微電子元器件第六章 場(chǎng)效應(yīng)晶體管

1、第六章場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)：半導(dǎo)體的電導(dǎo)被垂直于半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)調(diào)制的效應(yīng)叫做場(chǎng)效應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)：半導(dǎo)體的電導(dǎo)被垂直于半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)調(diào)制的效應(yīng)叫做場(chǎng)效應(yīng)單極型晶體管：只有一種載流子參與導(dǎo)電過程的半導(dǎo)體器件。場(chǎng)效應(yīng)晶體管可分為：1、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ jfet）；2、金屬一半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(mesfet) ；3、金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(misfet)。6.1場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作原理p場(chǎng)效應(yīng)管（英縮寫fet）是電壓控制器件，它利用輸入電壓來控制輸出電流的變化。具有輸入阻抗高噪聲低，動(dòng)態(tài)范圍大，溫度系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于各種電子線路中。 由實(shí)驗(yàn)測(cè)得電壓和電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可得器件的i-v特性

2、曲線。該電路的電壓回路方程可寫為：)(ddvfi 負(fù)載線與特性曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流id電壓vd即為器件在這種偏置條件下的穩(wěn)態(tài)電流和電壓。6.1.1晶體管的負(fù)載線 器件的工作狀態(tài)受到了vg的控制。比如，在該例中，vg=0.5v時(shí)，器件兩端的直流電壓和通過負(fù)載的直流電流分別是vd=5v和id=10ma。不管vg是多大，通過負(fù)載的電流和器件兩端的電壓總是在負(fù)載線上變化。為器件增加一控制電極vg，vg增大時(shí)，通過器件的電流增大。 vg不同，對(duì)應(yīng)idvd 特性曲線不同，由此可得到一簇idvd 特性曲線。6.1.2 放大和開關(guān)作用p電壓控制的放大作用： vg上疊加一交流分量，如vg圍繞直流分量變化0.25v

3、, vd變化2 v, 交流電壓放大倍數(shù)為2/0.25=8 ;p開關(guān)作用： vg適當(dāng)變化，電流在id=0點(diǎn)和id=e/r之間切換，類似于一個(gè)開關(guān)。6.2 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ jfet ）圖圖6 6- -3-03-0 由兩種工藝制成的由兩種工藝制成的 溝道溝道jfetjfet（a a）外延外延擴(kuò)散工藝擴(kuò)散工藝 （b b）雙擴(kuò)散工藝雙擴(kuò)散工藝n源極源極sourcesources s 漏極漏極draindraind d 柵極柵極gategateg g：上柵、下柵上柵、下柵 jfetjfet的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu) np+p+如圖6.3所示的器件中，電子的流向從左向右。電子離開的一端為源極,電子流向的一端為

4、漏極p+區(qū)為柵極。p+np+ 圖圖6-0-1 6-0-1 的的jfetjfet：（：（a a） ，（，（b b） = = ，（，（c c）理想的漏極特性理想的漏極特性 0gvdvpvdvpv 6.2.1夾斷和飽和-工作原理在小電流情況下，耗盡區(qū)的寬度也近似等于平衡態(tài)耗盡區(qū)的寬度，如圖6-4a所示。當(dāng)vd增大引起電流增大時(shí)，漏端電勢(shì)高于源端電勢(shì)，且柵-溝結(jié)處于反偏狀態(tài)；反偏壓從漏端的vd降低到源端的0。由此可以判斷vg=0v時(shí)溝道耗盡區(qū)的形狀是如圖6-4b所示的形狀，即漏端附近的耗盡區(qū)深入到了溝道之中，溝道的有效面積減小。當(dāng)vd和id繼續(xù)增大時(shí)，漏端附近的耗盡區(qū)擴(kuò)展到溝道中心線附近，使溝道電阻進(jìn)

5、一步增大。當(dāng)vd增大到一定程度時(shí)，耗盡區(qū)在溝道中心線上相遇，此時(shí)溝道被夾斷了，如圖6-4c所示。溝道夾斷后，電流id不再隨vd的增大而顯著增大，而是基本保持在夾斷時(shí)的水平，即電流飽和。圖6-4 jfet的溝道耗盡區(qū)和電流隨漏偏壓vd變化情況(vg=0v)(a)線性變化區(qū)； (b)接近于夾斷的情形： (c)夾斷后的情形6.2.2 柵的控制作用p若在柵極上施加負(fù)偏壓，即vg0，那么即使漏極偏壓很小，溝道也很容易被夾斷。負(fù)柵偏壓使耗盡區(qū)的寬度增大，從而使溝道的寬度減小；在較小的漏極偏壓下，溝道漏端將首先被夾斷。柵壓越負(fù)，將溝道夾斷所需的漏極偏壓就越?。煌瑫r(shí)，飽和電流也比vg=0v時(shí)的飽和電流減小了，

6、如圖6.5b所示。顯然，在不同的柵偏壓下，可得到一簇，i-v曲線。p 夾斷后的漏電流如即飽和電流的大小取決于柵偏壓vg的大小。若在柵極上施加交流信號(hào)，則漏電流的變化就反映了jfet對(duì)交流信號(hào)的放大作用。由于柵偏壓總是作用在反偏的柵-溝結(jié)上，所以jfet的輸入阻抗很高。6.2.3 jfet6.2.3 jfet的的i-vi-v特性特性 p理想的理想的jfetjfet基本假設(shè)及其意義基本假設(shè)及其意義 1)1)單邊突變結(jié)：?jiǎn)芜呁蛔兘Y(jié)：scrscr在輕摻雜一側(cè)在輕摻雜一側(cè)2)2)溝道內(nèi)雜質(zhì)分布均勻：無內(nèi)建電場(chǎng)，載流子分布均勻，無擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。溝道內(nèi)雜質(zhì)分布均勻：無內(nèi)建電場(chǎng)，載流子分布均勻，無擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。3)3

7、)溝道內(nèi)載流子遷移率為常數(shù)；溝道內(nèi)載流子遷移率為常數(shù)；4)4)忽略有源區(qū)以外源、漏區(qū)以及接觸上的電壓降，于是溝道長(zhǎng)度為忽略有源區(qū)以外源、漏區(qū)以及接觸上的電壓降，于是溝道長(zhǎng)度為l l；5)5)緩變溝道近似，即空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)沿緩變溝道近似，即空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)沿y y方向，而中性溝道內(nèi)的電場(chǎng)只有方向，而中性溝道內(nèi)的電場(chǎng)只有x x方方向上的分量：二維問題化為一維問題。向上的分量：二維問題化為一維問題。6)6)長(zhǎng)溝道近似：長(zhǎng)溝道近似：l l 2 2（2a2a），），于是于是w w沿著沿著l l改變很小，看作是矩形溝道。改變很小，看作是矩形溝道。 6.2.3 jfet 6.2.3 jfet的的i-vi-

8、v特性特性圖圖6.2.3-1 6.2.3-1 有源溝道內(nèi)空間電荷區(qū)逐漸改變有源溝道內(nèi)空間電荷區(qū)逐漸改變. .6.2.3 jfet6.2.3 jfet的的i-vi-v特性特性一、夾斷前的電流電壓特性一、夾斷前的電流電壓特性jfetjfet中中x x處耗盡層寬度為處耗盡層寬度為 2102dgqnvxvxw( (6-2)6-2) ( (6-6)6-6) 漏漏極電極電流流dxdvwazjaid2為電為電流流流流過過的截面的截面積積。zwa2xvpgxdldvvvvzadxid0012( (6-8)6-8) pgxdgxvvvaqnvaxwa1)(2)( (6-7)6-7) jfetjfet的的i-vi

9、-v特性特性( (6-9)6-9) 式中式中 2323)(32)(320pgdpgpdpdvvvvvvvvgilnqazlazgdn22031)(32)(32)(3223232300pgpdppppgpdpdvvvvvgvvvvvvvgi（飽和）( (6-10)6-10) 令令 vd gv0dpgvvvgi100上式表明，漏極電流對(duì)漏極電壓的確是線性依賴關(guān)系。也反映出柵極電壓對(duì)上式表明，漏極電流對(duì)漏極電壓的確是線性依賴關(guān)系。也反映出柵極電壓對(duì)i-v曲線斜率的明顯影響。曲線斜率的明顯影響。gdggdggdvvvvvvvv231123232323n溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵壓-漏流特性曲線，稱為轉(zhuǎn)移特性

10、曲線， 6.2.3 jfet6.2.3 jfet的的i-vi-v特性特性 圖圖6.2.3-26.2.3-2 的硅的硅n n溝道溝道jfetjfet 電流電流 電壓特性：電壓特性： （a a） 的理論曲線，（的理論曲線，（b b）實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果 315105 . 2,170,5 . 1cmnlzmad0sr（a） （b） id （ma） 0 4 8 12 16 20 0 2 4 6 8 10 vd （v） 0gv v1 v2 v3 v4 線性區(qū) 飽和區(qū) id （ma） 0 4 8 12 16 20 0 2 4 6 8 10 vd （v） 0gv v1 v2 v3 v4 6.2.36.2.3 j

11、fetjfet的的i-vi-v特性特性溝道夾斷與夾斷電壓溝道夾斷與夾斷電壓： 在夾斷點(diǎn)，令在夾斷點(diǎn)，令 以及以及 ，可求得夾斷電壓：，可求得夾斷電壓： 式中式中 為夾斷電壓。常稱為夾斷電壓。常稱 為內(nèi)夾斷電壓。為內(nèi)夾斷電壓。由式（由式（5-65-6）可見，）可見，夾斷電壓僅由器件的材夾斷電壓僅由器件的材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，是器件的固有參數(shù)。料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，是器件的固有參數(shù)。pgvvvaw 0202pdpvnqav（6-4） pv0pv6.2.36.2.3 jfetjfet的的i-vi-v特性特性例題例題 n n溝道溝道jfetjfet有：有：以及以及 。求：（。求：（a a）夾斷電壓夾

12、斷電壓 和和 ，（，（b）在柵極和源極兩者接在柵極和源極兩者接地時(shí)，地時(shí)， 的漏極電流。的漏極電流。解：解： cmzmlmacmncmnkad1 . 0,30,1,10,105,1231931521350cmnsv pdvv0pvpv： ： a vknqavdp77. 31085. 812210510106 . 121415819020b130104 .142lnqazgdnmavvvgipppd6 . 93223023000vnnnvidat86. 01025. 210105ln026. 0ln201915206.2.36.2.3理想理想jfetjfet的的i-vi-v特性特性小結(jié)小結(jié)建立了

13、理想建立了理想jfetjfet的基本假設(shè)。的基本假設(shè)。 在理想在理想jfetjfet的基本假設(shè)的基礎(chǔ)上導(dǎo)出了夾斷前的基本假設(shè)的基礎(chǔ)上導(dǎo)出了夾斷前jfetjfet的的i iv v特性方程特性方程深入介紹了溝道夾斷和夾斷電壓的概念。由深入介紹了溝道夾斷和夾斷電壓的概念。由 可見，可見，夾斷電壓僅由器件的材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，是器件的固有參數(shù)。這就是夾斷電壓僅由器件的材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，是器件的固有參數(shù)。這就是“在在夾夾斷點(diǎn)斷點(diǎn)夾斷電壓相等夾斷電壓相等”一語的根據(jù)。一語的根據(jù)。323/200002223dddggdkigvvvvqa n（5-4） 00202pdpvknqav（5-6） 一、線

14、性區(qū)一、線性區(qū) 令令 , ,（5-45-4）式中的第二項(xiàng)：）式中的第二項(xiàng)： 把（把（5-75-7）式代入（）式代入（5-45-4）式并簡(jiǎn)化，得到）式并簡(jiǎn)化，得到 （5-85-8）上式表明，漏極電流對(duì)漏極電壓的確是線性依賴關(guān)系（上式表明，漏極電流對(duì)漏極電壓的確是線性依賴關(guān)系（5-85-8）式也）式也反映出柵極電壓對(duì)反映出柵極電壓對(duì)i-vi-v曲線斜率的明顯影響。曲線斜率的明顯影響。dvgv0 （5-75-7）gdggdggdvvvvvvvv02302302302302311dpogvvvgi0001230020023232ggddddvvvnqakvgi（5-4） 靜態(tài)特性靜態(tài)特性二、飽和區(qū)二、

15、飽和區(qū) 在夾斷點(diǎn)首先發(fā)生在漏端，漏極和柵極上的偏置電壓的大小滿足條件在夾斷點(diǎn)首先發(fā)生在漏端，漏極和柵極上的偏置電壓的大小滿足條件 可見，夾斷電壓由柵電壓和漏電壓共同確定。對(duì)于不同的柵電壓來說，為可見，夾斷電壓由柵電壓和漏電壓共同確定。對(duì)于不同的柵電壓來說，為達(dá)到夾斷條件所需要的漏電壓是不同的。達(dá)到夾斷條件所需要的漏電壓是不同的。 在圖在圖5-45-4 a a中把（中把（5-95-9）式繪成曲線，稱為夾斷曲線。超出夾斷曲線的電）式繪成曲線，稱為夾斷曲線。超出夾斷曲線的電流流電壓特性稱為飽和區(qū)，這是由于漏極電流是飽和的。電壓特性稱為飽和區(qū)，這是由于漏極電流是飽和的。把（把（5-95-9）式代入（）

16、式代入（5-45-4）式，導(dǎo)出飽和漏極電流）式，導(dǎo)出飽和漏極電流 ： pgdvvv00000031132pgpgdsvgvvvgi（5-95-9）dsi（5-105-10）（5-10）式稱為）式稱為jfet的轉(zhuǎn)移特性，并繪于圖的轉(zhuǎn)移特性，并繪于圖5-5中。在圖中。在圖5-5中，還畫出了拋中，還畫出了拋 物線物線式中式中 表示柵極電壓為零（即柵源短路）時(shí)的漏極飽和電流。注意表示表示柵極電壓為零（即柵源短路）時(shí)的漏極飽和電流。注意表示在（在（5-11）式中的簡(jiǎn)單平方律與（）式中的簡(jiǎn)單平方律與（5-10）式非常接近。）式非常接近。（5-5-1111）201pgdssdsvviidssi教學(xué)要求教學(xué)要

17、求jfetjfet的夾斷曲線的意義：的夾斷曲線的意義： 掌握線性區(qū)條件：掌握線性區(qū)條件： 掌握線性區(qū)掌握線性區(qū)i iv v特性：公式（特性：公式（5-85-8）掌握飽和區(qū)條件：掌握飽和區(qū)條件： 掌握飽和區(qū)掌握飽和區(qū)i iv v特性：公式（特性：公式（5-105-10）v作業(yè)：作業(yè)： （5-95-9）dvgv0pgdvvv jfet的幾個(gè)突出的特點(diǎn)的幾個(gè)突出的特點(diǎn): jfet的電流傳輸主要由一種型號(hào)的載流子的電流傳輸主要由一種型號(hào)的載流子多數(shù)載流子承擔(dān)，不存在少數(shù)載流子多數(shù)載流子承擔(dān)，不存在少數(shù)載流子的貯存效應(yīng)，因此有利于達(dá)到比較高的截止頻率和快的開關(guān)速度。的貯存效應(yīng)，因此有利于達(dá)到比較高的截止

18、頻率和快的開關(guān)速度。 jfet是電壓控制器件。它的輸入電阻要比是電壓控制器件。它的輸入電阻要比bjt的高得多，因此其輸入端易于與標(biāo)的高得多，因此其輸入端易于與標(biāo)準(zhǔn)的微波系統(tǒng)匹配，在應(yīng)用電路中易于實(shí)現(xiàn)級(jí)間直接耦合。準(zhǔn)的微波系統(tǒng)匹配，在應(yīng)用電路中易于實(shí)現(xiàn)級(jí)間直接耦合。 由于是多子器件，因此抗輻射能力強(qiáng)。由于是多子器件，因此抗輻射能力強(qiáng)。 與與bjt及及mos工藝兼容，有利于集成。工藝兼容，有利于集成。 早期的大多早期的大多jfetjfet用半導(dǎo)體硅材料制做，進(jìn)入二十世紀(jì)九十年代，用半導(dǎo)體硅材料制做，進(jìn)入二十世紀(jì)九十年代，lnplnp、galnaspgalnasp等等化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體jfet

19、jfet被成功地制造出來，它們易于同被成功地制造出來，它們易于同galnaspgalnasp激光器及探測(cè)器集成在同激光器及探測(cè)器集成在同一光電集成電路芯片上。此外，在高速一光電集成電路芯片上。此外，在高速gaasgaas數(shù)字集成電路中，用數(shù)字集成電路中，用jfetjfet代替代替mesfetmesfet，可以改善電路單元的一些性能并能提高芯片的電學(xué)參數(shù)的合格率。可以改善電路單元的一些性能并能提高芯片的電學(xué)參數(shù)的合格率。 p忽略源極、漏極的歐姆壓降和溝道兩端附近區(qū)域內(nèi)的壓降;忽略源區(qū)和漏區(qū)的接觸電阻。若把柵和源短路，使vg=0v(見圖6-4)，則vd小時(shí)整個(gè)柵區(qū)的電勢(shì)和x=0處的電勢(shì)相同。在小電

20、流情況下，耗盡區(qū)的寬度也近似等于平衡態(tài)耗盡區(qū)的寬度，如圖6-4a所示。當(dāng)vd增大引起電流增大時(shí)，漏端電勢(shì)高于源端電勢(shì)，且柵-溝結(jié)處于反偏狀態(tài)；反偏壓從漏端的vd降低到源端的0。由此可以判斷vg=0v時(shí)溝道耗盡區(qū)的形狀是如圖6-4b所示的形狀，即漏端附近的耗盡區(qū)深入到了溝道之中，溝道的有效面積減小。電流如較小時(shí)，i-v曲線近似為直線；如較大時(shí)，由于溝道電阻的影響，i-v曲線開始偏離直線關(guān)系。當(dāng)vd和id繼續(xù)增大時(shí)，漏端附近的耗盡區(qū)擴(kuò)展到溝道中心線附近，使溝道電阻進(jìn)一步增大。當(dāng)vd增大到一定程度時(shí)，耗盡區(qū)在溝道中心線上相遇，此時(shí)溝道被夾斷了，如圖6-4c所示。溝道夾斷后，電流id不再隨vd的增大而

21、顯著增大，而是基本保持在夾斷時(shí)的水平，即電流飽和。金屬-半導(dǎo)體結(jié)在制造工藝上比p-n結(jié)更容易精確實(shí)現(xiàn)，所以mesfet在高速數(shù)字電路和微波電路中應(yīng)用很廣,特別是iii-v族化合物半導(dǎo)體(如gaas、gap等) mesfet，因其載流子遷移率和漂移速度都很高，所以工作速度比si mesfet快得多。6.3金屬一半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管如果用金屬-半導(dǎo)體肖特基結(jié)取代jfet中的p-n結(jié)，則相應(yīng)形成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管稱為金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(mesfet)。在金屬-半導(dǎo)體結(jié)上施加反偏壓也能使溝道耗盡，所以mesfet 具有類似于jfet的電學(xué)特性。6.3.1 gaas金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管在半絕緣的ga

22、as襯底上外延生長(zhǎng)一層輕摻雜的n型gaas作為mesfet的溝道區(qū)。源極、漏極的接觸材料通常為au、ge合金，肖特基柵的接觸材料通常為al。在肖特基柵上施加反偏壓，溝道耗盡區(qū)向襯底方向延伸，相應(yīng)的電流-電壓特性與ffet的類似。6.3.2高電子遷移率晶體管在兩層摻雜的寬禁帶半導(dǎo)體之間布置一層不摻雜的窄禁帶半導(dǎo)體，如圖6-8所示的那樣，在兩層摻雜的algaas層之間制作一層不摻雜的gaas薄層形成異質(zhì)結(jié)，則異質(zhì)結(jié)的勢(shì)壘使中間的gaas薄層成為一個(gè)勢(shì)阱。通常把這種夾層結(jié)構(gòu)稱為調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)。電子一旦由algaas層進(jìn)入到gaas勢(shì)阱層中，便會(huì)陷入其中并大量積累，因而勢(shì)阱中電子的濃度很高。而且，由于勢(shì)

23、阱層未經(jīng)摻雜，電子在其中運(yùn)動(dòng)時(shí)不受雜質(zhì)散射的作用，所以遷移率也很高。6.4金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(misfet)是在數(shù)字集成電路中應(yīng)用最廣的器件之一。p這種器件的柵極和導(dǎo)電溝道之間由絕緣層隔開，依靠柵上施加的偏壓控制源漏極電流，因此有時(shí)也將這種器件叫做絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(簡(jiǎn)寫為igfet)。這種器件的襯底材料通常是si，絕緣介質(zhì)材料是si02，柵極可以采用金屬也可以采用多晶硅(更多地采用多晶硅)。所以，最常用的misfet實(shí)際上是mosfet。 pmos場(chǎng)效應(yīng)晶體管分為增強(qiáng)型（enhancement mos 或emos）和耗盡型(depletion)

24、 mos或dmos）兩大類，每一類有n溝道和p溝道兩種導(dǎo)電類型。n溝道增強(qiáng)型mosfet基本上是一種左右對(duì)稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在p型半導(dǎo)體上生成一層sio2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的n型區(qū)，從n型區(qū)引出電極，一個(gè)是漏極d，一個(gè)是源極s。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極 g。p型半導(dǎo)體稱為襯底(substrat)，用符號(hào)b表示。n溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型mos(emos)場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管pn 溝道耗盡型溝道耗盡型mos場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管: 柵極下方的sio2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。當(dāng)vgs=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。p只要有漏源電壓，就有漏極電

25、流存在。當(dāng)vgs0時(shí)，將使id進(jìn)一步增加。vgs0時(shí)，隨著vgs的減小漏極電流逐漸減 小，直至id=0。p對(duì)應(yīng)id=0的vgs稱為夾斷電壓，用符號(hào)vgs(off)表示，有時(shí)也用vp表示。n溝道耗盡型mosfet的轉(zhuǎn)移特性曲線n 溝道耗盡型溝道耗盡型mos（dmos）場(chǎng)效應(yīng)管）場(chǎng)效應(yīng)管n 溝道耗盡型mosfet的結(jié)構(gòu)和符號(hào)6.4.1 mosfet的基本工作原理pn+源區(qū)和n+漏區(qū)采用擴(kuò)散或離子注入方法形成，柵氧化層是在輕摻雜的p型襯底上生長(zhǎng)而成的。從平衡態(tài)能帶圖(圖6.10a)可以看出，費(fèi)米能級(jí)是平坦的，且源、漏區(qū)和溝道形成p-n結(jié)處存在勢(shì)壘，與兩個(gè)背靠背的p-n結(jié)勢(shì)壘形狀是一樣的。 當(dāng)在柵極上

26、施加相對(duì)于襯底的正偏壓時(shí)(這里，襯底和源極是連接在一起的)，柵極上出現(xiàn)正電荷，相應(yīng)地在溝道區(qū)表面感應(yīng)出負(fù)電荷。當(dāng)柵偏壓增大時(shí)，溝道區(qū)表面附近出現(xiàn)耗盡層并進(jìn)而形成含有可動(dòng)電荷-電子的薄層，該薄層就是mosfet的導(dǎo)電溝道，源漏間的電流就是通過這個(gè)溝道流動(dòng)的。6.4.2理想mos結(jié)構(gòu)的性質(zhì)理想理想mosmos結(jié)構(gòu)基于以下假設(shè)：結(jié)構(gòu)基于以下假設(shè)：（1 1）在氧化物中或在氧化物和半導(dǎo)體之間的界面上不存在電荷。）在氧化物中或在氧化物和半導(dǎo)體之間的界面上不存在電荷。（2 2）金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差為零。）金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差為零。由于假設(shè)（由于假設(shè)（1 1）、（）、（2 2），），在在無偏壓時(shí)半

27、導(dǎo)體能帶是平直的。無偏壓時(shí)半導(dǎo)體能帶是平直的。（3 3） 層是良好的絕緣體，能阻擋直流電流流過。層是良好的絕緣體，能阻擋直流電流流過。因此，即使有外加電壓，表面空間電荷區(qū)也處于熱因此，即使有外加電壓，表面空間電荷區(qū)也處于熱平衡狀態(tài)，這使得整個(gè)表面空間電荷區(qū)中費(fèi)米能級(jí)平衡狀態(tài)，這使得整個(gè)表面空間電荷區(qū)中費(fèi)米能級(jí)為常數(shù)。這些假設(shè)在以后將被取消而接近實(shí)際的為常數(shù)。這些假設(shè)在以后將被取消而接近實(shí)際的mosmos結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 2sio修正的功函數(shù)，定義為:p氧化物的導(dǎo)帶底與金屬或半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)之差(見圖6.12a中的qm和qs )。費(fèi)米勢(shì),定義為:p半導(dǎo)體體內(nèi)本征費(fèi)米能級(jí)ei和表面費(fèi)米能級(jí)efs之差，

28、反映半導(dǎo)體襯底的“p型程度”或“n型程度”,稱為費(fèi)米勢(shì)。 理想理想mosmos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū) 圖圖6-4 幾種偏壓情況的能帶和電荷分布幾種偏壓情況的能帶和電荷分布（a） ， （b）小的小的 ， （c）大的大的gvgvgv 理想理想mosmos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū) 載流子積累、耗盡和反型載流子積累、耗盡和反型載流子積累載流子積累 緊靠硅表面的多數(shù)載流子濃度大于體內(nèi)熱平衡多數(shù)載流子濃度時(shí)，稱為載流子積緊靠硅表面的多數(shù)載流子濃度大于體內(nèi)熱平衡多數(shù)載流子濃度時(shí)，稱為載流子積累累現(xiàn)象現(xiàn)象。 單位面積下的空間電荷單位面積下的空間電荷00 ( )dxsqqp x

29、p dx 理想理想mosmos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū) 載流子耗盡載流子耗盡單位面積下的總電荷為單位面積下的總電荷為 式中式中 為耗盡層寬度。為耗盡層寬度。 載流子反型：載流子類型發(fā)生變化的現(xiàn)象或者說半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型發(fā)生變化的現(xiàn)象載流子反型：載流子類型發(fā)生變化的現(xiàn)象或者說半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型發(fā)生變化的現(xiàn)象。 圖圖6-4 幾種偏壓情況的能帶和電荷分布：幾種偏壓情況的能帶和電荷分布：（a） ， （b）小的小的 ， （c）大的大的dabsxqnqq（6-66-6）022sdaskxqn 21dsxxx（6-76-7）dx（6-56-5） 理想理想mosmos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面

30、空間電荷區(qū) 反型和強(qiáng)反型條件反型和強(qiáng)反型條件反型條件；反型條件； 強(qiáng)反型條件；強(qiáng)反型條件；式中式中 為出現(xiàn)強(qiáng)反型時(shí)的表面勢(shì)。為出現(xiàn)強(qiáng)反型時(shí)的表面勢(shì)。 （6-176-17）（6-186-18）fsfsi2si理想理想mosmos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū) 圖圖6-5 強(qiáng)反型時(shí)的能帶圖強(qiáng)反型時(shí)的能帶圖 x 0 e ix fq fq ce ve ie 理想理想mosmos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū) 總表面空間電荷總表面空間電荷 為反型層中單位面積下的可動(dòng)電荷即溝道電荷：為反型層中單位面積下的可動(dòng)電荷即溝道電荷： qnakqnakxfssisdm0042dmabxqnqdm

31、aibisxqnqqqqiq（6-196-19）（6-206-20）（6-216-21）（6-6-5252）iq 0ixiqnx dx6.1 6.1 理想理想mosmos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū) 小結(jié)小結(jié)載流子積累、耗盡和反型的概念。載流子積累、耗盡和反型的概念。載流子積累、耗盡和反型和強(qiáng)反型四種情況的能帶圖。載流子積累、耗盡和反型和強(qiáng)反型四種情況的能帶圖。體費(fèi)米勢(shì)的概念：體費(fèi)米勢(shì)的概念：反型和強(qiáng)反型條件：反型和強(qiáng)反型條件：反型條件；反型條件； 強(qiáng)反型條件；強(qiáng)反型條件； qeefif0fsfsi2（6-86-8）（6-176-17）（6-186-18）理想理想mosmos結(jié)構(gòu)的

32、表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū) 教學(xué)要求教學(xué)要求了解理想結(jié)構(gòu)基本假設(shè)及其意義。了解理想結(jié)構(gòu)基本假設(shè)及其意義。根據(jù)電磁場(chǎng)邊界條件導(dǎo)出空間電荷與電場(chǎng)的關(guān)系根據(jù)電磁場(chǎng)邊界條件導(dǎo)出空間電荷與電場(chǎng)的關(guān)系掌握載流子積累、耗盡和反型和強(qiáng)反型的概念。掌握載流子積累、耗盡和反型和強(qiáng)反型的概念。正確畫出流子積累、耗盡和反型和強(qiáng)反型四種情況的能帶圖。正確畫出流子積累、耗盡和反型和強(qiáng)反型四種情況的能帶圖。導(dǎo)出反型和強(qiáng)反型條件導(dǎo)出反型和強(qiáng)反型條件 （6-16-1）sssmkkqq0000理想理想mosmos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū) 半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū) ：每個(gè)極板上的感應(yīng)電荷與電

33、場(chǎng)之間滿足如下關(guān)系每個(gè)極板上的感應(yīng)電荷與電場(chǎng)之間滿足如下關(guān)系 （6-16-1） 式中式中 = =自由空間的電容率自由空間的電容率 = =氧化物的氧化物的相對(duì)相對(duì)介電常數(shù)介電常數(shù) = =半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)半導(dǎo)體表面的電場(chǎng) = =半導(dǎo)體半導(dǎo)體相對(duì)相對(duì)介電常數(shù)介電常數(shù) =空間電荷區(qū)在半導(dǎo)體內(nèi)部的邊界亦即空間電荷區(qū)寬度?？臻g電荷區(qū)在半導(dǎo)體內(nèi)部的邊界亦即空間電荷區(qū)寬度。外加電壓外加電壓 為跨越氧化層的電壓為跨越氧化層的電壓 和表面勢(shì)和表面勢(shì) 所分?jǐn)偅核謹(jǐn)偅?00ksskdxgv0vssgvv0（6-26-2）sssmkkqq0000理想理想mosmos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)圖圖6-3

34、加上電壓加上電壓 時(shí)時(shí)mosmos結(jié)構(gòu)內(nèi)的電位分布結(jié)構(gòu)內(nèi)的電位分布 gv理想理想mosmos結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū) 小結(jié)小結(jié)理想理想mosmos結(jié)構(gòu)基于以下假設(shè)：結(jié)構(gòu)基于以下假設(shè)：（1 1）在氧化物中或在氧化物和半導(dǎo)體之間的界面上不存在電荷。）在氧化物中或在氧化物和半導(dǎo)體之間的界面上不存在電荷。（2 2）金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差為零，如繪于圖）金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差為零，如繪于圖6-26-2b b中的情形。中的情形。由于假設(shè)（由于假設(shè)（1 1）、（）、（2 2），在無偏壓時(shí)半導(dǎo)體能帶是平直的。），在無偏壓時(shí)半導(dǎo)體能帶是平直的。（3 3） 層是良好的絕緣體，能阻擋直流電流

35、流過。因此，即使有外加電壓，表面空層是良好的絕緣體，能阻擋直流電流流過。因此，即使有外加電壓，表面空間電荷區(qū)也處于熱平衡狀態(tài)，這使得整個(gè)表面空間電荷區(qū)中費(fèi)米能級(jí)為常數(shù)。間電荷區(qū)也處于熱平衡狀態(tài)，這使得整個(gè)表面空間電荷區(qū)中費(fèi)米能級(jí)為常數(shù)。偏壓偏壓 使半導(dǎo)體表面具有表面勢(shì)，出現(xiàn)表面空間電荷區(qū)。使半導(dǎo)體表面具有表面勢(shì)，出現(xiàn)表面空間電荷區(qū)。空間電荷與電場(chǎng)具有以下關(guān)系空間電荷與電場(chǎng)具有以下關(guān)系 （6-16-1） 2siogvsssmkkqq0000平板電容器p電容=電荷/電壓p平板電容器的電容：dac0dadacr0vqc 為電介質(zhì)的介電常數(shù)2ssiiidtfiq dqvcqvc 6-29p圖3-10a

36、畫出了si和gaas沿111和100方向的能帶結(jié)構(gòu)(e-k關(guān)系)。我們看到，能帶極值附近的e-k關(guān)系近似為拋物線型，但在能量較高的地方則明顯偏離了拋物線型關(guān)系。沿111和100方向畫出的能帶是不對(duì)稱的：在k=0附近即極小附近有一個(gè)能谷，沿100方向在x極小附近有一個(gè)x能谷，沿111方向在l極小附近有一個(gè)l能谷。大多數(shù)半導(dǎo)體的價(jià)帶最大值(即價(jià)帶頂)都位于處。價(jià)帶有3個(gè)分支，分別是曲率最小的重空穴帶、曲率較大的輕空穴帶、以及一個(gè)因自旋-軌道耦合而形成的分裂帶。我們注意到，gaas的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂都對(duì)應(yīng)著k=0，說明gaas是直接禁帶半導(dǎo)體。而對(duì)于si來說，沿6個(gè)等價(jià)的方向有6個(gè)等價(jià)的導(dǎo)帶能谷，但這

37、些極小都不在k=0處，所以si 不是直接禁帶半導(dǎo)體6.5 6.5 mosmos場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管6.5 6.5 mosmos場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 基本結(jié)構(gòu)和工作過程基本結(jié)構(gòu)和工作過程 圖圖6-15 6-15 mosfetmosfet的工作狀態(tài)和輸出特性：（的工作狀態(tài)和輸出特性：（a a）低漏電壓時(shí)低漏電壓時(shí) 襯底p 小dv s n n lgvthv 溝道 耗盡區(qū) dv di （a） y （a） 6.5 6.5 mosmos場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 基本結(jié)構(gòu)和工作過程基本結(jié)構(gòu)和工作過程 圖圖6-15 6-15 mosfetmosfet的工作狀態(tài)和輸出特性：（的工作狀態(tài)和輸出特性：（b

38、b）開始飽和開始飽和 dsatdvv s n n gvthv 耗盡區(qū) 夾斷點(diǎn)（p） dv di （b） dsati dsatv （b） 6.5 6.5 mosmos場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 基本結(jié)構(gòu)和工作過程基本結(jié)構(gòu)和工作過程 圖圖6-15 6-15 mosfetmosfet的工作狀態(tài)和輸出特性：（的工作狀態(tài)和輸出特性：（c c）飽和之后飽和之后 dsatv s n n gvthv 耗盡區(qū) （p） dv ldv di （c） y （c） 6.5 6.5 mosmos場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 圖圖6-16 6-16 n n溝道溝道m(xù)osmos晶體管晶體管 襯底p dv s n

39、n gv dq v dvv al al al 2sio x y 6.5 6.5 mosmos場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 線性區(qū)線性區(qū) 在下面的分析中，采用如下主要假設(shè)：在下面的分析中，采用如下主要假設(shè)：（1）忽略源區(qū)和漏區(qū)體電阻和電極接觸電阻；）忽略源區(qū)和漏區(qū)體電阻和電極接觸電阻；（2）溝道內(nèi)摻雜均勻；）溝道內(nèi)摻雜均勻；（3）載流子在反型層內(nèi)的遷移率為常數(shù)；）載流子在反型層內(nèi)的遷移率為常數(shù)；（4）長(zhǎng)溝道近似和漸近溝道近似，即假設(shè)垂直電場(chǎng)和水平電路是互相獨(dú)立的。）長(zhǎng)溝道近似和漸近溝道近似，即假設(shè)垂直電場(chǎng)和水平電路是互相獨(dú)立的。6.5 6.5 mosmos場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 線性區(qū)線性區(qū) 感應(yīng)

40、溝道電荷感應(yīng)溝道電荷 （6-676-67）漂移電子電流漂移電子電流 （6-70）式稱為薩支唐（）式稱為薩支唐（c.t. sah）方程。方程。 yvvvcqthgi0yindqzidvvvvczdyithgnd0220ddthgndvvvvlzci（6-686-68）（6-696-69）（6-706-70）6.5 6.5 mosmos場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 例題：例題： 采用采用6.46.4節(jié)例題中的節(jié)例題中的mosmos結(jié)構(gòu)作為一個(gè)結(jié)構(gòu)作為一個(gè)mosfetmosfet。已知下列參數(shù)：已知下列參數(shù)： ， 。計(jì)算。計(jì)算 和和 時(shí)的時(shí)的解：解：由于在由于在6.36.3節(jié)中給出節(jié)中給出 。 將此值代

41、入（將此值代入（6-706-70）并令）并令 得得 將將 代入上式代入上式 ml10mz300svcmp2230vvg4vvg8dsi280109 . 2cmfcsvflzcp48010230230109 . 2thgdvvv242102thgdsvvivvth1 . 3maaids4 . 2102480108 . 044vvvvgg84對(duì)于對(duì)于6.5 6.5 mosmos場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 考慮到溝道電壓的作用考慮到溝道電壓的作用于是于是 2102vnqkqsiasb2323000002322sisidasddsimsgndvcnqkvvcqvlzci6.5 6.5 mosmos場(chǎng)效應(yīng)

42、晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 所有拋物線頂點(diǎn)右邊的曲線沒有物理意義。所有拋物線頂點(diǎn)右邊的曲線沒有物理意義。 2 4 6 8 2 4 6 id （ma） vd （v） vvg12 vvg8 式（ 6-70） 式（ 6-72） 式（ 6-70） 式（ 6-72） 圖圖6-17 6-17 式（式（6-686-68）和式（）和式（6-706-70）的比較）的比較 6.5 6.5 mosmos場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 飽和區(qū)飽和區(qū) 假設(shè)在假設(shè)在l l點(diǎn)發(fā)生夾斷，點(diǎn)發(fā)生夾斷， =0 =0則則 把式（把式（6-736-73）代入式（）代入式（6-706-70）得）得 此式在開始飽和時(shí)是有效的。超過這一點(diǎn)，漏極電流可看作是常數(shù)。此式在開始飽和時(shí)是有效的。超過這一點(diǎn)，漏極電流可看作是常數(shù)。所有拋物線頂點(diǎn)右邊的曲線沒有物理意義。所有拋物線頂點(diǎn)右邊的曲線沒有物理意義。 yvvvcqthgi0 dsatthgvvvlv（6-736-73）（6-746-74）202thgndsatvvlzci6.5 6.5 mosmos場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 圖圖6-18 6-18 n n溝道溝道m(xù)osfetmosfet的電流的電流 電壓特性電壓特性 dv di 1gv 2gv 3gv 4gv 5gv thdsgvvv1 6.5 6.5 mosmos場(chǎng)效