课件：晶体管原理第五章.ppt

1,场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）是另一类重要的微电子器件。这是一种电压控制型多子导电器件，又称为单极型晶体管。这种器件与双极型晶体管相比，有以下优点, 输入阻抗高； 温度稳定性好； 噪声小； 大电流特性好； 无少子存储效应，开关速度高； 制造工艺简单； 各管之间存在天然隔离。,绝缘栅场效应晶体管,第五章,2,结型栅场效应晶体管（ J FET ）,肖特基势垒栅场效应晶体管（ MESFET ）,绝缘栅场效应晶体管（ IGFET 或 MOSFET ),场效应晶体管（FET）的分类,绝缘栅场效应晶体管,第五章,3,JFET 和 MESFET 的工作原理相同。以 JFET 为例，用一个低掺杂的半导体作为导电沟道，在半导体的一侧或两侧制作 PN 结，并加上反向电压。利用 PN 结势垒区宽度随反向电压的变化而变化的特点来控制导电沟道的截面积，从而控制沟道的导电能力。两种 FET 的不同之处仅在于，JFET 是利用 PN 结作为控制栅，而 MESFET 则是利用金- 半结（肖特基势垒结）来作为控制栅。,IGFET 的工作原理略有不同，利用电场能来控制半导体的表面状态，从而控制沟道的导电能力。,根据沟道导电类型的不同，每类 FET 又可分为 N 沟道器件 和 P 沟道器件。,绝缘栅场效应晶体管,第五章,4,J - FET 的基本结构,源、漏,绝缘栅场效应晶体管,第五章,5,绝缘栅场效应晶体管 按其早期器件的纵向结构又被称为 “金属 -氧化物-半导体场效应晶体管”，简称为 MOSFET ， 但现在这种器件的栅电极实际不一定是金属，绝缘栅也不一定是氧化物，但仍被习惯地称为 MOSFET 。,5.1.1 MOSFET 的结构,MOSFET基础,第五章,6,MOSFET 的立体结构,MOSFET基础,第五章,7,P 型衬底,N 沟道 MOSFET 的剖面图,P 型衬底,MOSFET基础,第一节,8,5.1.2 MOSFET 的工作原理,当 VGS =0时， N+ 型的源区与漏区之间隔着 P 型区，且漏结反偏，故无漏极电流。当 VGS 0时，外加电压会在栅下的氧化层中产生电场，电力线由栅电极指向半导体表面，将在P型硅表面产生感应负电荷，随着栅压增加，P型硅表面将耗尽而反型，产生电子积累。当栅压增加到VT （称为 阈电压 ）时，P 型硅表面发生 强反型 ，形成连通源、漏区的 N 型 沟道 ，在 VDS 作用下产生漏极电流 ID 。对于恒定的 VDS ，VGS 越大，沟道中的电子就越多，沟道电阻就越小，ID 就越大。,所以 MOSFET 是通过改变 VGS 来控制沟道的导电性，从而控制漏极电流 ID ，是一种电压控制型器件。,MOSFET基础,第一节,9,转移特性曲线：VDS 恒定时的 VGS ID 曲线。MOSFET 的转移特性反映了栅源电压 VGS 对漏极电流 ID 的控制能力。,N 沟道 MOSFET 当,VT 0 时，称为 增强型 ，为 常关型。,VT 0 时，称为 耗尽型 ，为 常开型。,ID,VGS,VT,0,ID,VGS,VT,0,MOSFET基础,第一节,10,P 沟道 MOSFET 的特性与 N 沟道 MOSFET 相对称，即： (1) 衬底为 N 型，源漏区为 P+ 型。 (2) VGS 、VDS 的极性以及 ID 的方向均与 N 沟相反。 (3) 沟道中的可动载流子为空穴。 (4) VT 0 时称为耗尽型（常开型）。,5.1.3 MOSFET 的类型,MOSFET基础,第一节,11,输出特性曲线：VGS VT 且恒定时的 VDS ID 曲线。可分为以下 4 段,5.1.4 MOSFET 的输出特性,MOSFET基础,第一节,12, 线性区 当 VDS 很小时，沟道就象一个阻值与 VDS 无关的 固定电阻，这时 ID 与 VDS 成线性关系，如图中的 OA 段所示。,MOSFET基础,第一节,13, 过渡区 随着 VDS 增大，漏附近的沟道变薄，沟道电阻增大，曲线逐渐下弯，如图中的 AB 段所示。当 VDS 增大到 VDsat ( 饱和漏源电压 ) 时，漏端处的可动电子消失，这称为沟道被 夹断，如图中的 B 点所示。线性区与过渡区统称为 非饱和区，有时也统称为 线性区。,MOSFET基础,第一节,14, 饱和区 当 VDS VDsat 后，沟道夹断点左移，漏附近只剩下耗尽区。这时 ID 几乎与 VDS 无关而保持常数 IDsat ，曲线为水平直线，如图中的 BC 段所示。 实际上 ID 随 VDS 的增大而略有增大，曲线略向上翘。,MOSFET基础,第一节,15, 击穿区 当 VDS 继续增大到 BVDS 时，漏结发生雪崩击穿，或者漏源间发生穿通，ID 急剧增大，如图中的 CD 段所示。,MOSFET基础,第一节,16,将各曲线的夹断点用虚线连接起来，虚线左侧为非饱和区，虚线右侧为饱和区。,以 VGS 作为参变量，可得到不同 VGS下的 VDS ID 曲线族，这就是 MOSFET 的 输出特性曲线。,MOSFET基础,第一节,17,4 种类型 MOSFET 的特性曲线小结,18,定义：使栅下的硅表面处开始发生强反型时的栅电压称为阈电压 ，记为 VT 。,定义：当硅表面处的少子浓度达到或超过体内的平衡多子浓度时，称为表面发生了 强反型 。,在推导阈电压的表达式时可以近似地采用一维分析，即认为衬底表面下空间电荷区内的空间电荷完全由栅极与衬底之间的电压所决定，与漏极电压无关。,MOSFET的阈值电压,第二节,19,5.2.1 MOS 结构的阈电压,本小节推导 P 型衬底 MOS 结构的阈电压 。,MOSFET的阈值电压,第二节,20,上图中，,1、理想 MOS 结构（金属与半导体间的功函数差 MS = 0 ，栅氧化层中的电荷面密度 QOX = 0 ）当 VG = 0 时的能带图,称为 P 型衬底的费米势,MOSFET的阈值电压,第二节,21,2、实际 MOS 结构（MS 0）当 VG = 0 时的能带图,上图中，S 称为 表面势，即从硅表面处到硅体内平衡处的电势差，等于能带弯曲量除以 q 。COX 代表单位面积的栅氧化层电容， ，TOX 代表栅氧化层厚度。,22,3、实际 MOS 结构当 VG = VFB 时的能带图 当 时，可以使能带恢复为平带状态，这时 S = 0，硅表面呈电中性。VFB 称为 平带电压 。,MOSFET的阈值电压,第二节,23,4、实际 MOS 结构当 VG = VT 时的能带图 要使表面发生强反型，应使表面处的 EF - Eis = qFP ，这时能带总的弯曲量是 2qFP ，表面势为 S = S,inv = 2FP 。,MOSFET的阈值电压,第二节,24,外加栅电压超过 VFB 的部分（VG -VFB）称为 有效栅电压。有效栅电压可分为两部分：降在氧化层上的 VOX 与降在硅表面附近的表面电势 S ，即 VG VFB = VOX + S,表面势 S 使能带发生弯曲。表面发生强反型时能带的弯曲量是 2qFP ，表面势为 2FP ，于是可得： VT VFB = VOX + 2FP,VT = VFB + VOX + 2FP,MOSFET的阈值电压,第二节,25,上式中， QM 和 QS 分别代表金属一侧的电荷面密度和半导体一侧的电荷面密度，而 QS 又是耗尽层电荷QA 与反型层电荷 Qn 之和。,MOSFET的阈值电压,第二节,26,关于 QA 的进一步推导在以后进行。,作为近似，在刚开始强反型时，可忽略 Qn 。QA 是 S 的函数，在开始发生强反型时，QA ( S ) = QA ( 2FP ) ，故得：,MOSFET的阈值电压,第二节,27,1、阈电压一般表达式的导出,MOSFET 与 MOS 结构的不同之处是： a) 栅与衬底之间的外加电压由 VG 变为 (VG -VB) ，因此有效栅电压由 (VG -VFB ) 变为 (VG -VB - VFB ) 。 b) 有反向电压 (VS -VB )加在源、漏及反型层的 PN 结上，使之处于非平衡状态，EFp-EFn = q(VS -VB ) 。 c) 强反型开始时的表面势 S,inv 由 2FP 变为( 2FP + VS -VB )。,5.2.2 MOSFET 的阈电压,28,因此 MOSFET 的阈电压一般表达式为,MOSFET的阈值电压,第二节,29,以下推导 QA 的表达式。对于均匀掺杂的衬底，,式中， ，称为 体因子。,MOSFET的阈值电压,第二节,30,于是可得 N 沟 MOSFET 的阈电压为,MOSFET的阈值电压,第二节,31,注意上式中，通常 VS 0，VB 0 。 当 VS = 0 ，VB = 0 时，,这与前面得到的 MOS 结构的阈电压表达式相同。,MOSFET的阈值电压,第二节,32,称为 N 型衬底的费米势。,同理， P 沟 MOSFET 的阈电压为,式中，,FN 与 FP 可以统一写为 FB ，代表 衬底费米势。,MOSFET的阈值电压,第二节,33,2、影响阈电压的因素,当 VS = 0 ，VB = 0 时 ，N 沟道与 P 沟道 MOSFET 的阈电压可统一写为,a) 栅氧化层厚度 TOX,一般来说，当 TOX 减薄时， |VT | 是减小的。,早期 MOSFET 的 TOX 的典型值为 150 nm ，目前高性能MOSFET 的 TOX 可达 10 nm 以下。,MOSFET的阈值电压,第二节,34,b) 衬底费米势 FB,MOSFET的阈值电压,第二节,2019/8/20,35,可编辑,36,MS 与金属种类、半导体导电类型及掺杂浓度有关。对于Al Si 系统，,c) 功函数差 MS,- 0.6 V - 1.0 V ( N 沟 ),- 0.6 V - 0.2 V ( P 沟 ),（见图 5-15）,当 N = 1015 cm-3 时，,- 0.9 V ( N 沟 ),- 0.3 V ( P 沟 ),MS =,MS =,MOSFET的阈值电压,第二节,37,d) 耗尽区电离杂质电荷面密度 QAD,由于 FB 与掺杂浓度 N 的关系不大，故可近似地得到,MOSFET的阈值电压,第二节,38,e) 栅氧化层中的电荷面密度 QOX,QOX 主要包括：Si-SiO2界面的固定电荷密度QSS和界面附近的可动Na+离子。QOX 总是正的，所以上式的第二项总是负的。在一般工艺条件下，当 TOX = 150 nm 时，,MOSFET的阈值电压,第二节,39,影响 QOX的因素,制造工艺。如果在制备栅氧化层时，清洗工作做得不好，混入了带正电荷的杂质离子，就会使QOX 增大，尤其是碱金属离子Na+、K+的影响最大。,MOSFET的阈值电压,第二节,晶面。在同样的材料和工艺条件下，QSS 随晶面的不同而不同，所以在不同晶面上制作MOSFET，其阈值电压也不同。,氧化以后的工艺。,40,调整阈电压主要是通过改变掺杂浓度 N（例如离子注入）和改变栅氧化层厚度 TOX 来实现。,对于P沟道MOSFET，上式中的四项都是负的，所以VT总是负值，即由常规铝硅工艺制作的P沟道MOSFET都是增强型的。,MOSFET的阈值电压,第二节,对于N沟道MOSFET，上式中的第一项和第二项是负的，后两项是正的。当QOX较大和NA较小时，VT是负值，MOSFET是耗尽型；当QOX较小和NA较大时，VT是正值，MOSFET是增强型。,41,对于 N 沟道 MOSFET ，,3、衬底偏置效应（体效应）,衬底偏置效应：VT 随 VBS 的变化而变化。,当 VS = 0 时，可将源极作为电位参考点，这时 VG = VGS 、VD = VDS 、VB = VBS 。,MOSFET的阈值电压,第二节,42,对于 P 沟道 MOSFET ，,可见，当 |VBS | 增大时，N 沟道 MOSFET 的阈电压向正方向变化，而 P 沟道 MOSFET 的阈电压向负方向变化。,由于 ，所以 TOX 越厚、N 越高，衬底偏置效应就越严重。,MOSFET的阈值电压,第二节,43,4、离子注入对阈电压的调整,假设注入的杂质浓度为阶梯形分布，且注入深度 R 小于沟道下的衬底耗尽区最大厚度 xdmax ，,MOSFET的阈值电压,第二节,44,则经离子注入调整后的阈电压为,阈电压的调整量为,式中，NI 代表离子注入增加的杂质浓度，NA = NA + NI ；QI = -qNIR 代表离子注入在耗尽区增加的电离杂质电荷面密度。,MOSFET的阈值电压,第二节,45,本节将以 N 沟道 MOSFET 为例，推导 MOSFET 的 ID VD 方程。,MOSFET的直流电流电压方程,第三节,46,推导时采用如下假设：, 沟道电流只由漂移电流构成，忽略扩散电流；, 采用缓变沟道近似，即：,这表示沟道厚度沿 y 方向的变化很小，沟道电子电荷全部由 感应出来而与 无关；,5.3.1 非饱和区直流电流电压方程,MOSFET的直流电流电压方程,第三节,47,附：泊松方程,MOSFET的直流电流电压方程,第三节,48, 沟道内的载流子（电子）迁移率为常数；, 采用强反型近似，即认为当表面少子浓度达到体内平衡多子浓度（也即 S = S,inv ）时沟道开始导电；, QOX 为常数，与能带的弯曲程度无关。,MOSFET的直流电流电压方程,第三节,49,当在漏极上加 VD VS 后，产生漂移电流，,式中， 代表沟道内的电子电荷面密度。,1、漏极电流的一般表达式,（5-36）,MOSFET的直流电流电压方程,第三节,50,（5-37）,（5-36）,MOSFET的直流电流电压方程,第三节,51,当 VG VT 后，沟道中产生的大量电子对来自栅电极的纵向电场起到屏蔽作用，所以能带的弯曲程度几乎不再随 VG 增大 ，表面势 S 也几乎维持 S,inv 不变。于是，,2、沟道电子电荷面密度 Qn,MOSFET的直流电流电压方程,第三节,52,当外加 VD ( VS ) 后，沟道中将产生电势 V ( y ) ，V (y) 随 y 而增加，从源极处的 V (0) = VS 增加到漏极处的 V (L) = VD 。这样 S,inv 、xd 与 QA 都成为 y 的函数，分别为：,MOSFET的直流电流电压方程,第三节,53,将上面的 S,inv 和 QA 代入沟道电子电荷面密度 Qn 后，可知 Qn 也成为 y 的函数，即：,MOSFET的直流电流电压方程,第三节,54,将 Qn 代入式（5-37）,对上式可进行简化。,3、漏极电流的精确表达式,并经积分后得：,MOSFET的直流电流电压方程,第三节,55,将 Qn 中的 在 V = 0 处用级数展开，,当只取一项时，,当 VS = 0 ，VB = 0 时，可将 VD 写作 VDS ，将 VG 写作 VGS ，则 Qn 成为：,4、漏极电流的近似表达式,MOSFET的直流电流电压方程,第三节,56,将此 Qn 代入式（5-37）的 ID 中，并经积分后得：,（5-50）,MOSFET的直流电流电压方程,第三节,57,（5-51）,再将 写作 ，称为 MOSFET 的 增益因子，则,MOSFET的直流电流电压方程,第三节,58,式（5-51）表明，ID 与 VDS 成 抛物线关系，即：,式（5-51）只在抛物线的左半段有物理意义。,MOSFET的直流电流电压方程,第三节,59,此时所对应的漏极电流称为 饱和漏极电流 IDsat ，,由 Qn 的表达式可知，在 y = L 的漏极处，,可见 | Qn(L) | 是随 VDS 增大而减小的。当 VDS 增大到被称为 饱和漏源电压 的 VDsat 时，Qn ( L ) = 0 ，沟道被夹断。显然，,（5-52）,MOSFET的直流电流电压方程,第三节,60,这一点正好是抛物线的顶点。所以 VDsat 也可由令 而解出。,（5-53）,MOSFET的直流电流电压方程,第三节,61,当 VDS VD sat 后，简单的处理方法是从抛物线顶点以水平方向朝右延伸出去。,以不同的 VGS 作为参变量，可得到一组 ID VDS 曲线，这就是 MOSFET 的输出特性曲线。,MOSFET的直流电流电压方程,第三节,62,对于 P 沟道 MOSFET，可得类似的结果，,式中，,以上公式虽然是近似的，但因计算简单，在许多场合得到了广泛的应用。,MOSFET的直流电流电压方程,第三节,63,实测表明，当 VDS VDsat 后，ID 随 VDS 的增大而略有增大，也即 MOSFET