半导体器件物理课件七

1、MOS场效应晶体管,.1 MOSFET的结构、工作原理和输出特性 .2 MOSFET的阈值电压 .3 MOSFET的直流电流电压特性 .4 MOS电容及MOS场效应晶体管瞬态电路模型 .5 MOS场效应管的交流小信号参数和频率特性 .6 MOS场效应晶体管的开关特性 .7 MOS场效应晶体管的二级效应, MOSFET的结构、种类和特点 MOSFET的直流特性和阈值电压调整 MOSFET的交流响应,双极型晶体管和场效应晶体管的区别,双极型晶体管：由一个PN结注入非平衡少数载流子，并由另一个PN结收集而工作的。在这类晶体管中，参加导电的不仅有少数载流子，也有多数载流子，故称为双极型晶体管。,场效应

2、晶体管（FET）：利用改变垂直于导电沟道的电场强度来控制沟道的导电能力而工作的。在场效应晶体管中，工作电流是由半导体中的多数载流子所输运的，因此也称为单极型晶体管。,.1 MOSFET的结构和分类,漏源区，栅氧化层，金属栅电极等组成,用N型半导体材料做衬底 用P型半导体材料做衬底,由N型衬底制成的管子，其漏源区是P型的，称为P沟MOS场效应管； 由P型材料制成的管子，其漏源区是N型的，称为N沟MOS场效应管。,N沟和P沟MOS管,在工作时，源与漏之间接电源电压。通常源极接地，漏极接负电源。在栅极和源之间加一个负电压，它将使MOS结构中半导体表面形成负电的表面势，从而使由于硅二氧化硅界面正电荷引

3、起的半导体能带下弯的程度减小。当栅极负电压加到一定大小时，表面能带会变成向上弯曲，半导体表面耗尽并逐步变成反型。当栅极电压达到VT时，半导体表面发生强反型，这时P型沟道就形成了。空穴能在漏源电压VDS的作用下，在沟道中输运。VT称为场效应管的开启电压。显然，P沟MOS管的VT是负值。由前面的讨论可知，形成沟道的条件为,表面强反型即沟道形成时，在表面处空穴的浓度与体内电子的浓度相等。开启电压是表征MOS场效应管性能的一个重要参数，以后内容中还将做详细介绍。 另外，还可以指出，当栅极电压变化时，沟道的导电能力会发生变化，从而引起通过漏和源之间电流的变化，在负载电阻RL上产生电压变化，这样就可以实现

4、电压放大作用。,场效应晶体管的分类,第一类：表面场效应管，通常采取绝缘栅的形式，称为绝缘栅场效应管（IGFET）。若用二氧化硅作为半导体衬底与金属栅之间的绝缘层，即构成“金属氧化物半导体”（MOS）场效应晶体管，它是绝缘栅场效应管中最重要的一种； 第二类：结型场效应管（JFET），它就是用P-N结势垒电场来控制导电能力的一种体内场效应晶体管； 第三类：薄膜场效应晶体管（TFT），它的结构与原理和绝缘栅场效应晶体管相似，其差别是所用的材料及工艺不同，TFT采用真空蒸发工艺先后将半导体-绝缘体-金属蒸发在绝缘衬底上而构成。,MOSFET相比双极型晶体管的优点,（1）输入阻抗高：双极型晶体管输入阻抗

5、约为几千欧，而场效应晶体管的输入阻抗可以达到1091015欧； （2）噪声系数小：因为MOSFET是依靠多数载流子输运电流的，所以不存在双极型晶体管中的散粒噪声和配分噪声； （3）功耗小：可用于制造高集成密度的半导体集成电路； （4）温度稳定性好：因为它是多子器件，其电学参数不易随温度而变化。 （5）抗辐射能力强：双极型晶体管受辐射后下降，这是由于非平衡少子寿命降低，而场效应晶体管的特性与载流子寿命关系不大，因此抗辐射性能较好。,MOSFET相比双极型晶体管的缺点,工艺洁净要求较高； 场效应管的速度比双极型晶体管的速度来得低。,MOSFET的四种类型,P沟耗尽型：栅压为零时，沟道已存在，加上一

6、个正的栅压可以使P型沟道消失。,P沟增强型：栅压为零时，沟道不存在，加上一个负的栅压才能形成P型沟道。,N沟增强型：栅压为零时，沟道不存在，加上一个正的栅压才能形成N型沟道。,N沟耗尽型：栅压为零时，沟道已存在，加上一个负的栅压才能使N型沟道消失。,如果在同一N型衬底上同时制造P沟MOS管和N沟MOS管，（N沟MOS管制作在P阱内），这就构成CMOS 。,MOSFET的特征,1双边对称 在电学性质上源和漏是可以相互交换的。与双极型晶体管相比，显然有很大不同，对于双极型晶体管，如果交换发射极与集电极，晶体管的增益将明显下降。 2单极性 在MOS晶体管中参与导电的只是一种类型的载流子，这与双极型晶

7、体管相比也显著不同。在双极型晶体管中，显然一种类型的载流子在导电中起着主要作用，但与此同时，另一种载流子在导电中也起着重要作用。,3高输入阻抗 由于栅氧化层的影响，在栅和其他端点之间不存在直流通道，因此输入阻抗非常高，而且主要是电容性的。通常，MOSFET的直流输入阻抗可以大于1014欧。 4电压控制 MOSFET是一种电压控制器件。而且是一种输入功率非常低的器件。一个MOS晶体管可以驱动许多与它相似的MOS晶体管；也就是说，它有较高的扇出能力。 5自隔离 由MOS晶体管构成的集成电路可以达到很高的集成密度，因为MOS晶体管之间能自动隔离。一个MOS晶体管的漏，由于背靠背二极管的作用，自然地与

8、其他晶体管的漏或源隔离。这样就省掉了双极型工艺中的既深又宽的隔离扩散。,4.2 MOSFET的域值电压,4.2.5 阈值电压VT的控制和调整,在MOS集成电路的制造中，控制好阈值电压VT的值是很重要的。例如，要制造N沟道增强型MOS管，它的VT应为正值，并要求达到一定的值。 由于Qss及MS的影响，如果控制不当，VT可能出现负值，变成耗尽型了。通常要求衬底受主杂质浓度大于1015cm-3。如果由于太大，或硼的分凝作用使受主杂质浓度不能达到产生正的VT值的要求，MOS管将变“耗”。为了避免使N沟道增强型MOS管变“耗”，必须控制氧化层中正电荷密度Qss不能太大，或采用衬底反偏电压来提高VT值（背

9、偏置效应），后者利用电学调整方法将增加麻烦。,为了调整阈值电压，在半导体近表面处注入精确控制的相对较少的硼或磷离子，硼注入会导致阈值电压正漂移，磷注入会导致阈值电压负漂移，其作用类同于引入了附加的固定电荷，从而改变VT。 N沟道增强型MOS管中注入硼，更是为得到VT值处于所需的正值的一种常用方法。 也可以通过改变氧化层厚度来控制VT，随着氧化层厚度的增加， N沟道MOS FET的阈值电压变得更大些，而P沟道MOS FET的阈值电压将变得更小些。相当厚的场氧化层被用来制造集成电路中，防止由于氧化层上布线而造成下面形成导电沟道的一种隔离方法。 选择适当的栅极材料来调整功函数差是另一种控制VT的方法

10、，前面提到用多晶硅之外，一些如钨（W）,氮化钛(TiN)等材料被推荐采用。,调整和控制阈值电压的方法,【例4-2】如例题4-1中，问需要多少的硼离子剂量，就能使VT增加至0.6伏？假设注入的受主在氧化层-硅界面形成一薄电荷层。 解：由4-1例题得： VT0.04 V 硼离子造成平带电压漂移类同于固定电荷，其量为qFB/Cox，因此 0.60.04qFB/6.910-7 FB (0.646.910-7)/1.610-19 2.761012 cm-2,4.3 MOSFET的直流电流-电压特性,两边积分,线性工作区的伏安特性,以N沟道增强型为例：设沟道长度为L，宽度为W，厚度为d，厚度从源到漏略有变

11、化。则线性工作区的直流特性方程可表示为,增益因子,当VDS很小时，IDS与VDS成线性关系。VDS稍大时，IDS上升变慢，特性曲线弯曲，如图所示。,饱和工作区的伏安特性,当漏-源电压增加到使漏端的沟道夹断时，IDS将趋于不变。其作用像一个电流源，管子将进入饱和工作区。使管子进入饱和工作区所加的漏-源电压为VDsat，它由下式决定：,将上式代入式（4-54），可得到饱和工作区的漏-源电流（漏-源饱和电流）,严格来讲，饱和工作区的电流不是一成不变的。因为这时实际的有效沟道长度减小了。当VDS增大时，由于沟道长度减小，IDSS将随之增加。,漏源饱和电流随沟道长度的减小而增大的效应称为沟道长度调变效应

12、。 这个效应会使MOS管的输出特性明显发生倾斜，导致它的输出阻抗降低。,沟道长度调变效应,击穿区,当漏源电压VDS继续增大时，会出现漏源电流突然增大的情况，这时器件进入击穿区。漏源击穿电压BVDS可由两种不同的击穿机理决定：漏区与衬底之间P-N结的雪崩击穿；漏和源之间的穿通。,漏结雪崩击穿,漏源穿通,在正常工作时，漏结处于反向偏置状态，当反偏电压达到其雪崩击穿电压时会产生击穿，且击穿电压随VGS的增大而增大。,漏极电压VDS增大时，漏结耗尽区增大，使沟道有效长度缩短。当沟道表面漏结耗尽区的宽度LS扩展到等于沟道长度L时，漏结耗尽区增大到源极，就发生漏源之间的直接穿通。,最大栅源耐压 BUGS,

13、最大栅源耐压 BUGS 就是栅栅之间能够承受的最高电压，它是由栅极下面 SiO2 层的击穿电压决定的。,结构完整的发生击穿所需的临界电场强度为EOX(max) =8106 V/cm,4.4.1 理想MOS结构的电容电压特性,4.4 MOS电容及MOS场效应晶体管瞬态电路模型,电容与测量频率有关，就是与交变信号电压的频率有关。 在出现反型层以后，特别是在接近强反型时，表面电荷由两部分所组成：一部分是反型层中的电子电荷 ，它是由少子的增加引起的。另一部分是耗尽层中的电离受主电荷 ，它是由于多子空穴的丧失引起的。,出现反型层以后的电容C与测量频率的关系,表面电容 为 考虑 是怎样积累起来的。例如，当

14、MOS上的电压增加时，反型层中的电子数目要增多。P型衬底中的电子是少子，由衬底流到表面的电子非常少，因此，反型层中电子数目的增多，主要依靠耗尽层中电子空穴对的产生。在反型层中实现电子的积累是需要一个过程的。这个过程的弛豫时间由非平衡载流子的寿命所决定，一般比较长。同样，当MOS上的电压减小时，反型层中的电子要减少。电子数目的减少主要依靠电子和空穴在耗尽层中的复合来实现。 如果测量电容的信号频率比较高，耗尽层中电子空穴对的产生和复合过程跟不上信号的变化，那么，反型层中的电子电荷 也就来不及改变。于是，,这样在高频情况下， 随着直流偏压 的增加， 增大，电容C减小。当表面形成了强反型层时，强反型层

15、中的电子电荷随直流偏压的增加而e指数地增加，对直流偏置电场起屏蔽作用。于是，耗尽层宽度不再改变，达到极大值 。这时，MOS系统的电容C要达到极小值 。 在接近强反型区，如果测量电容的信号频率比较低，耗尽层中电子空穴对的产生与复合过程能够跟得上信号的变化，这时，反型层中的电子电荷的变化，屏蔽了信号电场 ， 对表面电容的贡献是主要的，而耗尽层的宽度和电荷基本上不变，因此,在这种情况下，表面电容由反型层中电子电荷的变化所决定 在形成强反型以后， 随 变化很快， 的数值很大。于是，MOS 系统的电容C趋近 ，即 随着 的增加，C经过一个极小值，而后迅速增大，最后趋近于 。 以上说明了MOS系统的C-V

16、关系随测量频率变化的原因。,4.4.2 MOSFET的瞬态电路模型的建立,2、模型参数,（）电流参数,（2）势垒电容,（3）栅沟电容参数,4.5 MOSFET的交流小信号参数和频率特性,跨导gm,表征在漏源电压VDS不变的情况下，漏电流IDS随着栅电压VGS变化而变化的程度，反映了外加VGS控制IDS的能力。 单位：电导（1/），常用西门子（S）表示。,跨导标志了MOSFET的电压放大本领， 因为电压增益可表示为：,由上式可知，相同负载的情况下， 跨导越大，电压增益越大。,饱和工作区,线性工作区,在不考虑沟道长度调制效应的情况下，跨导与VDS无关。,提高跨导的方法,（1）通过改进管子的结构来提

17、高增益因子：增大沟道的宽长比；减薄氧化层厚度从而增大单位面积二氧化硅的电容；减小沟道载流子的浓度以提高沟道内载流子的迁移率。 （2）当晶体管工作在饱和区时，还可以通过适当增加VGS来提高跨导。,图6-20 MOS晶体管的小讯号等效电路。,MOSFET的等效电路,截止频率 定义为输出电流和输入电流之比为1时的频率，即当器件输出短路时，器件不能够放大输入信号时的频率。,（6-82）,为了提高工作频率或工作速度，沟道长度要短，载流子迁移率要高。,MOSFET最高工作频率,对于MOSFET，同双极型晶体管一样，可以引进最高振荡频率来说明管子的优值。 MOS管的最高工作频率为功率增益等于时的频率。,当栅

18、源之间输入交流信号之后，从栅极增加流进沟道的载流子分成两部分，其中一部分对栅沟道电容充电，另一部分径直通过沟道流进漏极，形成漏源输出电流。,代入,4.6 MOSFET的开关特性,在MOS数字集成电路中，MOSFET主要工作在两个状态，即导通态和截止态。MOS数字集成电路的特性就由MOS管在这两个状态的特性以及这两个状态相互转换的特性所决定，这就是所谓的晶体管的开关特性。,倒相器也称为反相器，由反相管（倒相管）和负载两部分组成, 通常用N沟增强管作反相管。负载通常分有源器件和无源器件两种。无源负载即电阻负载，组成电阻负载反相器（E/R反相器）；有源负载又可分为多种不同的MOSFET，常见有E/E反相器（用N沟增强管作负载）、CMOS反相器（用P沟增强管作负载）和E/D反相器（用N沟耗尽管作负载）等。,CMOS倒相器,负载管为P沟道增强管，其开启电压小于零。 两个管子的源与各自的衬底短接后倒相管共接地，负载管共接正向VDD。 两个栅极相并联作为输入端。 两个漏极连在一起作为输出端。 两个衬底之间因反偏而自动