電子科大微電子考研晶體管

第

5

章絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管

場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field

Effect

Transistor，F(xiàn)ET）是另一類重要的微電子器件。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。與雙極型晶體管相比，有以下優(yōu)點(diǎn)①輸入阻抗高；②溫度穩(wěn)定性好；③噪聲小；④大電流特性好；⑤無(wú)少子存儲(chǔ)效應(yīng)，開(kāi)關(guān)速度高；⑥制造工藝簡(jiǎn)單；⑦各管之間存在天然隔離，適宜于制作

VLSI。結(jié)型柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（J

FET）肖特基勢(shì)壘柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MESFET）絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（IGFET

或

MOSFET）

場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）的分類

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。JFET

和

MESFET

的工作原理相同。以

JFET

為例，用低摻雜的半導(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(shì)壘區(qū)寬度隨反向電壓而變化的特點(diǎn)來(lái)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

的不同之處是，J

FET

利用

PN

結(jié)作為控制柵，而

MESFET

則是利用金-半結(jié)（肖特基勢(shì)壘結(jié)）來(lái)作為控制柵。IGFET

的工作原理略有不同，利用電場(chǎng)能來(lái)控制半導(dǎo)體的表面狀態(tài)，從而控制溝道的導(dǎo)電能力。J

FET

的基本結(jié)構(gòu)源、漏

利用

PN

結(jié)勢(shì)壘區(qū)寬度隨反向電壓而變化的特點(diǎn)來(lái)控制導(dǎo)電溝道的截面積，從而控制溝道的導(dǎo)電能力。MESFET

的基本結(jié)構(gòu)J

FET

利用

PN

結(jié)作為控制柵，而

MESFET

則是利用金

-

半結(jié)（肖特基勢(shì)壘結(jié)）來(lái)作為控制柵。

絕緣柵場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)晶體管”，簡(jiǎn)稱為

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

MOSFET。

5.1MOSFET

基礎(chǔ)

5.1.1MOSFET

的結(jié)構(gòu)

MOSFET

的立體結(jié)構(gòu)溝道P

型襯底N

溝道

MOSFET

的剖面圖

5.1.2MOSFET

的工作原理

當(dāng)

VGS<VT（稱為

閾電壓）時(shí)，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(wú)漏極電流。當(dāng)

VGS

>VT時(shí)，柵下的

P

型硅表面發(fā)生

強(qiáng)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(duì)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(guò)改變

VGS來(lái)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。

轉(zhuǎn)移特性曲線：VDS

恒定時(shí)的

VGS~

ID曲線。MOSFET

的轉(zhuǎn)移特性反映了柵源電壓

VGS對(duì)漏極電流

ID的控制能力。N

溝道

MOSFET

當(dāng)VT>0時(shí)，稱為

增強(qiáng)型

，為

常關(guān)型。VT

<0時(shí)，稱為

耗盡型

，為

常開(kāi)型。IDVGSVT0IDVGSVT0P

溝道

MOSFET

的特性與

N

溝道

MOSFET

相對(duì)稱，即

(1)襯底為

N

型，源漏區(qū)為

P+

型。

(2)VGS、VDS的極性以及

ID

的方向均與

N

溝道相反。

(3)溝道中的可動(dòng)載流子為空穴。

(4)VT

<0時(shí)稱為增強(qiáng)型（常關(guān)型），VT>0時(shí)稱為耗盡型（常開(kāi)型）。

5.1.3MOSFET

的類型①線性區(qū)

VDS

很小時(shí)，溝道近似為一個(gè)阻值與

VDS無(wú)關(guān)的

固定電阻，這時(shí)

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(shí)的

VDS~

ID

曲線?？煞譃橐韵?/p>

4

段：

5.1.4MOSFET

的輸出特性②過(guò)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(dāng)

VDS

增大到

VDsat(飽和漏源電壓)

時(shí)，漏端處的可動(dòng)電子消失，這稱為溝道被

夾斷，如圖中的

AB

段所示。線性區(qū)與過(guò)渡區(qū)統(tǒng)稱為

非飽和區(qū)，有時(shí)也統(tǒng)稱為

線性區(qū)。③飽和區(qū)當(dāng)

VDS>VDsat后，溝道夾斷點(diǎn)左移，漏附近只剩下耗盡區(qū)。這時(shí)

ID

幾乎與

VDS無(wú)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(shí)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(dāng)

VDS繼續(xù)增大到

BVDS時(shí)，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

段所示。

將各曲線的夾斷點(diǎn)用虛線連接起來(lái)，虛線左側(cè)為非