場效應(yīng)管小結(jié) (2)課件

微電子技術(shù)專業(yè)《半導(dǎo)體器件》單元四場效應(yīng)晶體管小結(jié)講授教師：馬穎第

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章半導(dǎo)體表面特性及MOS電容

7.1半導(dǎo)體表面和界面結(jié)構(gòu)了解清潔表面和真實(shí)表面的特點(diǎn)理解Si-SiO2界面的特點(diǎn)及影響因素7.2表面勢掌握MIS結(jié)構(gòu)的表面積累、耗盡和反型時表面勢與能帶特點(diǎn)7.3MOS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性掌握理想MOS的C公式了解影響實(shí)際C-V特性曲線變化的因素7.4MOS結(jié)構(gòu)的閾值電壓

掌握理想與實(shí)際閾值電壓的計(jì)算（含C、ΨS、Wm、QSC）一、半導(dǎo)體表面和界面結(jié)構(gòu)真實(shí)表面分為外表面和內(nèi)表面，其中內(nèi)表面屬于快態(tài)能級，外表面屬于慢態(tài)能級。利用熱生長或化學(xué)汽相淀積人工生長方法在Si面上生長SiO2層，可厚達(dá)幾千埃，形成硅-二氧化硅界面。理想表面的特點(diǎn)：在中性懸掛鍵上有一個未成鍵的電子。懸掛鍵還有兩種可能的帶電狀態(tài)：釋放未成鍵的電子成為正電中心，這是施主態(tài)；接受第二個電子成為負(fù)電中心，這是受主態(tài)。它們對應(yīng)的能級在禁帶之中，分別稱為施主和受主能級。Si-SiO2界面的結(jié)構(gòu)的應(yīng)用：MOS結(jié)構(gòu)中的絕緣介質(zhì)層、器件有源區(qū)之間場氧化隔離選擇摻雜的掩蔽膜、鈍化保護(hù)膜等

二、表面勢表面勢的概念空間電荷區(qū)表面到內(nèi)部另一端，電場從最大逐漸減弱到零，其各點(diǎn)電勢也要發(fā)生變化，這樣表面相對體內(nèi)就產(chǎn)生電勢差，并伴隨能帶彎曲，常稱空間電荷區(qū)兩端的電勢差為表面勢ΨS。MIS結(jié)構(gòu)加正向電壓時，金屬側(cè)積累正電荷，半導(dǎo)體表面一層便形成空間負(fù)電荷區(qū)。此時，表面勢ΨS是正的，表面電場由外界指向半導(dǎo)體，表面的能帶向下彎曲，此時，表面與體內(nèi)達(dá)到了熱平衡，具有共同的費(fèi)米能級；空間電荷區(qū)中的負(fù)電荷恰好與金屬中的正電荷相等。二、表面勢MIS結(jié)構(gòu)加反向電壓時，金屬側(cè)積累正電荷，半導(dǎo)體表面一層便形成空間正電荷區(qū)。此時，表面勢ΨS是負(fù)的，表面電場由半導(dǎo)體指向外界，表面的能帶向上彎曲。積累耗盡反型P型半導(dǎo)體襯底表面勢ΨsΨs<0ΨF≥Ψs>0Ψs>ΨF>0半導(dǎo)體空間電荷空穴積累空穴耗盡電子積累能帶變化向上彎曲向下彎曲向下彎曲N型半導(dǎo)體襯底表面勢ΨsΨs>0ΨF≦Ψs<0Ψs<ΨF<0半導(dǎo)體空間電荷電子積累電子耗盡空穴積累能帶變化向下彎曲向上彎曲向上彎曲三、MOS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性理想MOS電容的特點(diǎn)：金屬-半導(dǎo)體功函數(shù)差為零；氧化層及界面電荷為零；界面態(tài)為零；半導(dǎo)體體內(nèi)電阻為零；氧化層完全不導(dǎo)電。能帶應(yīng)是平的；半導(dǎo)體表面處ΨS=0。

理想MOS電容實(shí)際就是由一個氧化層電容COX和一個半導(dǎo)體中空間電荷區(qū)電容CS的串聯(lián)結(jié)構(gòu)組成的。

真空介電常數(shù)ε0=8.85×10－12F/m；SiO2的氧化層相對介電系數(shù)εOX為3.9硅的相對介電常數(shù)εS為11.9鍺的相對介電常數(shù)εS為16四、MOS結(jié)構(gòu)的閾值電壓掌握理想與實(shí)際閾值電壓的計(jì)算（含C、ΨS、Wm、QSC）由P型半導(dǎo)體構(gòu)成的實(shí)際MOS結(jié)構(gòu)

由N型半導(dǎo)體構(gòu)成的實(shí)際MOS結(jié)構(gòu)

第

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章MOS場效應(yīng)晶體管的特性

8.1MOSFET的結(jié)構(gòu)和分類MOSFET與雙極型晶體管的優(yōu)缺點(diǎn)對比掌握場效應(yīng)晶體管的分類

MOS四種類型及各自特點(diǎn)、MOSFET的特征8.2MOSFET的特性曲線（2種曲線及分區(qū)）8.3MOSFET的閾值電壓（略）8.4MOSFET的伏安特性（略）8.5MOSFET的頻率特性掌握跨導(dǎo)與最高振蕩頻率含義及公式8.6MOSFET的開關(guān)特性掌握反相器的分類、了解CMOS的工作原理8.7閾值電壓的控制和調(diào)整（掌握計(jì)算）一、MOSFET的結(jié)構(gòu)和分類簡述雙極型晶體管的工作原理簡述場效應(yīng)晶體管的工作原理

由一個P-N結(jié)注入非平衡少數(shù)載流子，并由另一個P-N結(jié)收集而工作的。在這類晶體管中，參加導(dǎo)電的不僅有少數(shù)載流子，也有多數(shù)載流子，故稱為雙極型晶體管。

場效應(yīng)晶體管（FET）：利用改變垂直于導(dǎo)電溝道的電場強(qiáng)度來控制溝道的導(dǎo)電能力而工作的。在場效應(yīng)晶體管中，工作電流是由半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子所輸運(yùn)的，因此也稱為單極型晶體管。

一、MOSFET的結(jié)構(gòu)和分類

場效應(yīng)晶體管的分類第一類：表面場效應(yīng)管，絕緣柵場效應(yīng)管（IGFET）第二類：結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）第三類：薄膜場效應(yīng)晶體管（TFT)MOSFET絕緣柵型增強(qiáng)型沒有原始溝道耗盡型有原始溝道N溝道P溝道N溝道P溝道

MOSFET的類型加上一個正的柵壓才能形成N型溝道

加上一個負(fù)的柵壓才能形成P型溝道

加上一個負(fù)的柵壓才能使N溝道消失

加上一個正的柵壓才能使P溝道消失

一、MOSFET的結(jié)構(gòu)和分類

MOSFET的特征是什么？1．雙邊對稱：在電學(xué)性質(zhì)上源和漏是可以相互交換的。2．單極性：MOS管中參與導(dǎo)電的只有一種載流子（多子）。3．高輸入阻抗：MOSFET的直流輸入阻抗可以大于1014歐。4．電壓控制：由輸入電壓VGS控制輸出電流ID。且輸入功率非常低有較高的扇出能力。5．自隔離：一個MOS晶體管的漏，由于背靠背二極管的作用，自然地與其他晶體管的漏或源隔離。二、MOSFET的特征曲線

MOSFET電壓極性關(guān)系結(jié)構(gòu)種類N溝道MOSFETP溝道MOSFET工作方式增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型耗盡型符號電壓極性uDSuDS>0uDS>0uDS<0uDS<0uGSuGS>0可正（溝道變寬）可負(fù)（溝道變窄）uGS<0可正（溝道變窄）可負(fù)（溝道變寬）閾值電壓VT>0VP<0VT<0VP>0

MOSFET的臨界夾斷狀態(tài)的電壓條件為：飽和工作區(qū)特點(diǎn)：溝道夾斷點(diǎn)從漏端向源端移動，漏－源電流基本上達(dá)到飽和值IDSS。當(dāng)MOS晶體管工作在飽和區(qū)時，將工作電流IDSS與輸入電壓VGS之間的關(guān)系曲線稱為轉(zhuǎn)移特性曲線。二、MOSFET的特征曲線ⅠⅡⅢVGS-VDS=VT左圖為什么MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線？二、MOSFET的特征曲線溝道長度調(diào)變效應(yīng)在飽和工作區(qū)中，當(dāng)溝道長度L不滿足遠(yuǎn)大于夾斷區(qū)段長度(短溝道)時，VDS增大，溝道長度將減小，IDSS將隨之增加，漏－源飽和電流隨溝道長度的減小而增大的效應(yīng)稱為溝道長度調(diào)變效應(yīng)。它與雙極型晶體管中的基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)相當(dāng)。漏－源擊穿電壓BVDS可由兩種不同的擊穿機(jī)理決定：漏極電壓VDS增大時，漏結(jié)耗盡區(qū)增大，使溝道有效長度縮短。當(dāng)溝道表面漏結(jié)耗盡區(qū)的寬度LS擴(kuò)展到等于溝道長度L時，漏結(jié)耗盡區(qū)增大到源極，就發(fā)生漏－源之間的直接穿通。

漏區(qū)與襯底之間P-N結(jié)的雪崩擊穿；漏和源之間的穿通。

三、MOSFET的頻率特性跨導(dǎo)gm表征在漏－源電壓VDS不變的情況下，漏電流IDS隨著柵電壓VGS變化而變化的程度，標(biāo)志了MOSFET的電壓放大本領(lǐng)。單位：西門子（S）。線性工作區(qū)：跨導(dǎo)與VDS成正比

飽和工作區(qū)：在不考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)的情況下，跨導(dǎo)與VDS無關(guān)。提高跨導(dǎo)的方法

（1）改進(jìn)管子的結(jié)構(gòu)提高β：增大溝道的寬長比；減薄氧化層厚度從而增大單位面積二氧化硅的電容；減小溝道載流子的濃度以提高溝道內(nèi)載流子的遷移率。（2）在飽和區(qū)時，可通過適當(dāng)增加VGS來提高跨導(dǎo)。

四、MOSFET的開關(guān)特性倒相器也稱為反相器，由反相管（倒相管）和負(fù)載兩部分組成。反相管通常用N溝增強(qiáng)管。

E/R反相器為無源負(fù)載即用電阻作負(fù)載。有源負(fù)載又可分為多種不同的MOSFET，常見有E/E反相器（用N溝增強(qiáng)管作負(fù)載）CMOS反相器（用P溝增強(qiáng)管作負(fù)載）E/D反相器（用N溝耗盡管作負(fù)載）。四、MOSFET的開關(guān)特性

CMOS結(jié)構(gòu)

CMOS倒相器的特點(diǎn)在同一N型襯底上同時制造P溝MOS管（負(fù)載管）和N溝MOS管（倒相管），N溝MOS管制作在P阱內(nèi)。在導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)時，始終只有一個管子導(dǎo)通，只有很小的漏電流通過，所以CMOS倒相器的功耗很小，且開關(guān)時間短。

四、MOSFET的開關(guān)特性

CMOS倒相器的工作原理當(dāng)輸入脈沖為零(低電平)時

CMOS倒相器處于截止?fàn)顟B(tài)。倒相管NMOS增強(qiáng)型管的VGS=0，處于截止?fàn)顟B(tài)。負(fù)載管PMOS增強(qiáng)型管的VGS<0，處于導(dǎo)通狀態(tài)。這時，輸出電壓VD≈VDD，為高電平。當(dāng)輸入正脈沖VGS≈VDD

（高電平）時

CMOS倒相器處于導(dǎo)通狀態(tài)。倒相管NMOS的VGS>0,處于充分導(dǎo)通的狀態(tài)。負(fù)載管PMOS的VGS≈0，處于故處于截止?fàn)顟B(tài)。這時，輸出電壓VD≈0，為低電平。五、閾值電壓VT的控制和調(diào)整通過半導(dǎo)體表面處注入離子來調(diào)整和控制閾值電壓的計(jì)算注入硼離子造成的平帶電壓漂移類似于固定正電荷，其量為：，F(xiàn)B為注入的硼劑量，所以閾值電壓由VT增加到VT’注入磷離子造成的平帶電壓漂移量為：第

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章MOS功率場效應(yīng)晶體管

9.1用作功率放大和開關(guān)的MOS功率場效應(yīng)晶體管（略）9.2MOS功率場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)（分類）9.3DMOS晶體管的擊穿電壓（略）9.4DMOS晶體管的二次擊穿（略）9.5溫度對MOS晶體管特性的影響（略）MOS功率FET的結(jié)構(gòu)MOS功率FET具有兩種基本結(jié)構(gòu)：二維結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)。