半导体器件与物理课件八

上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第8章MOS场效应晶体管的基本特性8.1MOSFET的结构和分类8.2MOSFET的特性曲线8.3MOSFET的阈值电压8.4MOSFET的伏安特性8.5MOSFET的频率特性8.6MOSFET的开关特性8.7阈值电压的控制和调整8.8习题上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理●——本章重点MOSFET的结构、种类和特点MOSFET的直流特性和阈值电压调整MOSFET的交流响应上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理双极型晶体管和场效应晶体管的区别双极型晶体管：由一个P-N结注入非平衡少数载流子，并由另一个P-N结收集而工作的。在这类晶体管中，参加导电的不仅有少数载流子，也有多数载流子，故称为双极型晶体管。场效应晶体管（FET）：利用改变垂直于导电沟道的电场强度来控制沟道的导电能力而工作的。在场效应晶体管中，工作电流是由半导体中的多数载流子所输运的，因此也称为单极型晶体管。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理场效应晶体管的分类第一类：表面场效应管，通常采取绝缘栅的形式，称为绝缘栅场效应管（IGFET）。若用二氧化硅作为半导体衬底与金属栅之间的绝缘层，即构成“金属－氧化物－半导体”（MOS）场效应晶体管，它是绝缘栅场效应管中最重要的一种；第二类：结型场效应管（JFET），它就是用P-N结势垒电场来控制导电能力的一种体内场效应晶体管；第三类：薄膜场效应晶体管（TFT），它的结构与原理和绝缘栅场效应晶体管相似，其差别是所用的材料及工艺不同，TFT采用真空蒸发工艺先后将半导体-绝缘体-金属蒸发在绝缘衬底上而构成。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理MOSFET相比双极型晶体管的优点（1）输入阻抗高：双极型晶体管输入阻抗约为几千欧，而场效应晶体管的输入阻抗可以达到109～1015欧；（2）噪声系数小：因为MOSFET是依靠多数载流子输运电流的，所以不存在双极型晶体管中的散粒噪声和配分噪声；（3）功耗小：可用于制造高集成密度的半导体集成电路；（4）温度稳定性好：因为它是多子器件，其电学参数不易随温度而变化。（5）抗辐射能力强：双极型晶体管受辐射后β下降，这是由于非平衡少子寿命降低，而场效应晶体管的特性与载流子寿命关系不大，因此抗辐射性能较好。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理MOSFET相比双极型晶体管的缺点工艺洁净要求较高；场效应管的速度比双极型晶体管的速度来得低。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理8.1MOSFET的结构和分类漏－源区，栅氧化层，金属栅电极等组成用N型半导体材料做衬底用P型半导体材料做衬底由N型衬底制成的管子，其漏－源区是P型的，称为P沟MOS场效应管；由P型材料制成的管子，其漏－源区是N型的，称为N沟MOS场效应管。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理P沟MOS管的工作原理上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理在工作时，源与漏之间接电源电压。通常源极接地，漏极接负电源。在栅极和源之间加一个负电压，它将使MOS结构中半导体表面形成负电的表面势，从而使由于硅－二氧化硅界面正电荷引起的半导体能带下弯的程度减小。当栅极负电压加到一定大小时，表面能带会变成向上弯曲，半导体表面耗尽并逐步变成反型。当栅极电压达到VT时，半导体表面发生强反型，这时P型沟道就形成了。空穴能在漏－源电压VDS的作用下，在沟道中输运。VT称为场效应管的开启电压。显然，P沟MOS管的VT是负值。由前面的讨论可知，形成沟道的条件为FSqq2FSqq2上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理表面强反型即沟道形成时，在表面处空穴的浓度与体内电子的浓度相等。开启电压是表征MOS场效应管性能的一个重要参数，以后内容中还将做详细介绍。另外，还可以指出，当栅极电压变化时，沟道的导电能力会发生变化，从而引起通过漏和源之间电流的变化，在负载电阻RL上产生电压变化，这样就可以实现电压放大作用。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理MOSFET的四种类型P沟耗尽型：栅压为零时，沟道已存在，加上一个正的栅压可以使P型沟道消失。P沟增强型：栅压为零时，沟道不存在，加上一个负的栅压才能形成P型沟道。N沟增强型：栅压为零时，沟道不存在，加上一个正的栅压才能形成N型沟道。N沟耗尽型：栅压为零时，沟道已存在，加上一个负的栅压才能使N型沟道消失。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理如果在同一N型衬底上同时制造P沟MOS管和N沟MOS管，（N沟MOS管制作在P阱内），这就构成CMOS。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理练习P12717，18P1421，3，4上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理MOSFET的特征1．双边对称在电学性质上源和漏是可以相互交换的。与双极型晶体管相比，显然有很大不同，对于双极型晶体管，如果交换发射极与集电极，晶体管的增益将明显下降。2．单极性在MOS晶体管中参与导电的只是一种类型的载流子，这与双极型晶体管相比也显著不同。在双极型晶体管中，显然一种类型的载流子在导电中起着主要作用，但与此同时，另一种载流子在导电中也起着重要作用。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理3．高输入阻抗由于栅氧化层的影响，在栅和其他端点之间不存在直流通道，因此输入阻抗非常高，而且主要是电容性的。通常，MOSFET的直流输入阻抗可以大于1014欧。4．电压控制MOSFET是一种电压控制器件。而且是一种输入功率非常低的器件。一个MOS晶体管可以驱动许多与它相似的MOS晶体管；也就是说，它有较高的扇出能力。5．自隔离由MOS晶体管构成的集成电路可以达到很高的集成密度，因为MOS晶体管之间能自动隔离。一个MOS晶体管的漏，由于背靠背二极管的作用，自然地与其他晶体管的漏或源隔离。这样就省掉了双极型工艺中的既深又宽的隔离扩散。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理8.2MOSFET的特性曲线对于MOSFET则可引进输出特性曲线和转移特性曲线来描述其电流－电压关系。输出特性曲线通过MOSFET的漏－源电流IDS与加在漏－源极间的电压VDS之间的关系曲线即为输出特性曲线。这时加在栅极上的电压作为参变量。以N沟道增强型MOSFET为例来进行讨论。（共源极接法）上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理源极接地，并作为输入与输出的公共端，衬底材料也接地。输入加在栅极G及源极S之间，输出端为漏极D与源极S。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理对于N沟道增强型管，VDS为正电压，VGS也是正电压。当VGS大于开启电压时，N沟道形成，电流通过N沟道流过漏和源之间。定性地可以将它分为三个工作区来进行讨论。可调电阻区/线性工作区/三极管工作区当漏－源电压VDS相对于栅极电压较小时，在源和漏之间存在一个连续的N型沟道。此沟道的长度L不变，宽度W也不变。从源端到漏端沟道的厚度稍有变化。这是因为VDS使沟道中各点的电位不同，在近源处（VGS-V沟）比近漏处的大，表面电场较大，沟道较厚。但是，总的来讲，沟道的厚度比氧化层厚度小得多。由此可见，此时的沟道区呈现电阻特性，电流IDS与VDS基本上是线性关系。而且，VGS越大，沟道电阻越小，可调电阻区的名称由此而来。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理可调电阻区的范围为VDSVGS-VT，即保证漏端沟道存在的条件。图8-9（a）表示N沟道增强管VT＝2V，VGS=6V，VDS=0时的沟道情况。此时沟道中各点电位相同，因此沟道厚度各处相同，IDS＝0。图（b）表示当VT＝2V，VGS=6V，VDS=2V时的沟道情况。这时漏端沟道厚度比源端薄，由于相差不大，仍可近似看成均匀。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理当VDS继续增加时，例如从2V变到4V时，漏端沟道越来越薄，电阻越来越大，IDS随VDS上升减慢，IDS~VDS的直线关系变弯曲。当VDS＝4V时，漏端处VGS-VDS=VT。这时漏端的沟道进入夹断的临界状态，处于可调电阻工作区与下面要讨论的饱和工作区的边界。IDS将成为漏－源饱和电流IDSS。图8-10给出了不同VGS时的IDS~VDS关系，即输出特性曲线，其中区域Ⅰ为可调电阻工作区。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理饱和工作区当VDS继续增大，使VDSVGS-VT时，沟道夹断点从漏端向左面源端移动。这样，沟道的长度略有缩短，夹断点的电压仍为VGS-VT，增加的电压VDS-(VGS-VT)都降落在夹断区，如图8-11中的AB段所示。显然，夹断区是耗尽区。由于沟道的长度总的来说变化不大，所以漏－源电流基本上达到饱和值IDSS。若VDS再增大，只是使夹断区增大。增加的电压均降落在耗尽区，漏－源电流仍基本上维持IDSS值，因此这个区域称为饱和工作区，如图8-10中区域Ⅱ所示。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第八章MOS场效应晶体管的基本特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理沟道长度调变效应两个N+区（源-漏）之间形成沟道长度L满足大大于夹断区AB段长度(长沟道)，其饱和漏－源电流基本上不变。图8-10中水平直线。但当沟道长度L不满足大大于夹断区AB段长度(短沟道)时，夹断区对沟道长度缩短的影响不能忽略，从而对电流的影响也不可以忽略，可