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苏州科技学院电子与信息学院引言晶体管按工作原理分类:第六章绝缘栅场效应晶体管1.双极型晶体管2.场效应晶体管(Fieldeffecttransistor:FET)*20世纪三十年代:利林费尔德-场效应思想.*1962年前后:Si平面工艺和外延技术发展;表面态密度大大降低.FET按结构和工艺特点来划分1.结型栅场效应晶体管(JFET)2.肖特基势垒栅场效应晶体管(MESFET)3.绝缘栅场效应晶体管(IGFET)与双极型晶体管相比,FET的优点:1.输入阻抗高;2.噪声系数小;3.功耗小;4.温度稳定性好;5.抗辐射能力强苏州科技学院电子与信息学院第六章绝缘栅场效应晶体管1.结构和分类1)结构第一节MOSFET的基本特性2)工作原理苏州科技学院电子与信息学院3)输出特性(1)OA段:线性区,VGS决定沟道电阻*集成电路中的都是横向MOSFET,即沟道电流是水平方向流动;分立器件中有的沟道电流是垂直方向流动的,称为纵向MOSFET.第六章绝缘栅场效应晶体管--1.MOSFET的基本特性(2)AB段:过渡区,沟道压降影响沟道电阻(3)BC段:饱和区,VDSVDsat,之后沟道有效长度随VDS增大而缩短,称为有效沟道长度调变效应.(4)CD段:击穿区,VDS≥BVDS非饱和区4)MOSFET类型*N沟道增强型、耗尽型,P沟道增强型、耗尽型苏州科技学院电子与信息学院又称开启电压,是使栅下的衬底表面开始发生强反型时的栅极电压,记为VT。第六章绝缘栅场效应晶体管--1.MOSFET的基础2.MOSFET的阈值电压1)MOS结构的阈电压(1)功函数Wm=E0–(EF)mWmE0(EF)mWs=E0–(EF)sWsE0(EF)sECEV苏州科技学院电子与信息学院①金半功函数差为零;②栅氧化层内有效电荷面密度为零;③栅氧化层与半导体界面处不存在界面态。第六章绝缘栅场效应晶体管--1.MOSFET的基础(2)理想MOS结构苏州科技学院电子与信息学院（3）实际MOS结构FPoxFPAoxoxmsTCQCQV2)2(第六章绝缘栅场效应晶体管--1.MOSFET的基础0,0oxmsQ通常有,类同VG0,使半导体一侧带负电荷,能带在表面向下弯曲,数量为:)]/([oxoxmsCQqq定义:从表面到体内平衡处的电势差,为表面势,即FBoxoxmssVCQ/s有效栅极电压（VG-VFB）一部分降在栅氧化层上，即，另一部分降在半导体上，即.刚发生强反型时,栅极电压VG即阈电压VT:oxVs（4）实际MOS结构的阈电压VToxsoxmoxCQCQVAAnsQQQQ耗尽区中电离受主电荷面密度反型层电荷面密度FPoxFPTVVV2苏州科技学院电子与信息学院2)MOSFET的阈电压VGVSVBBDSGnnFBBGVVV)(BsFnFPVVqEE（1）有效栅极电压为（2）（3）强反型时表面势，增为（4）强反型时沟道下耗尽区厚度BsFPinvsVV2,21,max)2(AinvssdqNxinvs,则耗尽区中电离受主电荷面密度FpBSFpoxAsoxoxmssTVVCNqCQVV2)2()2(2/12/121,,]2[)(invssAinvsAqNQ第六章绝缘栅场效应晶体管--1.MOSFET的基础苏州科技学院电子与信息学院3）影响VT的几个因素（1）栅电容（2）衬底费米势（3）金－半功函数差oxCFpms令称为P型衬底体因子FpBSFpoxoxmssTVVKCQVV2)2(2/1oxAsCNqK21)2(第六章绝缘栅场效应晶体管--1.MOSFET的基础一般器件掺杂范围内,掺杂影响最大的是QA,故可以通过掺杂对QA的影响来改变VT.强反型后（4）衬底杂质浓度N2/1max)4(FPAsdAANqxqNQ（5）栅氧化层中Qox影响Qox的因素:①制造工艺②晶面③氧化以后的工艺P增MOSFET易制作,是因栅氧化层中的正电荷,使n型表面在栅极电压为零时总不能变成p型导电沟道.苏州科技学院电子与信息学院衬底偏置效应(体效应):衬底与源极之间外加衬底偏压VBS后,MOSFET的特性将发生变化.第六章绝缘栅场效应晶体管--1.MOSFET的基础（6）衬底偏置电压的影响空间电荷面密度随偏压增大而增大.FpBSFpoxoxmssTVVKCQVV2)2(2/112122/12/100FpBFpVTVTTVKVVVBB0sVGSV0AnOXMQQQ：Q电中性BSV物理意义苏州科技学院电子与信息学院3.MOSFET的伏安特性假设：①沟道内压降忽略不计②扩散电流忽略不计③沟道内μ＝c④缓变沟道近似⑤强反型近似⑥栅氧化层内有效电荷面密度为常数第六章绝缘栅场效应晶体管--1.MOSFET的基本特性dVQLZIDSVVnnD)(dVQZdyIDSVVnnLD)(01)非饱和区（1）漏电流的一般表达式忽略扩散电流，则沟道内电子电流密度为dydVnqnEqJnynCdydVQZdydVqndxZ：InnbnD)(0积分bnqndxQ0---沟道电子电荷面密度苏州科技学院电子与信息学院oxAsSDSDFpFBGDCqNVVVVVVI2/122)2(32)(21))(2(2/32/3)2()2(SBFpDBFpVVVV（2）沟道电子电荷面密度Qn与漏电流第六章绝缘栅场效应晶体管--1.MOSFET的基本特性衬底表面强反型后,沟道电子的屏蔽使VG增加部分几乎全落在栅氧化层上,半导体中能带弯曲程度不再增大,表面势和耗尽区宽都不再变化.2/1,)(22)(yVVqNVVCQQQBFpAsinvsFBGoxAsn2/1)(22))(2(yVVqNyVVVCBFpAsFpFBGox)(2,yVVBFpinvsLCZoxn---MOSFET增益因子苏州科技学院电子与信息学院221)(DSDSTGSDVVVVITSBVVV,0,0TGSDsatDSDVVVdVdI02)(2TGSVVIDsat对于p－MOSFET:221)(DSDSTGSDVVVVI2)(2TGSVVIDsat饱和漏极电压第六章绝缘栅场效应晶体管--1.MOSFET的基本特性饱和漏极电流TGSDSVVV2）饱和区)(/也可以感应出电子不可忽略yEVyDSID近似不变,但略有增加。DsatDSVV苏州科技学院电子与信息学院（1）有效沟道长度调制效应：VDSVDsat,沟道有效长度随VDS增大而缩短的现象。第六章绝缘栅场效应晶体管--1.MOSFET的基本特性VDS=VDsat时,V(L)=VDsat,夹断点电势VDsat,沟道压降也是VDsat夹断点处栅沟电压为VGS-VDsat=VT。VDSVDsat时,沟道中各点电势均上升,V(y)=VDsat位置左移,夹断点左移,有效沟道压降不变VDsat=VGS-VT,夹断点处栅沟电压为VGS-VDsat=VT。21)(2ADsatDSsqNVVL沟道长度调制量：)/11()(212'LLIVVCLZIDsatTGSoxnD苏州科技学院电子与信息学院衬底低掺杂时，漏－衬耗尽层随VDS增大而展宽很快，宽度可与沟道长相比拟，这时，起始于漏区的电力线不再全部终止于扩展到衬底中的耗尽层空间电荷上，即有一大部分穿过耗尽区终止于沟道区的可动电荷上，静电耦合。（2）漏区静电场对沟道区的反馈作用衬底中等掺杂以上时，漏电流不饱和的主要原因是有效沟道调制效应。衬底低掺杂时，以漏区－沟道耦合作用为主。第六章绝缘栅场效应晶体管--1.MOSFET的基本特性漏-沟间存在耦合电容,使单位面积沟道区内产生的平均电荷密度的增量为:ZLVCQDSdCTAV3)亚阈区VGS≤VT,ID≠0本征电压Vi：外加栅源电压使半导体表面附近能带下弯时，半导体表面处于本征状态，这时栅源电压称本征电压。Fpq苏州科技学院电子与信息学院亚阈漏电流、次开启电流IDsub：表面处于弱反型状态，表面电子浓度介于本征载流子浓度ni和衬底平衡多子浓度nA之间，有VDS时有很小的ID。LLnnAqDdydnAqDInnDsub)()0(第六章绝缘栅场效应晶体管--1.MOSFET的基本特性此时IDsub主要由沟道扩散电流引起，忽略漂移电流。)exp()0(0kTqnnsp])(exp[)(0kTVqnLnDSsp2/12)(sAssAsDNqddQCAsDsqNCqkTqEkTb)()]exp(1)][exp[()2exp()()(2kTqVkTqkTqCqkTLZIDSSFpSDnDsub苏州科技学院电子与信息学院)]exp(1)][)(exp[()(2kTqVnVVkTqCqkTLZIDSTGSDnDsub第六章绝缘栅场效应晶体管--1.MOSFET的基本特性4）击穿区VDS超过一定值时，IDS迅速上升,称漏源击穿.此时为漏源击穿电压BVDS。(1)之一--漏极雪崩击穿：源衬相连时，VDS对漏pn结呈反向电压，VDS增加到一定程度时漏pn结会雪崩击穿。实际漏结击穿电压比理论值要低,是由于金属栅极引起的附加电场的影响。实验表明:当衬底电阻率较大时,漏结击穿电压不再与衬底材料掺杂浓度有关,而主要由栅极电压的极性、大小和栅氧化层的厚度所决定。亚阈区栅源电压摆幅S:表征亚阈区中VGS对IDsub的控制能力.苏州科技学院电子与信息学院之二--漏源穿通击穿电压（VPT）L较短，较高时，漏衬间尚未雪崩击穿，但漏pn结耗尽区已扩展到与源区相连，称漏源击穿（VPT），VDS继续，源pn结正偏，大量电子进入沟道，被强电场扫入漏区，形成较大的ID。衬21sd])(2[xqNVVbi2PT2VLqNsA一维状态：类同双极型管基区穿通，但那里NBNC，不易基区穿通，这里反之。（2）栅源击穿电压BVGS取决于栅氧化层和温度VGS超过一定值（BVGS）时，栅氧化层击穿，栅衬短路，造成永久性损坏。氧化层击穿的临界电场:21.0oxBTEnmTox200~100)80(nmTox时，EB与TOX无关，BVGS与TOX成正比。MOS电容的两个特点：一.绝缘电阻非常高；二.电容量很小。第六章绝缘栅场效应晶体管--1.MOSFET的基本特性苏州科技学院电子与信息学院4.MOSFET直流参数与温度特性1）阈值电压VTFpBSFpASOXOXOXMSSTVVqNCCQVV2]22121（第六章绝缘栅场效应晶体管--1.MOSFET的基本特性]ln[)2(2)2(22)2(2)2(2221212121VCABSFpOXASFpBSFpOXASTNNNqkVCqNdTdVCqNdTdVqENNNqkTeNNNqkTnNqkTgVCAkTEVCAiAFpg2lnlnln)2/((3)在-55~125时，VT与T成线性关系CC(2)VBS的引入使减小dTdV2AVCNNN0dTdVT(1)苏州科技学院电子与信息学院2）饱和漏极电流IDSS对于耗尽型MOSFET，VGS=0（导通），VDS足够大时的漏电流饱和值称为饱和漏极电流IDSS。22TOXDSSVCLzILZIDSSOXDSSTI1截止漏电流--增强型MOSFET，VGS=0，VDS≠0时，pn结反向饱和电流ID≠0,这个