微电子器件(5-1)

= − 2q NAεs ( 2φFP +VS −VB )
QA (φS,inv ) COX
1 2
1 2
( 2q NAεs ) =−
COX
1 2
( 2φFP +VS −VB )
1 2
1 2
= −K ( 2φFP +VS −VB )
1 2
(2q NAεs ) 式中， 式中， K =
COX
体因子。 ，称为 体因子。
QM QS 上式中， 上式中， OX = V =− , QM 和 QS 分别代表金属一侧的 COX COX
电荷面密度和半导体一侧的电荷面密度， 电荷面密度和半导体一侧的电荷面密度，而 QS 又是耗尽层电荷 QA 与反型层电荷 Qn 之和。 之和。
COX
QM
-Qn -QA
P
}
-QS
作为近似，在强反型刚开始时， 作为近似，在强反型刚开始时，可以忽略 Qn 。QA 是 φS 的 函数，在开始强反型时， 函数，在开始强反型时，QA ( φS ) = QA ( 2φFP ) ，故得
第 5 章 绝缘栅场效应晶体管
场效应晶体管（ 场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）是另一类 ， ） 电压控制型多子导电器件， 重要的微电子器件。这是一种电压控制型多子导电器件 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 单极型晶体管。与双极型晶体管相比， 为单极型晶体管。与双极型晶体管相比，有以下优点 ① 输入阻抗高； 输入阻抗高； 温度稳定性好； ② 温度稳定性好； ③ 噪声小； 噪声小； 大电流特性好； ④ 大电流特性好； 无少子存储效应，开关速度高； ⑤ 无少子存储效应，开关速度高； 制造工艺简单； ⑥ 制造工艺简单； 各管之间存在天然隔离， ⑦ 各管之间存在天然隔离，适宜于制作 VLSI 。
JFET 和 MESFET 的工作原理相同。以 JFET 为例，用低掺 的工作原理相同。 为例， 杂的半导体作为导电沟道， 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。 并加上反向电压。利用 PN 结势垒区宽度随反向电压而变化的特 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 点来控制导电沟道的截面积，从而控制沟道的导电能力。 FET 的不同之处是，J FET 利用 PN 结作为控制栅，而 MESFET 的不同之处是， 结作为控制栅， 半结（肖特基势垒结）来作为控制栅。 则是利用金 - 半结（肖特基势垒结）来作为控制栅。 IGFET 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， 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。
② 过渡区 增大，漏附近的沟道变薄，沟道电阻增大， 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 逐渐下弯。 动电子消失， 夹断， 段所示。 动电子消失，这称为沟道被 夹断，如图中的 AB 段所示。 非饱和区， 线性区。 线性区与过渡区统称为 非饱和区，有时也统称为 线性区。
将各曲线的夹断点用虚线连接起来，虚线左侧为非饱和区， 将各曲线的夹断点用虚线连接起来，虚线左侧为非饱和区， 虚线右侧为饱和区。 虚线右侧为饱和区。
4 种类型 MOSFET 的特性曲线小结
5.2 MOSFET 的阈电压
定义：使栅下的硅表面处开始发生强反型时的栅电压称为 定义： 阈电压（ 开启电压）， 阈电压（或 开启电压），记为 VT 。 ），记为 定义：当硅表面处的少子浓度达到或超过体内的平衡多子 定义： 浓度时， 浓度时，称为表面发生了 强反型 。 在推导阈电压的表达式时可近似地采用一维分析， 在推导阈电压的表达式时可近似地采用一维分析，即认为 衬底表面下耗尽区及沟道内的空间电荷完全由栅极与衬底之间 的电压产生的横向电场所决定， 的电压产生的横向电场所决定，而与漏极电压产生的纵向电场 无关。 无关。
5.1 MOSFET 基础
5.1.1 MOSFET 的结构
绝缘栅场效应晶体管按其早期器件的纵向结构又被称为 绝缘栅场效应晶体管按其早期器件的纵向结构又被称为 按其早期器件的纵向结构 “金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管”，简称为 MOSFET， 半导体场效应晶体管” MOSFET， 但现在这种器件的栅电极实际不一定是金属，绝缘栅 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。 氧化物， 。
③ 饱和区 沟道夹断点左移，漏附近只剩下耗尽区。 当 VDS > VDsat 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 IDsat ，曲线为水平直线，如 曲线为水平直线， 段所示。 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。 的增大而略有增大，曲线略向上翘。
5.1.4 MOSFET 的输出特性
输出特性曲线： 曲线。 输出特性曲线：VGS > VT 且恒定时的 VDS ~ ID 曲线。可分为 以下 4 段：
① 线性区 很小时， 固定电阻， 当 VDS 很小时，沟道就象一个阻值与 VDS 无关的 固定电阻， 成线性关系， 段所示。 这时 ID 与 VDS 成线性关系，如图中的 OA 段所示。
QS QA (2φFP ) VOX = − ≈− COX COX Q 再将 VFB = φMS − OX 和上式代入 VT = VFB + VOX + 2φFP 中， COX
可得 MOS 结构的阈电压为
QOX QA ( 2φFP ) VT = φMS − − + 2φFP COX COX
的进一步推导在以后进行。 关于 QA 的进一步推导在以后进行。
TOX
4、实际 MOS 结构当 VG = VT 时的能带图 、 要使表面发生强反型， 要使表面发生强反型，应使表面处的 EF - EiS = qφFP ，这时 能带总的弯曲量是 2qφFP ，表面势为 φS = φS,inv = 2φFP 。
的部分（ 有效栅电压。 外加栅电压超过 VFB 的部分（VG -VFB）称为 有效栅电压。 有效栅电压可分为两部分： 有效栅电压可分为两部分：降在氧化层上的 VOX 与降在硅表面 附近的表面电势 φS ，即 VG – VFB = VOX + φS 使能带发生弯曲。 表面势 φS 使能带发生弯曲。表面发生强反型时能带的弯曲 量是 2qφFP ，表面势为 2φFP ，于是可得 VT – VFB = VOX + 2φFP VT = VFB + VOX + 2φFP
QOX 可以使能带恢复为平带状态， 当 VG = VFB ≡ φMS − 时，可以使能带恢复为平带状态， COX 这时 φS = 0，硅表面呈电中性。VFB 称为 平带电压。COX 代表单 ，硅表面呈电中性。 平带电压。
位面积的栅氧化层电容， 位面积的栅氧化层电容，COX =
εOX ，T 代表栅氧化层厚度。 OX 代表栅氧化层厚度。
型衬底的费米势。 称为 P 型衬底的费米势。
2、实际 MOS 结构（φMS < 0，QOX > 0）当 VG = 0 时的能带图 、 结构（ ， ）
qφS
上图中， 表面势， 上图中，φS 称为 表面势，即从硅表面处到硅体内平衡处的 电势差， 电势差，等于能带弯曲量除以 q 。
3、实际 MOS 结构当 VG = VFB 时的能带图 、
因此 MOSFET 的阈电压一般表达式为
VT = VB +VFB −
QA (φS,inv ) COX
+φS,inv
的表达式。对于均匀掺杂的衬底， 以下推导 QA 的表达式。对于均匀掺杂的衬底，
2εsφS,inv QA (φS,inv ) = −q NA xd = −q NA qN A
场效应晶体管（FET） 场效应晶体管（FET）的分类 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（MESFET） 肖特基势垒栅场效应晶体管（ ） 绝缘栅场效应晶体管（ 绝缘栅场效应晶体管（IGFET 或 MOSFET） ） 根据沟道导电类型的不同， 根据沟道导电类型的不同，每类 FET 又可分为 N 沟道器件 沟道器件。 和 P 沟道器件。
VGS 0 VT VT 0
VGS
5.1.3 MOSFET 的类型
P 沟道 MOSFET 的特性与 N 沟道 MOSFET 相对称，即 相对称， (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 沟道相反。 沟道相反。 (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 时称为增强型（常关型）， T > 0 时称为耗尽型 时称为增强型（常关型）， ），V （常开型）。 常开型）。
J FET 的基本结构
源、漏
利用 PN 结势垒区宽度随反向电压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。 沟道的截面积，从而控制沟道的导电能力。
MESFET 的基本结构
J FET 利用 PN 结作为控制栅，而 MESFET 则是利用金 - 半 结作为控制栅， 结（肖特基势垒结）来作为控制栅。 肖特基势垒结）来作为控制栅。
于是可得 N 沟道 MOSFET 的阈电压为
VT = VB + VFB + K ( 2φFP + VS − VB ) + 2φFP + VS − VB
来控制沟道的导电性， 所以 MOSFET 是通过改变 VGS 来控制沟道的导电性，从而 是一种电压控制型器件。 控制漏极电流 ID ，是一种电压控制型器件。
转移特性曲线： 转移特性曲线：VDS 恒定时的 VGS ~ ID 曲线。MOSFET 的 曲线。 的控制能力。 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。 常关型。 VT < 0 时，称为 耗尽型 ，为 常开型。 常开型。 ID ID