實驗-微電子器件

第4章

絕緣柵場效應(yīng)晶體管[

科研方法：注重

思想]參考資料：場效應(yīng)晶體管（Field

Effect

Transistor，F(xiàn)ET）是另一類重要的微電子器件（與PN結(jié)和雙極性晶體管有何不同？）。這是一種電壓控制型多子導(dǎo)電器件，又稱為單極型晶體管。這種器件與雙極型晶體管相比，有以下優(yōu)點：①電流低，輸入阻抗高；②溫度穩(wěn)定性好；③噪聲?。虎艽箅娏魈匦院?；⑤無少子

效應(yīng)，開關(guān)速度高；⑥制造工藝簡單；⑦

各管之間存在天然 （反偏PN結(jié)，高質(zhì)量場氧的隔離），適宜于制作VLSI

。結(jié)型柵場效應(yīng)晶體管（

J

FET

）[利用PN結(jié)反向電壓下勢壘高度增加，勢壘區(qū)寬度增大]肖特基勢壘柵場效應(yīng)晶體管（MESFET）[利用n型阻擋層肖特基勢壘在反向電壓下勢壘高度增加，勢壘區(qū)寬度增大]絕緣柵場效應(yīng)晶體管（

IGFET

或MOSFET

)[利用強電場下發(fā)生強反型，在源漏之間形成導(dǎo)電溝道]場效應(yīng)晶體管（FET）的分類JFET

和MESFET

的工作原理相同。以JFET

為例，用一個低摻雜的半導(dǎo)體作為導(dǎo)電溝道，在半導(dǎo)體的一側(cè)或兩側(cè)制作

PN

結(jié)，并加上反向電壓。利用PN

結(jié)勢壘區(qū)寬度隨反向電壓的變化而變化的特點來控制導(dǎo)電溝道的截面積，從而控制溝道的導(dǎo)電能力。兩種FET

的不同之處僅在于，JFET

是利用PN

結(jié)作為控制柵，而MESFET

則是利用金-半結(jié)（肖特基勢壘結(jié)）來作為控制柵。IGFET的工作原理略有不同，利用電場能來控制半導(dǎo)體的表面狀態(tài)，從而控制溝道的導(dǎo)電能力。根據(jù)溝道導(dǎo)電類型的不同，每類FET

又可分為N

溝道器件和P溝道器件。J-FET

的基本結(jié)構(gòu)源、漏J-FET

的基本結(jié)構(gòu)MESFET

的基本結(jié)構(gòu)MESFET

的基本結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù):PN結(jié)勢壘：假定本征載流子濃度ni＝1.5×1010/cm2,

Si介電常數(shù) 為11.7，

為8.85×10－14F/cm, NA＝

1.0×10

16/cm3

，ND=

1.0×1015/cm2，反偏時電壓為5伏

。肖特基勢壘：假定金屬Au的功函數(shù)Wm為4.75eV，n型Si功函數(shù)Ws為4.2508eV，ND=1×1016/cm3，反偏時電壓為2伏。課堂練

：計算在零偏和反偏情況下（室溫

300

K，即kT為0.026

eV）相應(yīng)PN結(jié)勢壘和肖特基勢壘的寬度。4.1

MOSFET

基礎(chǔ)4.1.1

MOSFET

的結(jié)構(gòu)絕緣柵場效應(yīng)晶體管按其早期器件的縱向結(jié)構(gòu)又被稱為“金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管”，簡稱為MOSFET

，但現(xiàn)在這種器件的柵電極實際不一定是金屬，絕緣柵也不一定是氧化物，但仍被 地稱為MOSFET

。MOSFET

的

結(jié)構(gòu)N

溝道MOSFET

的剖面圖P

型襯底P

型襯底4.1.2

MOSFET

的工作原理當VGS

<VT（稱為閾電壓）時，N+型的源區(qū)與漏區(qū)之間隔著P型區(qū)，且漏結(jié)反偏，故無漏極電流。當VGS

>VT

時，柵下的P型硅表面發(fā)生強反型，形成連通源、漏區(qū)的N型溝道，在VDS

作用下產(chǎn)生漏極電流ID

。對于恒定的VDS

，VGS

越大，溝道中的電子就越多，溝道電阻就越小，ID

就越大。所以MOSFET

是通過改變VGS

來控制溝道的導(dǎo)電性，從而控制漏極電流ID

，是一種電壓控制型器件。VGS0

VT轉(zhuǎn)移特性曲線：VDS

恒定時的VGS

~

ID

曲線。MOSFET

的轉(zhuǎn)移特性反映了柵源電壓VGS

對漏極電流ID

的控制能力。N

溝道MOSFET當VT

>0

時，稱為增強型，為常關(guān)型。VT

<0

時，稱為耗盡型，為常開型。ID

IDVGSVT

0P

溝道MOSFET的特性與N

溝道MOSFET相對稱，即：襯底為N型，源漏區(qū)為P+型。VGS

、VDS

的極性以及ID

的方向均與N

溝相反。溝道中的可動載流子為空穴。VT

<

0

時稱為增強型（常關(guān)型），VT

>0

時稱為耗盡型（常開型）。4.1.3

MOSFET

的類型①線性區(qū)當VDS很小時，溝道就象一個阻值與VDS無關(guān)的固定電阻，這時ID

與VDS

成線性關(guān)系，如圖中的OA

段所示。輸出特性曲線：VGS

>VT

且恒定時的VDS

~

ID

曲線?？煞譃橐韵?

段4.1.4

MOSFET

的輸出特性②過渡區(qū)隨著VDS

增大，漏附近的溝道變薄，溝道電阻增大，曲線逐漸下彎。當VDS

增大到VDsat

(飽和漏源電壓)時，漏端處的可動電子 ，這稱為溝道被夾斷，如圖中的

AB

段所示。線性區(qū)與過渡區(qū)統(tǒng)稱為非飽和區(qū)，有時也統(tǒng)稱為線性區(qū)。③飽和區(qū)當VDS

>VDsat

后，溝道夾斷點左移，漏附近只剩下耗盡區(qū)。這時ID

幾乎與VDS

無關(guān)而保持常數(shù)IDsat

，曲線為水平直線，如圖中的BC

段所示。實際上ID

隨VDS

的增大而略有增大，曲線略向上翹。④擊穿區(qū)當VDS

繼續(xù)增大到BVDS

時，漏結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，或者漏源間發(fā)生穿通，ID

急劇增大，如圖中的CD