晶体管原理五PPT课件.ppt

1 场效应晶体管 FieldEffectTransistor 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 2019 12 28 1 2 结型栅场效应晶体管 JFET 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 2019 12 28 2 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 2019 12 28 3 4 J FET的基本结构 源 漏 绝缘栅场效应晶体管 第五章 2019 12 28 4 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 1MOSFET的结构 MOSFET基础 第五章 2019 12 28 5 6 MOSFET的立体结构 MOSFET基础 第五章 2019 12 28 6 7 P型衬底 N沟道MOSFET的剖面图 P型衬底 MOSFET基础 第一节 2019 12 28 7 8 5 1 2MOSFET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 2019 12 28 8 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 2019 12 28 9 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 VT0时称为耗尽型 常开型 5 1 3MOSFET的类型 MOSFET基础 第一节 2019 12 28 10 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 4MOSFET的输出特性 MOSFET基础 第一节 2019 12 28 11 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 2019 12 28 12 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 2019 12 28 13 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 2019 12 28 14 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 2019 12 28 15 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 2019 12 28 16 17 4种类型MOSFET的特性曲线小结 2019 12 28 17 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 2019 12 28 18 19 5 2 1MOS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 2019 12 28 19 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 2019 12 28 20 21 2 实际MOS结构 MS0 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 2019 12 28 21 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 2019 12 28 22 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 q FP 这时能带总的弯曲量是2q FP 表面势为 S S inv 2 FP MOSFET的阈值电压 第二节 2019 12 28 23 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2q FP 表面势为2 FP 于是可得 VT VFB VOX 2 FP VT VFB VOX 2 FP MOSFET的阈值电压 第二节 2019 12 28 24 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 2019 12 28 25 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 2 FP 故得 MOSFET的阈值电压 第二节 2019 12 28 26 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2 FP变为 2 FP VS VB 5 2 2MOSFET的阈电压 2019 12 28 27 28 因此MOSFET的阈电压一般表达式为 MOSFET的阈值电压 第二节 2019 12 28 28 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 2019 12 28 29 30 于是可得N沟MOSFET的阈电压为 MOSFET的阈值电压 第二节 2019 12 28 30 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 2019 12 28 31 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 2019 12 28 32 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150nm 目前高性能MOSFET的TOX可达10nm以下 MOSFET的阈值电压 第二节 2019 12 28 33 34 b 衬底费米势 FB MOSFET的阈值电压 第二节 2019 12 28 34 2019 12 28 35 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 6V 1 0V N沟 0 6V 0 2V P沟 见图5 15 当N 1015cm 3时 0 9V N沟 0 3V P沟 MS MS MOSFET的阈值电压 第二节 2019 12 28 36 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 2019 12 28 37 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 150nm时 MOSFET的阈值电压 第二节 2019 12 28 38 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 2019 12 28 39 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 2019 12 28 40 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 2019 12 28 41 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 2019 12 28 42 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x dmax MOSFET的阈值电压 第二节 2019 12 28 43 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 N A 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 2019 12 28 44 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 2019 12 28 45 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 2019 12 28 46 47 附 泊松方程 MOSFET的直流电流电压方程 第三节 2019 12 28 47 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 2019 12 28 48 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 2019 12 28 49 50 5 37 5 36 MOSFET的直流电流电压方程 第三节 2019 12 28 50 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 2019 12 28 51 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 2019 12 28 52 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 2019 12 28 53 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 2019 12 28 54 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 2019 12 28 55 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 2019 12 28 56 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 2019 12 28 57 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 2019 12 28 58 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 2019 12 28 59 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 2019 12 28 60 61 当VDS VDsat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 2019 12 28 61 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 2019 12 28 62 63 实测表明 当VDS VDsat后 ID随V