1、蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,引 言,晶體管按工作原理分類:,第六章 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管,1.雙極型晶體管 2.場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Field effect transistor: FET),*20世紀(jì)三十年代:利林費(fèi)爾德-場(chǎng)效應(yīng)思想. *1962年前后:Si平面工藝和外延技術(shù)發(fā)展;表面態(tài)密度大大降低.,FET按結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)來劃分 1. 結(jié)型柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET) 2.肖特基勢(shì)壘柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET) 3.絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(IGFET),與雙極型晶體管相比, FET的優(yōu)點(diǎn): 1. 輸入阻抗高; 2.噪聲系數(shù)小; 3.功耗小; 4.溫度穩(wěn)定性好; 5.抗輻射能力強(qiáng),蘇州科技學(xué)院電子與信息

2、學(xué)院,第六章 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管,結(jié)構(gòu)和分類,1) 結(jié)構(gòu),第一節(jié) MOSFET的基本特性,2) 工作原理,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,3) 輸出特性,(1)OA段: 線性區(qū),VGS決定溝道電阻,* 集成電路中的都是橫向MOSFET,即溝道電流是水平方向流動(dòng);分立器件中有的溝道電流是垂直方向流動(dòng)的,稱為縱向MOSFET.,(2)AB段: 過渡區(qū),溝道壓降影響溝道電阻,(3)BC段: 飽和區(qū),VDSVDsat,之后溝道有效長(zhǎng)度隨VDS增大而縮短,稱為有效溝道長(zhǎng)度調(diào)變效應(yīng).,(4)CD段: 擊穿區(qū),VDSBVDS,非飽和區(qū),蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,又稱開啟電壓,是使柵下的襯底表面開始發(fā)生強(qiáng)反型時(shí)

3、的柵極電壓,記為VT。,MOSFET的閾值電壓,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,金半功函數(shù)差為零; 柵氧化層內(nèi)有效電荷面密度為零; 柵氧化層與半導(dǎo)體界面處不存在界面態(tài)。,(2)理想MOS結(jié)構(gòu),蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,（3）實(shí)際MOS結(jié)構(gòu),通常有 ,類同VG0,使半導(dǎo)體一側(cè)帶負(fù)電荷,能帶在表面向下彎曲,數(shù)量為:,定義:從表面到體內(nèi)平衡處的電勢(shì)差,為表面勢(shì) ,即,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,2) MOSFET的閾電壓,（1）有效柵極電壓為 （2） （3）強(qiáng)反型時(shí)表面勢(shì) ，增為 （4）強(qiáng)反型時(shí)溝道下耗盡區(qū)厚度,則耗盡區(qū)中電離受主電荷面密度,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,3）影響VT 的幾個(gè)因素,（1）

4、柵電容 （2）襯底費(fèi)米勢(shì) （3）金半功函數(shù)差,令 稱為P型襯底體因子,一般器件摻雜范圍內(nèi),摻雜影響最大的是QA,故可以通過摻雜對(duì)QA的影響來改變VT.,P增MOSFET易制作,是因柵氧化層中的正電荷, 使n型表面在柵極電壓為零時(shí)總不能變成p型導(dǎo)電溝道.,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,襯底偏置效應(yīng)(體效應(yīng)):襯底與源極之間外加襯底偏壓VBS后,MOSFET的特性將發(fā)生變化.,（6）襯底偏置電壓的影響,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,MOSFET的伏安特性,假設(shè)：溝道內(nèi)壓降忽略不計(jì) 擴(kuò)散電流忽略不計(jì) 溝道內(nèi)c 緩變溝道近似 強(qiáng)反型近似 柵氧化層內(nèi)有效電荷面密度為常數(shù),蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,（2）溝

5、道電子電荷面密度Qn與漏電流,襯底表面強(qiáng)反型后,溝道電子的屏蔽使VG增加部分幾乎全落在柵氧化層上,半導(dǎo)體中能帶彎曲程度不再增大,表面勢(shì)和耗盡區(qū)寬都不再變化.,-MOSFET增益因子,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,對(duì)于pMOSFET:,飽和漏極電壓,飽和漏極電流,2）飽和區(qū),ID近似不變,但略有增加。,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,（1）有效溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)：VDSVDsat,溝道有效長(zhǎng)度隨VDS增大而縮短的現(xiàn)象。,VDS=VDsat時(shí), V(L)=VDsat,夾斷點(diǎn)電勢(shì)VDsat,溝道壓降也是VDsat夾斷點(diǎn)處柵溝電壓為VGS-VDsat=VT。,VDSVDsat時(shí), 溝道中各點(diǎn)電勢(shì)均上升,V(y

6、)=VDsat位置左移,夾斷點(diǎn)左移,有效溝道壓降不變VDsat=VGS-VT,夾斷點(diǎn)處柵溝電壓為VGS-VDsat=VT。,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,襯底低摻雜時(shí)，漏襯耗盡層隨VDS增大而展寬很快，寬度可與溝道長(zhǎng)相比擬，這時(shí)，起始于漏區(qū)的電力線不再全部終止于擴(kuò)展到襯底中的耗盡層空間電荷上，即有一大部分穿過耗盡區(qū)終止于溝道區(qū)的可動(dòng)電荷上，靜電耦合。,（2）漏區(qū)靜電場(chǎng)對(duì)溝道區(qū)的反饋?zhàn)饔?襯底中等摻雜以上時(shí)，漏電流不飽和的主要原因是有效溝道調(diào)制效應(yīng)。襯底低摻雜時(shí)，以漏區(qū)溝道耦合作用為主。,漏-溝間存在耦合電容,使單位面積溝道區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的平均電荷密度的增量為:,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,亞閾漏電流、

7、次開啟電流IDsub：表面處于弱反型狀態(tài)，表面電子濃度介于本征載流子濃度ni和襯底平衡多子濃度nA 之間，有VDS時(shí)有很小的ID。,此時(shí)IDsub主要由溝道擴(kuò)散電流引起，忽略漂移電流。,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)襯底電阻率較大時(shí),漏結(jié)擊穿電壓不再與襯底材料摻雜濃度有關(guān),而主要由柵極電壓的極性、大小和柵氧化層的厚度所決定。,亞閾區(qū)柵源電壓擺幅S: 表征亞閾區(qū)中VGS對(duì)IDsub的控制能力.,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,之二-漏源穿通擊穿電壓（VPT）,L 較短， 較高時(shí)，漏襯間尚未雪崩擊穿，但漏 pn 結(jié)耗盡區(qū)已擴(kuò)展到與源區(qū)相連，稱漏源擊穿（VPT），VDS繼續(xù) ，源 pn結(jié)正偏，

8、大量電子進(jìn)入溝道，被強(qiáng)電場(chǎng)掃入漏區(qū)，形成較大的 ID。,一維狀態(tài)：,類同雙極型管基區(qū)穿通，但那里NBNC，不易基區(qū)穿通，這里反之。,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,MOSFET直流參數(shù)與溫度特性,1）閾值電壓VT,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,2）飽和漏極電流IDSS,對(duì)于耗盡型MOSFET，VGS=0（導(dǎo)通），VDS足夠大時(shí)的漏電流飽和值稱為飽和漏極電流 IDSS。,N-MOSFET在非飽和區(qū):,0,-(VGS-VT) (1)較小時(shí),有正的溫度系數(shù);(2)較大時(shí)有負(fù)的溫度系數(shù);(3)適當(dāng)?shù)墓ぷ鳁l件使溫度系數(shù)為零.,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,3）通導(dǎo)電阻Ron,當(dāng)MOSFET工作在非飽和區(qū)且VDS

9、很小時(shí)，輸出特性曲線是直線，漏源電壓VDS與漏極電流ID的比值稱為通導(dǎo)電阻Ron 。,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,MOSFET的交流小信號(hào)參數(shù),1）跨導(dǎo)gm 漏源電壓VDS一定時(shí)，漏電流的微分增量與柵源電壓微分增量之比。,它表示VGS對(duì)ID的控制能力，是MOSFET轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率。標(biāo)志電壓放大能力.,非飽和區(qū)：,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,以N溝道MOSFET為例-,非飽和區(qū)的漏源電導(dǎo)為：,當(dāng)VDS=VDsat 時(shí)：,(2)漏區(qū)靜電場(chǎng)對(duì)溝道區(qū)的反饋?zhàn)饔脤?duì) 的影響：,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,3）電壓放大系數(shù),定義：,以N溝道為例，在非飽和區(qū)：,取全微分，得,令上式為零，得,蘇州科技學(xué)院電

10、子與信息學(xué)院,推導(dǎo)Cgs和Cds的表達(dá)式采用準(zhǔn)靜態(tài)近似法,柵、源對(duì)交流短路的情況下：,柵源電容gs:,當(dāng)VDS=0時(shí),當(dāng)飽和時(shí), CG=2ZLCOX/3, Cgd=0, Cgs=2ZLCOX/3,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,2）寄生參數(shù),版圖設(shè)計(jì)時(shí)須使金屬柵極與源漏區(qū)有重疊、 防套刻偏差，形成寄生電容Cgs，Cgd。,MOSFET中的主要參數(shù),RS和RD分別代表源漏極的寄生串聯(lián)電阻。均有三部分組成：,金屬與源、漏區(qū)的接觸電阻； 源、漏區(qū)的體電阻； 當(dāng)電流從源、漏區(qū)流向較薄的反型層時(shí)，與電流流動(dòng)路線的聚集有關(guān)的電阻，即“擴(kuò)展電阻”效應(yīng)。,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,3）頻率特性,MOS中的電容、

11、載流子渡越溝道時(shí)間，這些使MOSFET存在頻率使用限制。,(1)跨導(dǎo)截止頻率,Vgs,ig,Cgs,Cgs,Rgs,Cgd+Cgd,rds,RL,id,MOSFET線性放大器的基本電路,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,下降到低頻值頻率的 時(shí)的頻率。,跨導(dǎo)截止頻率,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,最高工作頻率,定義：輸入電流上升到正好等于電壓控制電流源時(shí)的頻率為 MOSFET的截止頻率，表示為fT（ ）。,最大功率增益與最高振蕩頻率,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,第六章 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管,第二節(jié) 短溝道效應(yīng),短溝道效應(yīng):溝道長(zhǎng)小到可以和漏結(jié)源結(jié)耗盡層寬相比擬時(shí),閾電壓下降跨導(dǎo)下降溝道夾不斷,蘇州科技學(xué)院

12、電子與信息學(xué)院,第六章 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管,-2.短溝道效應(yīng),減輕閾電壓溝道效應(yīng)的措施: 結(jié)深柵氧化層厚襯底摻雜,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,第六章 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管,2) 窄溝道效應(yīng) MOSFET溝道寬度Z很小時(shí),閾電壓VT隨Z的減小而增大。,-2.短溝道效應(yīng),由VGS引起的擴(kuò)展區(qū)2Z內(nèi)的電離受主雜質(zhì)折算到寬度為Z的溝道耗盡區(qū)中,使溝道耗盡區(qū)平均電離雜質(zhì)電荷面密度變?yōu)?,實(shí)際柵電極總有一部分要覆蓋在溝道寬度以外的場(chǎng)氧化層上,并在場(chǎng)氧化層下的襯底表面也會(huì)產(chǎn)生一些耗盡區(qū)電荷。,則窄溝道MOSFET的閾電壓為:,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,第六章 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管,漏誘生勢(shì)壘降低效應(yīng),-2.短

13、溝道效應(yīng),1)表面DIBL效應(yīng) VFBVGSVT, 源漏區(qū)間勢(shì)壘高度表面的低于體內(nèi)的,電子從源區(qū)注入溝道及在溝道內(nèi)的流動(dòng)都發(fā)生在表面,形成亞閾電流IDsub。,(1)隨溝道長(zhǎng)L縮短,亞閾電流增加; (2)亞閾電流一直隨VDS增加而增加,VT減小; (3)VGS對(duì)IDsub控制能力變?nèi)?，使MOSFET難以截止。,2）體內(nèi)DIBL效應(yīng) VGSVFB，VDS不太大，源漏區(qū)間勢(shì)壘高度表面的高于體內(nèi),電子從源區(qū)注入溝道及在溝道內(nèi)流動(dòng)都發(fā)生在體內(nèi),形成穿通電流。,以n-MOSFET為例：長(zhǎng)溝道的VDS全降在漏結(jié)上。 短溝道時(shí)，源于漏的電力線將有一部分貫穿溝道區(qū)終止于源區(qū)，使源漏區(qū)間的勢(shì)壘高度降低，稱為漏誘

14、生勢(shì)壘降低效應(yīng)（DIBL）。,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,第六章 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管,熱電子效應(yīng),-2.短溝道效應(yīng),-在強(qiáng)電場(chǎng)作用下,電子在兩次碰撞之間會(huì)加速到比熱運(yùn)動(dòng)速度高許多倍的速度,由于動(dòng)能很大而稱為熱電子,從而引起“熱電子效應(yīng)”。,改進(jìn)：(1)兩次離子注入; (2)外加襯底偏壓。,問題：穿通電流受VGS控制弱；VDS很大時(shí)將導(dǎo)致穿通擊穿。,短溝道MOSFET中產(chǎn)生IG的原因,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,第六章 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管,柵氧化層中電子積累的影響:,-2.短溝道效應(yīng),溝道長(zhǎng)度越短,熱電子效應(yīng)越嚴(yán)重。,(1)VT正漂; (2)跨導(dǎo)gm下降; (3)亞閾電流IDsub增大。,蘇州科技學(xué)院電子與信息學(xué)院,第三節(jié) 微電子器件的發(fā)展方向,MOSFET的發(fā)展方向,第六章 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管,MOSFET的發(fā)展方向:溝道長(zhǎng)度L不斷縮短,*優(yōu)點(diǎn):對(duì)于分立器件可提高跨導(dǎo)和最大工作頻率,對(duì)IC可以