《微电子学概论》--Chap02.ppt

第二章半导体物理和器件物理基础,*半导体及其基本特性*半导体中的载流子*PN结*双极晶体管*MOS场效应晶体管,2.1半导体及其基本特性,固体材料(电导率）：超导体:大于106(cm)-1导体:106104(cm)-1半导体:10410-10(cm)-1绝缘体:小于10-10(cm)-1,一、什么是半导体,从导电特性和机制来分：不同电阻特性不同输运机制,什么是半导体？金属：电导率106104(Wcm-1)，不含禁带；半导体：电导率10410-10(Wcm-1)，含禁带；绝缘体：电导率BVceo,BVceo:晶体管的重要直流参数之一，其越大，晶体管可能输出的功率越大。,3.晶体管的频率特性晶体管的许多参数，如放大倍数,，都与频率有关，电流放大系数随频率增加而减小。(如图所示),截止频率f：共基极电流放大系数减小到低频值的时所对应的频率值；,截止频率f：减小到低频值的时对应的频率值；,特征频率fT：共发射极电流放大系数为1时对应的工作频率；,最高振荡频率fM：共发射极功率增益为1时对应的频率；,五.BJT的特点,优点,垂直结构,与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大,易于获得高fT,高速应用,整个发射上有电流流过,可获得单位面积的大输出电流,易于获得大电流,大功率应用,开态电压VBE与尺寸、工艺无关,片间涨落小，可获得小的电压摆幅,易于小信号应用,模拟电路,输入电容由扩散电容决定,随工作电流的减小而减小,可同时在大或小的电流下工作而无需调整输入电容,输入电压直接控制提供输出电流的载流子密度,高跨导,缺点：,存在直流输入电流，基极电流,功耗大,饱和区中存储电荷上升,开关速度慢,开态电压无法成为设计参数,设计BJT的关键：获得尽可能大的IC和尽可能小的IB,当代BJT结构,特点：深槽隔离多晶硅发射极,2.4MOS场效应晶体管,(Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransnsator),场效应晶体管（FET）,结型场效应晶体管（JFET）,金属半导体场效应晶体管（MESFET）,MOS场效应晶体管（MOSFET）,场效应晶体管是一种电压控制器件,其导电过程主要涉及一种载流子.也称为单极晶体管,集成电路中最重要的单极器件,一、MOSFET结构,MOSFET:MOSfield-effecttransistor也叫：绝缘栅场效应晶体管（InsulatedGate,IGFET）栅极与其他电极之间绝缘金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(MISFET)电压控制电流场效应晶体管两个高掺杂的n+区,（二氧化硅）,属于四端器件，有四个电极。由于结构对称，在不加偏压时，无法区分器件的源和漏。源漏之间加偏压后，电位低的一端称为源，电位高的一端称为漏。,nMOSFET,如图，当施加在栅极上的电压为0时，源区和漏区被中间的P型区隔开，源和漏之间相当于两个背靠背的pn结，在这种情况下，即使在源和漏之间加一定的电压，也没有明显的电流，只有少量的pn结反向电流(为什么？）。当在栅极上加有一定的正电压VG0后，会形成电子导电沟道,如果在源和漏之间加一定的电压，就会有明显的电流流过。由于器件的电流是由电场控制的,因此这种器件为场效应晶体管.,MOS器件的表征：,沟道长度,沟道宽度,二、MOSFET工作原理（NMOS为例）,1.半导体表面场效应（以P型半导体为例）(1).P型半导体,图1P型半导体,（2）、表面电荷减少(施加正电压),金属,绝缘体,半导体,施加正电荷作用使半导体表面的空穴被排走，少子（电子）被吸引过来。,（3）、形成耗尽层（继续增大正电压）,继续增大正电压，负空间电荷区加宽，同时被吸引到表面的电子也增加。形成耗尽层,（4）、形成反型层（电压超过一定值Vt）,电压超过一定值Vt，吸引到表面的电子浓度迅速增大，在表面形成一个电子导电层，反型层。,2.NMOS晶体管工作原理,表面场效应形成反型层（MOS电容结构）,MOS,VdsVgs-Vt,漏电流Ids随漏电压Vds的变化而线性变化。整个沟道厚度变化不大。,随着Vds的增加，漏端沟道变窄，当Vds增加到使漏端沟道面积减少到零时，称为沟道“夹断”。漏极附近不再存在反型层。,阈值电压：强反型而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(Linearregion)：Vds=Vgs-Vt截至区（Cutoff）：VgsVt0击穿区：PN结击穿；,（1）线性区(见图（a）：Vgs-VtVds令：K=Coxn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/2Vds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：Vgs-Vtn1；（5）击穿区VDS增大到一定程度，使晶体管漏-衬底PN结击穿。,3、PMOS管IV特性电流-电压表达式：线性区：Isd=p(|Vgs|-|Vtp|-|Vds|/2)|Vds|饱和区：Isd=(p/2)(|Vgs|-|Vtp|),三、MOS晶体管类别,按载流子类型分：NMOS:也称为N沟道，载流子为电子。PMOS:也称为P沟道，载流子为空穴。按导通类型分：增强（常闭）型：必须在栅上施加电压才能形成沟道。耗尽（常开）型：在零偏压下存在反型层导电沟道，必须在栅上施加偏压才能使沟道内载流子耗尽的器件。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,（a）N沟增强：,输出特性,转移特性,Vgs,必须施加高于阈值电压才能有漏源电流。,(b)N沟耗尽：,输出特性,转移特性,在Vgs=0时，可能有较大电流流过。,沟道,（C）P沟增强:,输出特性,转移特性,（d）P沟耗尽:,输出特性,转移特性,四、MOS管的电容（电容效应由器件中的电荷存储效应引起的）,Cgs：栅-源电容，栅和沟道电荷变化引起，包括栅对源的覆盖产生的结电容，是最大的电容；Csb：源-衬电容，由源极反偏耗尽层产生，包括沟道对衬底的电容；Cdb：漏-衬电容，漏极反偏耗尽层产生；Cgd：栅-漏电容，由于栅-漏的覆盖引起，也称miller电容；Cs-sw、Cd-sw：源-漏区侧墙电容(sidewallcapacitance)