半导体器件与物理课件八

1、第8章，金属氧化物半导体场效应晶体管的基本特性，8.1金属氧化物半导体场效应晶体管结构和分类8.2金属氧化物半导体场效应晶体管特性曲线8.3金属氧化物半导体场效应晶体管阈值电压8.4金属氧化物半导体场效应晶体管伏安特性8.5金属氧化物半导体场效应晶体管频率特性8.6金属氧化物半导体场效应晶体管开关特性8.7控制和调整阈值电压8.8练习，金属氧化物半导体场效应晶体管的结构、类型和特性DC特性和阈值电压调整金属氧化物半导体场效应晶体管的交流响应，以及双极晶体管和场效应晶体管的区别。双极晶体管：它的工作原理是将不平衡的少数载流子注入一个pn结，然后由另一个pn结收集它们。在这种晶体管中，不仅有少数载

2、流子，也有多数载流子，所以它被称为双极晶体管。场效应晶体管：它通过改变垂直于导电沟道的电场强度来控制沟道的导电性。在场效应晶体管中，工作电流由半导体中的多数载流子传输，因此也称为单极晶体管。场效应晶体管的分类，第一类：表面场效应晶体管，通常以绝缘栅的形式出现，称为绝缘栅场效应晶体管(IGFET)。如果二氧化硅被用作半导体衬底和金属栅极之间的绝缘层，它将形成“金属氧化物半导体”场效应晶体管，这是最重要的一种绝缘栅极场效应晶体管。第二类：结型场效应晶体管(JFET)，是一种体内场效应晶体管，利用pn结势垒电场来控制电导率；第三类：薄膜场效应晶体管，其结构和原理与绝缘栅场效应晶体管相似，但不同之处在

3、于所用的材料和工艺不同。薄膜晶体管是通过真空蒸发工艺在绝缘衬底上蒸发半导体-绝缘体-金属而形成的。与双极晶体管相比，场效应晶体管的优点是：(1)高输入阻抗：双极晶体管的输入阻抗约为几千欧姆，而场效应晶体管的输入阻抗可达109 1015欧姆；(2)噪声系数小：由于场效应晶体管依靠多数载流子传输电流，因此双极晶体管中没有散粒噪声和分区噪声；(3)低功耗：可用于制造高集成度的半导体集成电路；(4)温度稳定性好：由于是多子器件，其电气参数不易随温度变化。(5)强辐射电阻：双极晶体管的值在辐射后降低，这是由于非平衡少数载流子寿命的降低，而场效应晶体管的特性与载流子寿命关系不大，因此辐射电阻较好。与双极晶

4、体管相比，金属氧化物半导体场效应晶体管对工艺清洁度有更高的要求。场效应晶体管的速度低于双极晶体管。8.1、MOSFET结构和分类、漏源极区、栅氧化层、金属栅电极等。以N型半导体材料为衬底，以P型半导体材料为衬底，由N型衬底制成的管，其漏极-源极区为P型，称为P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管；由p型材料制成的管，其漏极-源极区为n型，称为n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管。P沟道MOS晶体管的工作原理，工作时，电源电压连接在源极和漏极之间。通常，源极接地，漏极连接到负电源。在栅极和源极之间施加负电压，这将在金属氧化物半导体结构中的半导体表面上形成负表面电势，从而降低由硅和二氧化硅之间的界面处的

5、正电荷引起的半导体能带弯曲的程度。当栅极的负电压增加到一定尺寸时，表面能带将向上弯曲，半导体表面将耗尽并逐渐变得反相。当栅极电压达到阈值电压时，在半导体表面上发生强反转，然后形成P型沟道。在漏源电压VDS的作用下，空穴可以在沟道中传输。电压转换被称为场效应晶体管的导通电压。显然，p沟道金属氧化物半导体晶体管的阈值电压为负。从前面的讨论可以知道，沟道形成的条件是：当沟道形成时，表面的空穴浓度等于体内的电子浓度。导通电压是表征金属氧化物半导体场效应晶体管性能的一个重要参数，稍后将详细介绍。此外，可以指出，当P沟道耗尽型：当栅极电压为零时，沟道已经存在，正栅极电压可以使P沟道消失。P沟道增强：当栅极

6、电压为零时，沟道不存在，负栅极电压可以形成P沟道。N沟道增强模式：当栅极电压为零时，沟道不存在，通过增加正栅极电压可以形成N型沟道。N沟道耗尽型：当栅极电压为零时，沟道已经存在，负栅极电压可以使N沟道消失。如果同时在同一个N型衬底上制作P沟道MOS管和N沟道MOS管(N沟道MOS管制作在P阱中)，则构成CMOS。实践，P127 17，18 P142 1，3，4，4的特性，金属氧化物半导体场效应晶体管1。双向对称源极和漏极可以电交换。与双极晶体管相比，它明显不同。对于双极晶体管，如果发射极和集电极互换，晶体管的增益将明显下降。2.在金属氧化物半导体晶体管中，只有一种载流子参与导电，这与双极晶体管

7、有很大不同。在双极晶体管中，很明显，一种类型的载流子在传导中起主要作用，但同时，另一种类型的载流子也在传导中起重要作用。高输入阻抗由于栅极氧化层的影响，栅极和其他端子之间没有DC沟道，因此输入阻抗非常高，主要是电容性的。通常，场效应晶体管的DC输入阻抗可以大于1014欧姆。4.电压控制场效应晶体管是一种电压控制器件。这是一个输入功率非常低的设备。一个金属氧化物半导体晶体管可以驱动许多类似的金属氧化物半导体晶体管。换句话说，它有更高的扇出能力。5.由金属氧化物半导体晶体管组成的自隔离集成电路可以实现高集成密度，因为金属氧化物半导体晶体管可以自动隔离。由于背对背二极管，一个金属氧化物半导体晶体管的

8、漏极自然地与其它晶体管的漏极或源极隔离。这样，双极工艺中的深宽隔离扩散被省略。8.2 MOSFET特性曲线，对于MOSFET，可以引入输出特性曲线和传输特性曲线来描述其电流-电压关系。输出特性曲线，即流过金属氧化物半导体场效应晶体管的漏源电流IDS与漏源之间施加的电压VDS之间的关系曲线。此时，施加到电网的电压被用作参数。以n沟道增强型场效应晶体管为例进行了讨论。(公共源极连接)，源极接地并用作输入和输出的公共端子，衬底材料也接地。输入施加在栅极G和源极S之间，输出是漏极D和源极S.对于N通道增强型管，VDS是正电压，VGS也是正电压。当VGS大于导通电压时，形成N沟道，电流通过N沟道在漏极和

9、源极之间流动。它可以定性地分为三个工作区进行讨论。可调电阻区/线性工作区/三极管工作区，当漏极-源极电压VDS小于栅极电压时，在源极和漏极之间有一个连续的N型沟道。这个通道的长度l和宽度w不变。沟道的厚度从源端到漏端略有不同。这是因为VDS使得沟道中每个点的电势不同，源极(VGS-V沟道)附近的电势比漏极附近的电势大，并且表面电场较大，沟道较厚。然而，通常，沟道的厚度比氧化物层的厚度小得多。可以看出，此时沟道区表现出电阻特性，电流IDS基本上与VDS成线性关系。此外，VGS越大，沟道电阻越小，因此称为可调电阻区。当可调电阻区域的范围为VDSVGS-VT时，沟道收缩点从漏极端移动到左源极端。这样

10、，沟道长度稍微缩短，收缩点处的电压仍然是VGS-VT，并且增加的电压VDS-(VGS-VT)落在收缩区，如图8-11中的AB部分所示。显然，夹断区是一个耗尽区。因为沟道的长度通常变化不大，所以漏极-源极电流基本上达到饱和值IDSS。如果VDS再次增加，只会增加夹断面积。增加的电压在耗尽区下降，漏极-源极电流仍然基本上保持IDSS值，所以这个区域称为饱和，沟道长度调制效应，两个N区(源极-漏极)之间形成的沟道长度L远大于夹断区(长沟道)的截面AB的长度，其饱和漏极-源极电流基本不变。图8-10中的水平直线。然而，当沟道长度l不满足大于夹断区(短沟道)的AB段长度的要求时，夹断区对沟道长度缩短的影

11、响以及因此电流不能被忽略。可以看出，在饱和工作区，随着VDS的增加，入侵检测系统将会增加，这就是信道长度调制效应。它相当于双极晶体管中的基极宽度调制效应。雪崩击穿区域当VDS超过漏极和衬底之间的pn结的击穿电压时，不需要在漏极和源极之间通过沟道形成电流，但是过量的电流通过衬底从漏极直接流到源极，并且IDS迅速增加。这导致输出特性曲线中第三区域的雪崩击穿区域，如图8-12(a)所示。N沟道耗尽型场效应晶体管、P沟道增强型场效应晶体管和P沟道耗尽型场效应晶体管的输出特性曲线可以用类似的方法讨论，如图8-12(b)(d)所示。MOSFET是一种电压控制器件，它使用施加在栅极和源极之间的电压来控制输出

12、电流，这不同于双极晶体管使用基极电流来控制集电极电流。当MOS晶体管工作在饱和区时，工作电流为IDSS。不同的VGS会导致不同的IDSS。我们称IDSS和VGS之间的关系曲线为传递特性曲线。对于N沟道增强型MOS管VT0和VGS0，其传输特性曲线如图8-13(a)所示。N沟道耗尽型场效应晶体管、P沟道增强型场效应晶体管和P沟道耗尽型场效应晶体管的传输特性曲线可以用类似的方法得到，分别如图8-13(b)(d)所示。8.3场效应晶体管的阈值电压，n沟道增强型场效应晶体管的导通电压VT，对于增强型晶体管，当VT明显小于零时，n沟道耗尽型场效应晶体管的VT0，公式(8-1)，夹断电压Vp，(8-1)也

13、适用于n沟道耗尽型晶体管。这表明当栅极电压为零时，即没有施加电压时，表面沟道已经存在。因此，此时的导通电压实际上是夹断电压，通常表示为Vp。对于n沟道耗尽型MOSFET，当栅极电压Vgs=-| VP |时，Vp0可以导通。当栅极电压为负时，沟道关闭。p沟道增强型金属氧化物半导体场效应晶体管的导通电压VT，以及明显的p沟道增强型金属氧化物半导体场效应晶体管的VT0。也就是说，当栅极电压为零时，p型沟道已经形成。此时的导通电压实质上是夹断电压Vp。当施加到栅极的正电压大于Vp时，所有通道都被切断。公式(8-1)和(8-2)仅适用于长沟道场效应晶体管。当沟道长度较短时，必须考虑短沟道效应，并且管的阈

14、值电压VT将随着沟道长度L的减小而减小。这个问题将在后面讨论。为了方便起见，对8.4 MOSFET的伏安特性作如下假设：(1)漏极区和源极区的压降可以忽略；(2)在沟道区没有复合产生的电流；(3)沿沟道的扩散电流比电场产生的漂移电流小得多；(4)信道中载流子的迁移率是恒定的；(5)沟道和衬底之间的反向饱和电流为零；(6)渐变沟道大致保持，即，垂直于沟道方向穿过氧化物层的电场分量与沟道中沿着载流子移动方向的电场分量无关。以N沟道增强模式为例：沟道长度为L，宽度为W，厚度为D，厚度从源极到漏极略有变化。然后线性工作区域的DC特征方程可以表示为增益因子。当VDS很小的时候，入侵检测系统与VDS有线性

15、关系。如图所示，当VDS稍大时，IDS上升缓慢，特征曲线弯曲。式(8-3)，饱和工作区的伏安特性，当漏源电压增加到夹断漏极端的沟道时，IDS将趋于恒定。它就像一个电流源，而且漏源饱和电流随着沟道长度的减小而增大的效应称为沟道长度调制效应。这种效应会明显倾斜金属氧化物半导体晶体管的输出特性，导致其输出阻抗降低。沟道长度调制效应，击穿区域，当漏极-源极电压VDS继续增加时，漏极-源极电流突然增加，然后器件进入击穿区域。漏源击穿电压BVDS可以由两种不同的击穿机制决定：漏区和衬底之间的pn结的雪崩击穿；在漏极和源极之间打孔。漏极结雪崩击穿，漏极-源极穿通，在正常操作中，漏极结处于反向偏置状态，并且当

16、反向偏置电压达到其雪崩击穿电压时将发生击穿，并且击穿电压随着VGS的增加而增加。当漏极电压VDS增加时，漏极结耗尽区增加，有效沟道长度减小。当沟道表面上的漏极结耗尽区的宽度LS扩展到等于沟道长度l时，漏极结耗尽区增加到源极，并且发生漏极和源极之间的直接穿通。8.5 MOSFET。如果金属氧化物半导体场效应晶体管的衬底和源极短路，可以通过合理的简化得到金属氧化物半导体晶体管的等效电路图。跨导gm表示在漏源电压VDS不变的情况下漏电流IDS随栅极电压VGS的变化而变化的程度，反映了外部VGS控制IDS的能力。单位：电导(1/)，通常用西门子表示。跨导标志着场效应晶体管的电压放大能力，因为电压增益可

17、以表示为：从以上公式可以看出，在相同负载下，跨导越大，电压增益越大。饱和区，线性区，跨导与VDS成正比，不考虑沟道长度调制效应，跨导与VDS无关。(1)通过改进管的结构来提高增益系数：增加通道的宽长比；减小氧化层厚度，增加单位面积二氧化硅的电容；降低沟道载流子的浓度，以提高沟道中载流子的迁移率。(2)当晶体管工作在饱和区时，可以通过适当增加VGS来提高跨导。MOSFET的最高振荡频率，对于MOSFET来说，就像双极晶体管一样，最高振荡频率可以用来解释管子的优越值。N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，减小沟道长度可以有效提高最高振荡频率，8.6金属氧化物半导体场效应晶体管的开关特性，在金属氧化物半导体数字集成电路中，金属氧化物半导体场效应晶体管主要工作在两种状态，即导通状态和关断状态。金属氧化物半导体数字集成电路的特性是由这两种状态下的金属氧化物半导体晶体管的特性和这两种状态之间的相互转换特性决定的，这种特性称为晶体管的开关特性。逆变器，也称为逆变器，由一个逆变器管和一个负载组成。n型加强管通常用作翻转管，负载可以变化。负载通常分为主动设备和被动设备。无源负载，即电阻负载，构成电阻负载逆变器(E/R逆变器)；有源负载可以分为许多不同的金属氧化物半导体场效应晶体管，如E/E反相器(以n沟道增强管为负载)、CMOS反相器(以p沟道增强管为负载)和E/