晶体管原理(4-1)

1、 场效应晶体管（场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）是另一类）是另一类重要的微电子器件。这是一种重要的微电子器件。这是一种，又称，又称为为。这种器件与双极型晶体管相比，有以下优点。这种器件与双极型晶体管相比，有以下优点 输入阻抗高；输入阻抗高； 温度稳定性好；温度稳定性好； 噪声小；噪声小； 大电流特性好；大电流特性好； 无少子存储效应，开关速度高；无少子存储效应，开关速度高； 各管之间存在天然隔离，适宜于制作各管之间存在天然隔离，适宜于制作 VLSI 。 功耗低功耗低结型栅场效应晶体管结型栅场效应晶体管（ J FET ）肖特基势垒栅场效应晶体管（肖特基势垒栅

2、场效应晶体管（ MESFET ）绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管（ IGFET 或或 MOSFET ) JFET 和和 MESFET 的工作原理相同。以的工作原理相同。以 JFET 为例，用一为例，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。结，并加上反向电压。两种两种 FET 的不同之处仅在于，的不同之处仅在于，JFET 是利用是利用 PN 结结作为控制栅，而作为控制栅，而 MESFET 则是利用金则是利用金- 半结（肖特基势垒结）半结（肖特基势垒结）来作为控制栅。来作为控制栅。 IGFET

3、的工作原理略有不同，利用电场能来控制半导体的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。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，每类根据沟道导电类型的不同，每类 FET 又可分为又可分为 和和。 J - FET 的基本结构的基本结构源、漏源、漏 MESFET 的基本结构的基本结构 绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管 按其早期器件的纵向结构按其早期器件的纵向结构又被称为又被称为 ，简称为，简称为 ， 但现在这种器件的栅电极实际不一定是金属，但现在这种器件的栅电极实际不一定是金属，绝缘绝缘栅栅也不一定也不一定是是氧化物，但氧化物，但仍被习惯地

4、称为仍被习惯地称为 MOSFET 。 从从65纳米到纳米到45纳米纳米 必须找到新的必须找到新的high-K材料材料 在45纳米以前,使用的二氧化硅做为制造晶体管栅介质的材料, 通过压缩其厚度以维持栅级的电容进而持续改善晶体管效能。 在65纳米制程工艺下，Intel公司已经将晶体管二氧化硅栅介质的厚度压缩至与五层原子的厚度相当。 65纳米已经达到了这种传统材料的极限纳米已经达到了这种传统材料的极限。 为了解决上述问题，便开发了新的高-K材料来做栅绝缘层。 目前Intel使用金属铪(读音为哈)的氧化物作为栅极的电介质，这种材料具有高K的性质，可以做的足够厚以防止漏电，因为有较高的介电常数可以维持

5、栅级的电容。 新的栅介质和原来的栅极的多晶硅（掺杂）不兼容。Intel用特殊金属代替多晶硅，至于金属材料的成分属于商业机密没有公布。而金属栅极本身相比多晶硅拥有更快的开关速率，又多了一个提升速度的因素。 金属栅极与高电介质组成的栅极结构就是 “高高K金属栅结构金属栅结构”,能使晶体管开关速度能够提升20%且耗电量降低30%。 第一款第一款45纳米纳米QX9650晶体管数量增长晶体管数量增长40%面积下降面积下降25% 英特尔共同创始人Gordon Moore说，采用“high-k”和金属材料标志着自从60年代末推出多晶硅栅MOS晶体管以来晶体管技术的一个最大最大的变化。 MOSFET 的立体结

6、构的立体结构P 型衬底型衬底 N 沟道沟道 MOSFET 的剖面图的剖面图P 型衬底型衬底 当当 VGS VT 时，栅时，栅下的下的 P 型硅表面发生型硅表面发生 ，形成连通源、漏区的，形成连通源、漏区的 N 型型 ，在在 VDS 作用下产生漏极电流作用下产生漏极电流 ID 。对于恒定的。对于恒定的 VDS ，VGS 越大，越大，沟道中的电子就越多，沟道电阻就越小，沟道中的电子就越多，沟道电阻就越小，ID 就越大。就越大。 所以所以 MOSFET 是通过改变是通过改变 VGS 来控制沟道的导电性，从来控制沟道的导电性，从而控制漏极电流而控制漏极电流 ID ，是一种电压控制型器件。，是一种电压控

7、制型器件。 ：VDS 恒定时的恒定时的 VGS ID 曲线。曲线。MOSFET 的的转移特性反映了栅源电压转移特性反映了栅源电压 VGS 对漏极电流对漏极电流 ID 的控制能力的控制能力。 N 沟道沟道 MOSFET 当当VT 0 时，称为时，称为 ，为，为 。VT 0 时，称为时，称为 ，为，为 。IDVGSVT0IDVGSVT0 P 沟道沟道 MOSFET 的特性与的特性与 N 沟道沟道 MOSFET 相对称，即：相对称，即： (1) 衬底为衬底为 N 型，源漏区为型，源漏区为 P+ 型。型。 (2) VGS 、VDS 的极性以及的极性以及 ID 的方向均与的方向均与 N 沟相反。沟相反。

8、 (3) 沟道中的可动载流子为空穴。沟道中的可动载流子为空穴。 (4) VT 0 时称为耗尽型时称为耗尽型（常开型）。（常开型）。 当当 VDS 很小时，沟道就象一个阻值与很小时，沟道就象一个阻值与 VDS 无关的无关的 ，这时这时 ID 与与 VDS 成线性关系，如图中的成线性关系，如图中的 OA 段所示。段所示。 VGS VT 且恒定时的且恒定时的 VDS ID 曲线。可分为曲线。可分为以下以下 4 段段 随着随着 VDS 增大，漏附近的沟道变薄，沟道电阻增大，曲线增大，漏附近的沟道变薄，沟道电阻增大，曲线逐渐下弯。当逐渐下弯。当 VDS 增大到增大到 时，漏端处的时，漏端处的可动电子消失

9、，这称为沟道被可动电子消失，这称为沟道被 ，如图中的，如图中的 AB 段所示。段所示。 线性区与过渡区统称为线性区与过渡区统称为 ，有时也统称为，有时也统称为 。 当当 VDS VDsat 后，沟道夹断点左移，漏附近只剩下耗尽区。后，沟道夹断点左移，漏附近只剩下耗尽区。这时这时 ID 几乎与几乎与 VDS 无关而保持常数无关而保持常数 ，曲线为水平直线，如，曲线为水平直线，如图中的图中的 BC 段所示。段所示。 实际上实际上 ID 随随 VDS 的增大而略有增大，曲线略向上翘。的增大而略有增大，曲线略向上翘。 当当 VDS 继续增大到继续增大到 时，漏结发生雪崩击穿，或者漏源时，漏结发生雪崩击穿，或者漏源间发生穿通，间发生穿通，ID 急剧增大，如图中的急剧增大，如图中的 CD 段