微电子器件(5-1)

1、第5章 绝缘栅场效应晶体管,场效应晶体管（Field Effect Transistor，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，适宜于制作 VLSI 。,结型栅场效应晶体管（ J FET ）,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,JFET 和 MESFET 的工作原理相同。以 JFET 为例

2、，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。,MOSFET( 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。,J - FET 的基本结构,源、漏,MESFET 的基本结构,MOSFET 的基本

3、结构,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 MOSFET 基础,5.1.1 MOSFET 的结构,P 型衬底,以 N 沟道 MOSFET 为例，,5.1.2 MOSFET 的工作原理,当 VGS VT 时，栅下的 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

4、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。,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,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

5、可动载流子为空穴。 (4) VT 0 时称为耗尽型（常开型）。,5.1.3 MOSFET 的类型, 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。,输出特性曲线：VGS VT 且恒定时的 VDS ID 曲线。可分为以下 4 段,5.1.4 MOSFET 的输出特性, 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。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 AB 段所示。 线性区与过渡区统称为非饱和区，有时也统称为线性区。, 饱和区 当 VDS VD sat 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 ID sat ，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。, 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。,将各曲线的夹断点用虚线连接起来，虚线左侧为非饱