场效应晶体管JFET与MESFET器件基础.ppt

l2.5 JFET与MESFET器件基础 lJFET (Junction-gate Field Effect Transistor) MESFET (Metal Semiconductor Field Effect Transistor) 都是目前集成电路中广泛使用的半导体 器件. lJFET可以与BJT(双极晶体管)兼容,可用作恒流源 及差分放大器等单元电路;而MESFET是目前 GaAs 微波集成电路广泛采用的器件结构。 lMOSFET是靠静电感应电荷控制沟道电荷量, JFET与MESFET依靠势垒的空间电荷区扩展来控 制沟道的变化。 lJFET依靠pn结空间电荷区控制沟道电荷， MESFET是依靠肖基特势垒来控制沟道的变化。 2.5.1 器件结与电流控制原理 l1 结型场效应晶体管的结构 l用掺杂在n型衬底上构成p+区，从而形成一个pn结 。 l上下两个P型区联在一起,称为栅极(G: grid)。 lpn结下方有一条狭窄的N型区域称为沟道 (channel)，其厚度为d，长度为L，宽度为W。 l沟道两端的欧姆接触分别称为漏极(D, drain)和源 极(S, source)。这种结构又称为N沟JFET。 l2 JFET中沟道电流的特点 在漏（D）极和源（S）极之间加一个电压VDS,就 有电流IS流过沟道. 如果在栅（G）和源（S）极之间加一个反向pn 结电压VGS，将使沟道区中的空间电荷区之间的 距离逐步变小,由于栅区为P+,杂质浓度比沟道区 高得多，故PN结空间电荷区向沟道区扩展,使沟 道区变窄.从而实现电压控制源漏电流的目的。 l综上所述： 1 JFET是压控器件. 2 JFET工作时,栅源是反偏电压,控制电流很小,因 此是用小输入功率控制大的输出功率. 3 ID是在沟道中电场作用下多数载流子漂移电流, 又称为单极器件. l1 VGS=0情况下的源漏特性 一般源极接地。由于栅区为P+,可以认为栅区等电位. l2 VGS场效应晶体管 l分为N沟道和P沟道，每一类又分为增强型 和耗尽型。 1 MOSFET结构示意图 MOS器件的表征： 沟道长度 沟道宽度 w L 2 MOS 结构 lMOS是采用电场控制感应电荷的方式控制导电沟 道. l为了形成电场,在导电沟道区的止面覆盖了一层很 薄的二氧化硅层,称为栅氧化层. l栅氧化层上覆盖一层金属铝或多晶硅,形成栅电极. 构成一种金属-氧化物-半导体结构,故称为MOS结 构.目前栅极大多采用多晶硅. 2.6.2 MOSFET工作原理（NMOS为例） NMOS工作原理 VDS VGS - VT 阈值电压： 强反型层形成沟道时的栅源电压VT； (表面反型产生的载流子数目等于衬底多子的数目) 线性区(Linear region) ： VDS = VGS - VT 过渡区 ： 截止区（Cut off）： VGS VT 击穿区：PN结击穿； l1 VGS小于等于0的情况:截止区 两个背靠背的PN结,源漏间阻抗很大,电流近似 为0。对应于直流伏安特性中的截止区。 2 沟道的形成和阈值电压:线性区 l（1）导电沟道的形成 图1 P型半导体 (2)、表面电荷减少(施加正电压) 图2 表面电荷减少 (3)、形成耗尽层（继续增大正电压） (4)、形成反型层（电压超过一定值VT） 表面场效应形成反型层（MOS电容结构） l反型层是以电子为载流子的N型薄层,就在N+型源 区和N+型漏区间形成通道称为沟道。 lVDS VDS 令：K= Cox n 工艺因子 Cox :单位面积电容； n：电子迁移率 N=K(W/L) 导电因子 则： IDS=N(VGS-VTN)-VDS/2.VDS 线性区的电压-电流方程 当工艺一定时，K一定，N与（W/L）有关。 （2）饱和区：VDSVGS-VT L S D VDS VDS-(VGS-VT) VGS-VT VGS-VT不变，VDS增加的电压主要降在L上，由于 LL，电子移动速度主要由反型区的漂移运动决 定。所以，将以VGS-VT取代线性区电流公式中的VDS得 到饱和区的电流电压表达式： 沟道夹断 沟道长度调制 效应 MOS的电流电压特性 （3）截止区： V VGS GS-V -V T T 0 IDS=0 IDS 输出特性曲线 VDS 0 线性区 饱和区 |VG5| |VG4| |VG3| |VG2| |VG1| VGS-VT1； （5）击穿区 VDS增大到一定程度，使晶体管漏-衬底PN结击穿。 二、PMOS管IV特性 电流-电压表达式： 线性区：IDS=P (|VDS|-|VTp|-|VDS|/2) |VDS| 饱和区：IDS=(P/2)(|VGS|-|VTp|) 衬底偏置（背栅）效应 l如果MOS管的源区和衬底电压不一致，就会产生 衬底偏置效应，会对阈值电压产生影响： 其中：g 为衬底阈值参数或者体效应系数； F 为强反型层的表面势； VBS为衬底对源区的电压； VT0为VBS为0时的阈值电压； l1.衬底掺杂浓度是一个重要的参数，衬底掺杂 浓度越低，器件的阈值电压将越小 l2.栅材料和硅衬底的功函数差的数值对阈值电 压有影响。 l3.栅氧化层厚度决定的单位面积电容的大小， 单位面积栅电容越大，阈值电压将越小，栅氧 化层厚度应综合考虑 l一般通过改变衬底掺杂浓度调整器件的阈值电 压 MOS晶体管类别 按载流子类型分： lNMOS: 也称为N沟道，载流子为电子。 lPMOS: 也称为P沟道，载流子为空穴。 按导通类型分： l增强型： l耗尽型： 四种MOS晶体管：N沟增强型；N沟耗尽型；P沟增 强型；P沟耗尽型 （1）N沟增强： VDS VGS=VT IDS VGS VT IDS (b)N沟耗尽： VDS VGS=VT IDS VGS VT IDS VGS=0 （C）P沟增强 （d）P沟耗尽 l截止区： l非饱和区(线性区和过渡区)： l饱和区 2.6.3 MOSFET伏-安特性 l有效沟道长度Leff lMOS晶体管的跨导为： l非饱和状态 l饱和状态： l沟道电阻： l特征频率： l1.MOS阈值电压 l对NMOS而言： lVFB为平带电压。它表示由于栅极材料和衬底材 料间的功函数差以及栅氧化层中固定电荷的影 响引起的电压偏移。 lVS为功函数的影响，QSS为氧化层固定电荷密度 ，COX为单位面积栅氧化层电容（MOS电容） 2.6.4 MOS管的电压 l2 阈值电压和衬底电压的关系 l3阈值电压和沟道尺寸的关系 随L的减小而减小，随W的增大而增大。 lMOSFET是一种表面型器件，其工作电流沿表面横 向流动，因此其特性和横向尺寸有很强联系。 lL越小，fT和 gm均越大，且集成度也越高，因此， 减小尺寸将有益于MOS特性的提高。 lMOSFET是多子器件，没有少数载流子复合和存储 ，因此器件速度较高。 l提高迁移率n也将使fT和gm提高，采用高迁移率材 料做晶体管是方向。 lMOS晶体管是通过改变外加栅压的大小来控制导电 沟道。 2.6.5 MOS晶体管的特点 l由于栅源极间有绝缘介质二氧化硅的隔离,因此呈 现纯电容性高输入阻抗。 l由于沟道和衬底之间构成PN结.为保证只在沟道中 有电流流过,使用时必然使源区,漏区,以及沟道区 与衬底之间的PN结处于反偏.这样在同一衬底上形 成的多个MOS管之间具有自动隔离的效果。 l目前用多晶硅取代铝作栅极材料.多晶硅耐高温,可 形成自对准工艺，掺杂多晶硅又可用途内连线。 l为了克服电阻增大导致的布线延迟,又出现了用钨 钼及其硅化物作栅极的材料,其电阻率比多晶硅低 两个数量级。 l2.6.6 MOS 晶体管模型和模型参数 lL、W 沟道长度和宽度 lVTO 零偏阈值电压 lKP跨导系数（unCox) lGAMMA 体效应系数 lPHI费米势 lLAMBDA 沟道长度调制系数 lR（D，S）漏和源区串联电阻 lCB（D，S）零偏B-D，B-S结电容 lIS 衬底结饱和电流 lCGSO 单位沟道宽度栅覆盖电容 lCGBO 单位沟道宽度栅-衬底覆盖电容 lPB衬底结接触电势 lCJ 衬底结零偏势垒电容 lMJ 梯度因子，RSH薄层电阻 l(1)栅自对准工艺 在MOS工艺水平中，在栅氧化层上先利用多 晶硅制做栅极，在形成源漏区进行扩散或进 行离子注入时栅极能起到掩膜的作用，自动 保证了栅金属与源漏区的对准问题，此技术 称为自对准工艺。 l(2)硅栅结构 多晶硅栅还可以做互连线,有利于减小集成 电