor，FET）是另一类重要的微电子器件。这是一种电压控制型多子导电器件，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①输入阻抗高；②温度稳定性好；③噪声小；④大电流特性好；⑤无少子存储效应，开关速度高；⑥制造工艺简单；⑦各管之间存在天然隔离。绝缘栅场效应晶体管第五章第2页/共69页3结型栅场效应晶体管（JFET）肖特基势垒栅场效应晶体管（

MESFET）绝缘栅场效应晶体管（IGFET或MOSFET)

场效应晶体管（FET）的分类绝缘栅场效应晶体管第五章第3页/共69页4

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控制导电沟道的截面积，从而控制沟道的导电能力。两种FET的不同之处仅在于，JFET是利用PN结作为控制栅，而MESFET则是利用金-半结（肖特基势垒结）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FET又可分为N

沟道器件和

P

沟道器件。绝缘栅场效应晶体管第五章第4页/共69页5

J-FET的基本结构源、漏绝缘栅场效应晶体管第五章第5页/共69页6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。

5.1.1MOSFET

的结构

MOSFET基础第五章第6页/共69页7

MOSFET的立体结构

MOSFET基础第五章第7页/共69页8P型衬底

N

沟道MOSFET的剖面图P型衬底

MOSFET基础第一节第8页/共69页9

5.1.2MOSFET

的工作原理当

VGS=0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

>0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P型硅表面产生感应负电荷，随着栅压增加，P型硅表面将耗尽而反型，产生电子积累。当栅压增加到VT（称为

阈电压）时，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来控制沟道的导电性，从而控制漏极电流ID

，是一种电压控制型器件。

MOSFET基础第一节第9页/共69页10

转移特性曲线：VDS

恒定时的VGS~

ID曲线。MOSFET的转移特性反映了栅源电压

VGS对漏极电流

ID的控制能力。

N

沟道MOSFET

当VT>0时，称为

增强型

，为

常关型。VT

<0时，称为

耗尽型

，为

常开型。IDVGSVT0IDVGSVT0

MOSFET基础第一节第10页/共69页11

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。

(3)沟道中的可动载流子为空穴。

(4)VT

<0时称为增强型（常关型），VT>0时称为耗尽型（常开型）。

5.1.3MOSFET

的类型

MOSFET基础第一节第11页/共69页12

输出特性曲线：VGS>VT且恒定时的VDS~

ID

曲线。可分为以下4段

5.1.4MOSFET

的输出特性

MOSFET基础第一节第12页/共69页13①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。

MOSFET基础第一节第13页/共69页14②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，如图中的

AB段所示。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

夹断，如图中的

B点所示。线性区与过渡区统称为

非饱和区，有时也统称为

线性区。

MOSFET基础第一节第14页/共69页15③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。

MOSFET基础第一节第15页/共69页16④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。

MOSFET基础第一节第16页/共69页17将各曲线的夹断点用虚线连接起来，虚线左侧为非饱和区，虚线右侧为饱和区。以

VGS

作为参变量，可得到不同

VGS下的

VDS

~ID曲线族，这就是MOSFET的

输出特性曲线。

MOSFET基础第一节第17页/共69页18

4种类型MOSFET的特性曲线小结第18页/共69页19

定义：使栅下的硅表面处开始发生强反型时的栅电压称为阈电压

，记为

VT

。

定义：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

强反型

。在推导阈电压的表达式时可以近似地采用一维分析，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的电压所决定，与漏极电压无关。

MOSFET的阈值电压第二节第19页/共69页20

5.2.1MOS结构的阈电压

本小节推导P

型衬底MOS结构的阈电压

。

MOSFET的阈值电压第二节第20页/共69页21上图中，

1、理想MOS

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QOX

=0）当VG=0时的能带图称为P

型衬底的费米势

MOSFET的阈值电压第二节第21页/共69页22

2、实际

MOS结构（MS<0，QOX>0）当

VG=0时的能带图上图中，S称为

表面势，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q

。COX

代表单位面积的栅氧化层电容，，TOX

代表栅氧化层厚度。第22页/共69页23

3、实际MOS结构当

VG=VFB

时的能带图当时，可以使能带恢复为平带状态，这时S=0，硅表面呈电中性。VFB

称为

平带电压

。

MOSFET的阈值电压第二节第23页/共69页24

4、实际MOS结构当VG

=VT时的能带图要使表面发生强反型，应使表面处的EF-Eis=qFP

，这时能带总的弯曲量是2qFP

，表面势为S=S,inv=2FP

。

MOSFET的阈值电压第二节第24页/共69页25外加栅电压超过

VFB

的部分（VG

-VFB）称为

有效栅电压。有效栅电压可分为两部分：降在氧化层上的VOX与降在硅表面附近的表面电势S

，即

VG–VFB=VOX+S

表面势S使能带发生弯曲。表面发生强反型时能带的弯曲量是2qFP

，表面势为2FP

，于是可得：

VT–VFB=VOX+2FP

VT=VFB+VOX+2FP

MOSFET的阈值电压第二节第25页/共69页26上式中，QM和QS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QS又是耗尽层电荷QA与反型层电荷Qn之和。-QAQM-QnCOX}-QS

MOSFET的阈值电压第二节第26页/共69页27中，可得MOS结构的阈电压为再将和上式代入VT=VFB+VOX+2FP关于QA

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Qn。QA

是S

的函数，在开始发生强反型时，QA(S)=QA(2FP)，故得：

MOSFET的阈值电压第二节第27页/共69页28

1、阈电压一般表达式的导出

MOSFET与MOS结构的不同之处是：

a)栅与衬底之间的外加电压由

VG

变为(VG-VB)，因此有效栅电压由(VG-VFB)变为(VG-VB-

VFB)。

b)有反向电压(VS

-VB)加在源、漏及反型层的PN结上，使之处于非平衡状态，EFp-EFn=q(VS

-VB)。

c)强反型开始时的表面势S,inv由2FP变为(2FP+VS-VB)。

5.2.2MOSFET

的阈电压

第28页/共69页29因此MOSFET的阈电压一般表达式为

MOSFET的阈值电压第二节第29页/共69页30以下推导QA

的表达式。对于均匀掺杂的衬底，式中，，称为

体因子。

MOSFET的阈值电压第二节第30页/共69页31于是可得N

沟MOSFET的阈电压为

MOSFET的阈值电压第二节第31页/共69页32注意上式中，通常VS

>0，VB<0。当VS=0，VB=0时，这与前面得到的MOS结构的阈电压表达式相同。

MOSFET的阈值电压第二节第32页/共69页33称为N

型衬底的费米势。同理，P

沟MOSFET的阈电压为式中，FN与FP可以统一写为FB

，代表

衬底费米势。

MOSFET的阈值电压第二节34

2、影响阈电压的因素当VS=0，VB=0时，N

沟道与P

沟道MOSFET的阈电压可统一写为

a)栅氧化层厚度TOX

一般来说，当TOX

减薄时，|VT|是减小的。早期MOSFET的TOX的典型值为150nm

，目前高性能MOSFET的

TOX可达10nm

以下。

MOSFET的阈值电压第二节第34页/共69页35

b)衬底费米势FB

FB与掺杂浓度有关，但影响不大。室温下，当掺杂浓度为1015cm-3时，约为0.3V。

MOSFET的阈值电压第二节第35页/共69页36

MS与金属种类、半导体导电类型及掺杂浓度有关。对于Al~Si系统，

c)功函数差MS-0.6V～-1.0V(N沟)-0.6V～-0.2V(P沟)（见图5-15）当N=1015cm-3

时，-0.9V(N沟)-0.3V(P沟)

MS=

MS=

MOSFET的阈值电压第二节第36页/共69页37

d)耗尽区电离杂质电荷面密度QAD由于FB与掺杂浓度N的关系不大，故可近似地得到

MOSFET的阈值电压第二节第37页/共69页38

e)栅氧化层中的电荷面密度QOX

QOX主要包括：Si-SiO2界面的固定电荷密度QSS和界面附近的可动Na+离子。QOX总是正的，所以上式的第二项总是负的。在一般工艺条件下，当TOX

=150nm时，

MOSFET的阈值电压第二节第38页/共69页39影响QOX的因素

①制造工艺。如果在制备栅氧化层时，清洗工作做得不好，混入了带正电荷的杂质离子，就会使QOX增大，尤其是碱金属离子Na+、K+的影响最大。

MOSFET的阈值电压第二节

②晶面。在同样的材料和工艺条件下，QSS随晶面的不同而不同，所以在不同晶面上制作MOSFET，其阈值电压也不同。

③氧化以后的工艺。第39页/共69页40

调整阈电压主要是通过改变掺杂浓度N（例如离子注入）和改变栅氧化层厚度

TOX来实现。

对于P沟道MOSFET，上式中的四项都是负的，所以VT总是负值，即由常规铝硅工艺制作的P沟道MOSFET都是增强型的。

MOSFET的阈值电压第二节

对于N沟道MOSFET，上式中的第一项和第二项是负的，后两项是正的。当QOX较大和NA较小时，VT是负值，MOSFET是耗尽型；当QOX较小和NA较大时，VT是正值，MOSFET是增强型。第40页/共69页41对于N沟道MOSFET，

3、衬底偏置效应（体效应）

衬底偏置效应：VT

随VBS

的变化而变化。当VS=0时，可将源极作为电位参考点，这时VG=VGS

、VD=VDS、VB=VBS。

MOSFET的阈值电压第二节第41页/共69页42对于P沟道MOSFET，可见，当|VBS|增大时，N沟道MOSFET的阈电压向正方向变化，而P沟道MOSFET的阈电压向负方向变化。由于，所以TOX越厚、N越高，衬底偏置效应就越严重。

MOSFET的阈值电压第二节第42页/共69页43

4、离子注入对阈电压的调整

假设注入的杂质浓度为阶梯形分布，且注入深度

R小于沟道下的衬底耗尽区最大厚度

xdmax，

MOSFET的阈值电压第二节第43页/共69页44则经离子注入调整后的阈电压为

阈电压的调整量为

式中，NI代表离子注入增加的杂质浓度，NA=NA

+NI；QI=-qNIR代表离子注入在耗尽区增加的电离杂质电荷面密度。

MOSFET的阈值电压第二节第44页/共69页45

本节将以N沟道MOSFET为例，推导MOSFET的ID~

VD方程。IDVD

MOSFET的直流电流电压方程第三节第45页/共69页46

推导时采用如下假设：①沟道电流只由漂移电流构成，忽略扩散电流；②采用缓变沟道近似，即：这表示沟道厚度沿y

方向的变化很小，沟道电子电荷全部由感应出来而与无关；

5.3.1非饱和区直流电流电压方程

MOSFET的直流电流电压方程第三节第46页/共69页47附：泊松方程

MOSFET的直流电流电压方程第三节IDVD第47页/共69页48③沟道内的载流子（电子）迁移率为常数；④采用强反型近似，即认为当表面少子浓度达到体内平衡多子浓度（也即S=S,inv）时沟道开始导电；⑤QOX

为常数，与能带的弯曲程度无关。

MOSFET的直流电流电压方程第三节第48页/共69页49当在漏极上加

VD>

VS后，产生漂移电流，式中，代表沟道内的电子电荷面密度。

1、漏极电流的一般表达式

（5-36）

MOSFET的直流电流电压方程第三节第49页/共69页50（5-37）（5-36）

MOSFET的直流电流电压方程第三节第50页/共69页51当VG>VT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

VG增大，表面势S也几乎维持S,inv不变。于是，

2、沟道电子电荷面密度

Qn

QAQMQn

MOSFET的直流电流电压方程第三节第51页/共69页52当外加VD

(>VS)后，沟道中将产生电势V(y)，V(y)随

y而增加，从源极处的V(0)=VS

增加到漏极处的V(L)=VD

。这样S,inv、xd与

QA都成为y的函数，分别为：

MOSFET的直流电流电压方程第三节第52页/共69页53将上面的S,inv和QA代入沟道电子电荷面密度Qn

后，可知Qn也成为

y的函数，即：

MOSFET的直流电流电压方程第三节第53页/共69页54将Qn代入式（5-37）对上式可进行简化。

3、漏极电流的精确表达式

并经积分后得：

MOSFET的直流电流电压方程第三节第54页/共69页55将Qn中的在V=0处用级数展开，当只取一项时，当

VS=0，VB=0时，可将

VD

写作VDS，将VG写作

VGS，则Qn成为：

4、漏极电流的近似表达式

MOSFET的直流电流电压方程第三节第55页/共69页56将此Qn代入式（5-37）的ID中，并经积分后得：（5-50）

MOSFET的直流电流电压方程第三节第56页/共69页57（5-51）再将写作，称为

MOSFET

的

增益因子，则

MOSFET的直流电流电压方程第三节第57页/共69页58式（5-51）表明，ID与VDS成

抛物线关系，即：式（5-51）只在抛物线的左半段有物理意义。IDsatIDVDsat0VDS

MOSFET的直流电流电压方程第三节第58页/共69页59此时所对应的漏极电流称为

饱和漏极电流

IDsat

，由Qn

的表达式可知，在y=L

的漏极处，可见|Qn(L)|是随

VDS

增大而减小的。当

VDS

增大到被称为

饱和漏源电压

的

VDsat

时，Qn

(L)=0，沟道被夹断。显然，（5-52）

MOSFET的直流电流电压方程第三节第59页/共69页60这一点正好是抛物线的顶点。所以

VDsat

也可由令而解出。（5-53）

MOSFET的直流电流电压方程第三节第60页/共69页61当

VDS>VDsat

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。以不同的

VGS作为参变量，可得到一组ID~VDS

曲线，这就是MOSFET的输出特性曲线。

MOSFET的直流电流电压方程第三节第61页/共69页62对于P

沟道MOSFET，可得类似的结果，式中，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。

MOSFET的直流电流电压方程第三节第62页/共69页63实测表明，当

VDS

>VDsat

后，ID

随

VDS的增大而略有增大，也即MOSFET的增量输出电阻不是无穷大而是一个有限的值。

3.3.2饱和区的特性通常采用两个模