第09章-场效应晶体管
场效应晶体管的工作原理通俗解释
场效应晶体管的工作原理通俗解释
场效应晶体管是一种半导体器件，它广泛应用于电子电路中。
它
是一种三端管，由栅极 (Gate)，漏极 (Drain) 和源极 (Source) 三
个极组成。
场效应晶体管的工作原理非常复杂，但是可以用通俗易懂
的语言来解释。
第一步：当 Vgs = 0 时，场效应晶体管处于关闭状态。
此时，
漏结区域的电势高于源结区域，导致电子从源到漏流动。
第二步：当 Vgs > Vth 时，场效应晶体管处于开启状态。
此时
栅结区域形成一个电场，能够吸引电子从源极流入栅极，同时通过栅
极--漏极结实现漏极区域加电压，从而使电子从源极向漏极流动。
第三步：当 Vgs < Vth 时，场效应晶体管仍然处于关闭状态。
此时，栅结区域不会形成足够的电场，无法吸引电子从源极流入栅极，而漏极区域仍然在电势高于源区域。
因此，电子仍然从源到漏流动。
总之，场效应晶体管的工作原理可以用控制门极电压来控制漏极
电流的方式来概括。
因为场效应晶体管的控制能力非常强，它能够更
有效地控制大功耗电路。
场效应晶体管
场效应晶体管简称场效应管，用FET来表示 （Field Effect Transistor）。
绝缘栅场效应管
结型场效应管
一、绝缘栅场效应管
第四节
绝缘栅场效应管是一种金属—氧化物—半导体场效 应管，简称MOS管。
MOS 管按 工作 方式 分类
增强型MOS管 N沟道 P沟道 耗尽型MOS管 N沟道 P沟道
（1）感生沟道的形成 栅极和源极之间加正向电压
在电场的作用下，可以把P型衬底表面层中多数载流子空穴全部排斥 掉，形成空间电荷区。
当uGS增加到某一临界电压(UT)值时，吸引足够多的电子，在P型半导 体的表面附近感应出一个N型层,形成反型层—漏源之间的导电沟道。
开应的始电形子成越反型多，层沟铝的道uG就S称S越为iO宽开2。启电压(衬 PU型T底)。硅uGS越高，空电穴场越强，感
第四节
（2）直流输入电阻RGS
在 uDS=0 的 条 件 下，栅极与源 极之间加一定 直流电压时， 栅源极间的直 流 电 阻 。 RGS 的 值很大，一般
大于 109Ω。
2.交流参数
第四节
（1）跨导gm
定义：当uDS一定时，漏极电流变化量与引起这一变化的栅源 电压变化量之比，即
gm相当于转移特性的斜率，反映了场效应管的放大能力。 它可以从输出特性上求出，或根据转移特性的表达式求导 数得到。
自由电子
uGS
uGS
g
g
耗尽区
b
b
受主离子
反型层 耗尽区
（2）栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用
第四节
在栅源电压uGS=0时，没有导电沟道。漏源极之间存在两个背向 PN结，其中一个为反向偏置，只能流过很小的反向饱和电流，
场效应晶体管
aN沟道增强型MOS管 （1）结构
D
B G S
N沟道增强型MOS管的结构示意图及符号
把一块掺杂浓度较低 的P型半导体作为衬底， 然后在其表面上覆盖一层 SiO2的绝缘层，再在SiO2 层上刻出两个窗口，通过 扩散工艺形成两个高掺杂 的N型区(用N+表示)，并 在N+区和SiO2的表面各自 喷上一层金属铝，分别引 出源极、漏极和控制栅极。 衬底上也引出一根引线， 通常情况下将它和源极在 内部相连。
iD gm uGS
uDS 常数
gm可以在转移特性曲线上求取，为转移特性曲线的斜率。
（2）交流输入电阻
r ds
uDS rds iD
uGS 常数
rds反映了uDS对iD的影响，它是输出特性曲线上静态工作点处 切线斜率的倒数。在恒流区，漏极电流基本上不受漏源电压的影 响，因此，rds很大，一般在几十千欧～几百千欧范围内。 c极限参数 （1）最大漏极电流IDM （2）最大漏源电压U(BR)DS （3）最大栅源电压U(BR)GS
MOS管分耗尽型和增强型两大类，而每类又分N沟道和P沟道。
耗尽型是指在UGS=0时，管内已建立沟道，加上漏源电压UDS， 便会产生漏极电流ID。以后，加上适当极性的UGS，ID逐渐减小。
增强型是指在UGS=0时，管内无沟道，加上漏源电压UDS，不会 产生漏极电流ID。只有当UGS具有一定极性且达到一定数值之后， 管子内才会产生导电沟道（增强）。
（4）最大耗散功率PDM
4
场效应晶体管的特点
1 场效应晶体管是一种电压控制器件
2 场效应晶体管输入端几乎没有电流 3 场效应晶体管利用一种载流子导电
4 场效应晶体管的源漏极有时可以互换使用
5 场效应晶体管的制造工艺简单，便于大规模集成 6 MOS管输入电阻高，栅源极容易被静电击穿 7 场效应晶体管的跨导较小
场效应晶体管
场效应管的测量（5）
（5）用测反向电阻值的变化判断跨导的大小 对ＶＭＯＳ Ｎ沟道增强型场效应管测量跨导性能时，可用红表笔接源极Ｓ、黑表笔接漏极Ｄ，这就相 当于在源、漏极之间加了一个反向电压。此时栅极是开路的，管的反向电阻值是很不稳定的。将万用表 的欧姆档选在R×10kΩ的高阻档，此时表内电压较高。当用手接触栅极Ｇ时，会发现管的反向电阻值 有明显地变化，其变化越大，说明管的跨导值越高；如果被测管的跨导很小，用此法测时，反向阻值变 化不大。 二、.场效应管的使用注意事项 （1）为了安全使用场效应管，在线路的设计中不能超过管的耗散功率，最大漏源电压、最大栅源电压 和最大电流等参数的极限值。 （2）各类型场效应管在使用时，都要严格按要求的偏置接人电路中，要遵守场效应管偏置的极性。如 结型场效应管栅源漏之间是ＰＮ结，Ｎ沟道管栅极不能加正偏压；Ｐ沟道管栅极不能加负偏压，等等。 （3）MOS场效应管由于输人阻抗极高，所以在运输、贮藏中必须将引出脚短路，要用金属屏蔽包装， 以防止外来感应电势将栅极击穿。尤其要注意，不能将MOS场效应管放人塑料盒子内，保存时最好放 在金属盒内，同时也要注意管的防潮。 （4）为了防止场效应管栅极感应击穿，要求一切测试仪器、工作台、电烙铁、线路本身都必须有良好 的接地；管脚在焊接时，先焊源极；在连入电路之前，管的全部引线端保持互相短接状态，焊接完后才 把短接材料去掉；从元器件架上取下管时，应以适当的方式确保人体接地如采用接地环等；当然，如果 能采用先
具体方法：用万用表电阻的R×100档，红表笔接源极Ｓ，黑表笔接漏极Ｄ，给场效应管加 上1.5Ｖ的电源电压，此时表针指示出的漏源极间的电阻值。然后用手捏住结型场效应管的 栅极Ｇ，将人体的感应电压信
场效应管的测量（3）
号加到栅极上。这样，由于管的放大作用，漏源电压VDS和漏极电流Iｂ都要发 生变化，也就是漏源极间电阻发生了变化，由此可以观察到表针有较大幅度的摆 动。如果手捏栅极表针摆动较小，说明管的放大能力较差；表针摆动较大，表明 管的放大能力大；若表针不动，说明管是坏的。 根据上述方法，我们用万用表的R×100档，测结型场效应管3DJ2F。先将管的 Ｇ极开路，测得漏源电阻RDS为600Ω，用手捏住Ｇ极后，表针向左摆动，指示 的电阻RDS为12kΩ，表针摆动的幅度较大，说明该管是好的，并有较大的放大 能力。 运用这种方法时要说明几点：首先，在测试场效应管用手捏住栅极时，万用表针 可能向右摆动（电阻值减小），也可能向左摆动（电阻值增加）。这是由于人体 感应的交流电压较高，而不同的场效应管用电阻档测量时的工作点可能不同（或 者工作在饱和区或者在不饱和区）所致，试验表明，多数管的RDS增大，即表 针向左摆动；少数管的RDS减小，使表针向右摆动。但无论表针摆动方向如何， 只要表针摆动幅度较大，就说明管有较大的放大能力。第二，此方法对MOS场 效应管也适用。但要注意，MOS场效应管的输人电阻高，栅极Ｇ允许的感应电 压不应过高，所以不要直接用手去捏栅极，必须用于握螺丝刀的绝缘柄，用金
场效应晶体管内部结构_概述说明以及解释
场效应晶体管内部结构概述说明以及解释1. 引言1.1 概述场效应晶体管（Field Effect Transistor，简称FET）是一种非常重要的电子器件，被广泛应用于电子领域中。
它由半导体材料制成，具有控制和放大电流的功能，因此在集成电路、通信设备、计算机等领域中发挥着至关重要的作用。
1.2 文章结构本文将对场效应晶体管内部结构进行详细概述说明，并解释其工作原理。
文章主要分为五个部分。
首先，在引言部分我们将对场效应晶体管进行简单介绍并阐明文章的目的。
然后，在"2. 场效应晶体管内部结构"部分中，我们将深入研究晶体管的基本构成部分以及核心元件，并详细解释其工作原理。
接下来，在"3. 具体示意图和示例说明"部分，我们将通过图解和实例来更加生动地展示不同类型晶体管的布局和结构，并介绍其中关键细节。
随后，在"4. 内部结构对性能影响评估"部分中，我们将对子微米技术、材料选择以及设计参数等方面对性能的影响进行评估和探讨。
最后，在"5. 结论与展望"部分，我们将对研究结果进行总结，并展望未来发展方向。
1.3 目的本文旨在全面而系统地介绍场效应晶体管的内部结构，并解释其工作原理。
通过对具体示意图和实例的说明，读者能够更加直观地理解晶体管的布局和关键细节。
此外，文章还将评估内部结构对性能的影响，并提供一些优化策略。
通过阅读本文，读者可以深入了解场效应晶体管的内部结构及其重要性，为相关领域的研究和应用提供有价值的参考。
2. 场效应晶体管内部结构：场效应晶体管是一种重要的电子元件，广泛应用于集成电路和电子设备中。
了解其内部结构对于理解其工作原理和性能具有重要意义。
本部分将详细介绍场效应晶体管的内部结构。
2.1 基本构成部分：场效应晶体管主要由三个基本组成部分构成，即栅极、漏极和源极。
栅极是位于中间的控制电极，通过控制栅极上的信号可以调节漏源通道中的载流子浓度从而控制电流。
场效应晶体管原理
场效应晶体管原理嘿，朋友们！今天咱来聊聊场效应晶体管原理，这玩意儿可有意思啦！你看啊，场效应晶体管就像是一个特别会控制水流的小闸门。
电流就好比水流，而这个小闸门能决定让多少水流过去。
它有三个极，源极、漏极和栅极。
源极呢，就像是水的源头，漏极就是水流出去的地方，那栅极可就厉害了，它就像是控制闸门开关的把手。
当栅极上没有电压的时候，就好像把手没动，闸门关得紧紧的，电流不容易通过，这就是截止状态。
可要是在栅极上加了合适的电压呢，嘿，那就像把手轻轻一转，闸门打开了，电流就能欢快地流过去了，这就是导通状态。
这和我们生活中的很多事情也挺像的呀！比如说，你家里的水龙头，你不拧开它，水就出不来，这不就跟场效应晶体管截止的时候一样嘛。
你一拧开水龙头，水哗哗地流，不就跟它导通的时候差不多嘛。
场效应晶体管还有个特别厉害的地方，就是它的输入电阻特别高。
这意味着啥呢？就好比是一条路，路上几乎没有什么阻碍，电流可以很顺畅地通过。
而且它的噪声还特别小，就像一个安静的小天使，默默地工作着，不吵不闹。
咱再想想，要是没有场效应晶体管，那我们的电子设备得变成啥样啊？那肯定没现在这么好用，说不定还会经常出故障呢！所以说，场效应晶体管可真是个大功臣啊！它在各种电路里都发挥着重要的作用，小到我们手里的手机，大到那些超级复杂的电子仪器，都离不开它。
它就像一个勤劳的小蜜蜂，默默地为我们的科技生活贡献着力量。
你说，这小小的场效应晶体管是不是很神奇？它看似不起眼，却在电子世界里有着举足轻重的地位。
我们真应该好好感谢那些发明和研究场效应晶体管的科学家们，是他们让我们的生活变得更加丰富多彩。
所以啊，场效应晶体管原理可真不是什么高深莫测的东西，只要咱用心去理解，就能发现它的有趣之处。
咱在享受电子设备带来便利的同时，也别忘了背后有这么个小家伙在默默付出呢！。
场效应晶体管
场效应晶体管一、场效应晶体管概述场效应晶体管(FET)简称场效应管，它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109Ω）、噪声小、功耗低、温度系数低、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。
场效应管工作时只有一种极性的载流子参与导电，所以场效应管又称为单极型晶体管。
场效应管分结型、绝缘栅型两大类。
结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应管（IGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。
目前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是MOS场效应管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET）；此外还有PMOS、NMOS和VMOS功率场效应管，以及最近刚问世的πMOS场效应管、VMOS功率模块等。
按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种。
若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。
结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。
二、场效应晶体管与半导体晶体管的异同1、外形相同场效应晶体管与半导体晶体管（双极晶体管）的封装外形基本相同，也有B型、F型、G型、TO-3型金属封装外形和S-1型、S-2型、S-4型、TO-92型、CPT型、TO-126型、TO-126FP 型、TO-202型、TO-220型、TO-247型、TO-3P型等塑料封装外形。
2、结构及工作原理不同场效应晶体管属于电压型控制器件，它是依靠控制电场效应来改变导电沟道多数载流子（空穴或电子）的漂移运动而工作的，即用微小的输入变化电压V G来控制较大的沟道输出电流I D，其放大特性（跨导）G M=I D/V G；半导体晶体管属于电流通渠道型控制器件，它是依靠注入到基极区的非平衡少数载流子（电子与空穴）的扩散运动而工作的，即用微小的输入变化电流I b控制较大的输出变化电流I c，其放大倍数β=I c/I b。
场效应晶体管工作状态-概述说明以及解释
场效应晶体管工作状态-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分的内容为：场效应晶体管（Field Effect Transistor，缩写为FET）是一种重要的半导体器件，广泛应用于电子设备中。
它是一种可以控制电流流动的三个电极的器件，包括栅极、漏极和源极。
与普通的双极型晶体管相比，场效应晶体管具有更高的输入电阻、较低的噪声和较高的频率响应，使得它在放大、开关和模拟电路中具有很大的优势。
场效应晶体管的工作原理是基于栅极电场的控制作用。
通过在栅极施加一定的电压来控制漏极和源极之间的电流，从而实现对电路的控制。
场效应晶体管的工作状态可以通过栅极电压和漏极电流来表示，主要包括截止、放大和饱和三个状态。
在截止状态下，栅极电压较低，漏极电流较小，晶体管处于关闭状态，电路中几乎没有电流流动。
在放大状态下，栅极电压适当增加，漏极电流逐渐增大，晶体管开始放大信号。
在饱和状态下，栅极电压继续增加，漏极电流达到最大值，晶体管处于稳定放大状态。
场效应晶体管的特性参数包括漏极电流、互导、最大功率、负反馈等。
这些参数反映了器件的工作性能和特点，对于电子设备的设计和应用具有重要的指导意义。
总而言之，场效应晶体管作为一种重要的半导体器件，在电子设备中发挥着重要的作用。
它的工作原理和工作状态对于理解和应用该器件至关重要。
深入了解场效应晶体管的工作状态和特性参数，对于合理设计电子电路、提高电路性能具有重要意义。
1.2 文章结构文章结构部分的内容应包含对整个文章的结构进行简要介绍和概述。
需要说明文章的主要分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分主要包括概述、文章结构和目的。
在概述中，可以简要介绍场效应晶体管的重要性和广泛应用，以及为什么有必要探讨其工作状态。
接着，说明文章的结构，即引言、正文和结论三个主要部分。
最后，明确文章的目的，即为了深入理解场效应晶体管的工作状态及其特性参数。
正文部分是文章的核心，主要包括场效应晶体管的基本原理、工作状态以及特性参数。
《场效应晶体管》课件
在制造过程中，压力也是一个重要的参数，它能够影响材 料的物理性质和化学反应速度，从而影响晶体管的性能。
时间
时间是制造过程中的另一个重要参数，不同的工艺步骤需 要不同的时间来完成，时间过长或过短都可能影响晶体管 的性能。
气体流量
在化学气相沉积等工艺中，气体流量是关键的参数之一， 它能够影响材料的生长速度和均匀性，从而影响晶体管的 性能。
掌握搭建场效应晶体管放大电路的基本技 能。
05
06
学会使用示波器和信号发生器测试放大电 路的性能。
特性测量实验
实验三：场效应晶体管的 转移特性与输出特性测量
分析测量结果，理解场效 应晶体管的工作机制。
学习测量场效应晶体管频 率响应和噪声特性的方法。
掌握场效应晶体管转移特 性和输出特性的测量方法。
实验四：场效应晶体管的 频率响应与噪声特性测量
了新的可能。
制程技术优化与突破
制程技术
不断缩小晶体管的尺寸，提高集成度和能效比，同时降低制造成本。
突破
探索新型制程技术，如纳米线、纳米孔等新型器件结构，以提高场效应晶体管的性能和 稳定性。
应用领域的拓展与挑战
要点一
应用领域
场效应晶体管的应用领域不断拓展，包括通信、物联网、 智能制造、医疗电子等领域。
要点二
挑战
随着应用领域的拓展，对场效应晶体管的性能要求也越来 越高，需要不断研究和改进以满足市场需求。
Part
06
实验与习题
基本实验操作
实验一：场效应晶体管的认知与检测
01
02
了解场效应晶体管的基本结构和工作原理。
学习使用万用表检测场效应晶体管的方法 。
03
04
实验二：场效应晶体管放大电路的搭建与 测试
场效应晶体管及其应用资料课件
在模拟电路中的应用
信号放大
在模拟电路中，场效应管 可作为放大器使用，具有 低噪声、高输入阻抗等优 点。
混频器和振荡器
场效应管可用于构建混频 器和振荡器，用于信号处 理和通信系统。
电源管理
在电源电路中，场效应管 可用来调节电压和电流， 实现高效的电源管理。
在功率电路中的应用
电源开关
在功率电路中，场效应管可作为 电源开关使用，实现高效、快速
注入的均匀性和准确性。
设备选择
03
根据具体的制造工艺选择相应的设备，如氧化炉、光刻机、刻
蚀机和离子注入机等。
06
实际应用案例分析
场效应晶体管在微处理器中的应用
场效应晶体管在微处理器中作 为开关元件，控制电流的通断 。
由于其高速开关特性和低导通 电阻，场效应晶体管在微处理 器中能够实现高速、低功耗的 数据传输。
可靠性问题
随着使用时间的增长，场效应晶体管可能会出现老化、失效等问题 ，影响电子设备的稳定性和寿命。
能效问题
目前场效应晶体管的能效还有待提高，尤其是在低电压、低功耗的 应用场景下，需要进一步优化设计。
未来的发展趋势与前景
新材料与新工艺
绿色环保
随着新材料和先进工艺的发展，场效 应晶体管将不断优化，实现更高的性 能和更低的功耗。
结构
场效应晶体管由源极、漏极、栅极和基片组成，其中栅极通 过绝缘层与基片隔离，通过改变输入电压来控制输出电流。
02
场效应晶体管的性能参数
直流参数
开启电压
指场效应管正常工作所需的最 小电压，也称阈值电压。
漏源饱和电压
当漏极电流达到最大时，对应 的漏源电压称为漏源饱和电压 。
跨导
表示场效应管放大能力的参数 ，定义为电压变化量与电流变 化量的比值。
高二物理竞赛课件场效应晶体管(FET)
JFET工作原理（以漏N端沟的道沟为道例被）：
夹断，称为预
夹断。
D
ID
VGD = VGS+VSD
此时，电流ID由未被夹G断 区域中的载流子形成，
VDS变化时，未夹断区的 长 的度 电有 压少 不量变变，化电V，场GS但强两度端变
化不大，因此ID基本不随 VDS的增加而增加，呈恒 流特性。
VDS
P
P
VDS增大则 被夹断区向
S源极
根据图标判 断N或P沟道 的方法：① 找出沟道； ②找到方向
D
G
S
5
P沟道结型场效应管JFET符号：
D漏极
G(栅极)
P
N
N
2023/7/18
S源极
D G
S
6
PN结反偏， |VGS |越大耗 尽区越宽，沟道越窄，电
VDS=0V时
阻JF越E大T工。作原理（以N沟道为例）： 但当VGS较小时，耗尽区宽 度有限，存在导电沟道。
D
IDD S间相当于线性电阻。
N
VDS
G
NP
NP
VGS S
2023/7/18
7
VDS=0时
JFET工作原理（以N沟道为例）： |VGS |达到一定值时（夹断
电压VGS(off)）,耗尽区碰到
D
ID
一起，DS间被夹断，这时， 即使VDS 0V，漏极电流
N
ID=0A。
VDS
G
P
P
VGS S
2023/7/18
下延伸。 S
2023/7/18
10
N沟道JFET在vGS=0时的输出特性曲线：
恒流 区
电阻 区
沟道预夹 断
白底9第9章MOS场效应晶体管
9-2-4 短、窄沟道效应对阈值电压的影响2
窄沟道效应 现象：图1-1-9, W方向，电场的边缘效应使W增加 分析：耗尽层体积增加--使栅压控制的耗尽层电荷增加--使阈值电压增加 公式：1-2-30 其它 场区注入使Vt增加 漏感应势垒降低效应使Vt下降 综合公式：1-2-31
9-3 电流方程
MOS晶体管的瞬态特性
2000-9-20
*
9-1，MOS晶体管工作原理
01
02
03
04
05
2000-9-20
*
9-1-1 MOS晶体管的基本结构 MOS晶体管--- MOSFET,金属-氧化物-半导体场效应晶体管 基本结构：源区，漏区，沟道区,图1-1-2，图1-1-1, 主要结构参数： 沟道长度（1-1-2,栅极图形沟道长度poly,实际沟道长度S-D） 沟道宽度W (1-1-3, W= W1 +W2 +W3) 栅氧化层厚度tox 源漏区结深 Xj （见图1-1-1 ）
2000-9-20
*
9-2-2 体效应对阈值电压的影响
Vbs不是0时，产生体效应。
1
例：对 nmos管 Vbs <0，源和漏PN结反偏-- QBm 增加--阈值电压增加
计算：公式1-2-11和1-2-13（下页）
理论结果： Vbs增加，则阈值电压增加 衬底浓度增加，则阈值电压增加
实验结果：图1-2-1
1，材料： 金属类型фMS ，氧化层中的电荷QOX 半导体沟道区掺杂浓度NA 半导体材料参数 ni ; εi 2，氧化层厚度：越厚则阈值电压越大 衬底参杂高，则阈值电压越大 3，温度：温度上升，阈值电压下降 4，和器件的横向尺寸无关 调整考虑： 降低。以便降低芯片耗电。 控制器件类型 平衡对偶器管子（CMOS）
场效应晶体管结构
场效应晶体管结构
场效应晶体管（FET）是一种半导体晶体管，它广泛用于电子电路的制作。
它使用一个叫做“场”的力量，使电荷在晶体管内部运动。
场效应晶体管结构由三部分组成：源极（S），漏极（D）和控制极（G）。
源极和漏极是FET的电极。
它们共同形成源极-漏极电路，电流通过源极到达漏极。
源极和漏极之间的电位差叫做源极电流（IDS）。
IDS在源极-漏极电路中按照Ohm定律的电阻表现出来。
控制极是FET的第三个电极。
它控制了源极到漏极的电流。
控制极的电位差称为控制电压（VGS）。
控制电压的大小决定了源极到漏极的电流。
在FET中，控制极可以是电流控制，也可以是电压控制。
FET的结构有不少种，根据控制极的结构和位置，大致可以分为三类：场效应晶体管（FET），双极型场效应晶体管（JFET）和金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）。
FET是一种开关型晶体管，它具有低电阻，小尺寸，高效率和良好的稳定性等优点。
FET晶体管的结构设计简单，制作方便，价格低廉，因此在电子设计中应用极广。
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– 匹配器件的质心位置应完全重合，或近似一致
• 对称性
– 阵列应同时相对于X轴和Y轴对称，阵列中各单元位置相互对称
• 分散性
– 每个匹配器件的各个组成部分应尽可能均匀的分布在阵列中
• 紧凑型
– 阵列排布应尽可能紧凑，并接近于正方形
• 方向性
– 每个匹配器件中应包含等量的朝向相反的段
51
共质心MOS晶体管
68
本章结束
• 恒定电压按比例缩小
– 保持晶体管工作电压不变的前提下缩小其尺寸
• 恒定电场按比例缩小
– 降低电源电压使晶体管中的电场在尺寸缩小的情况下保持恒定
– 大多数现代工艺都使用某种形式的恒定电场按比例缩小
– 光学收缩、选择性栅极尺寸收缩
• 按比例缩小晶体管
– 改善性能，寄生电容变小，开关速度变快，翻转功耗降低 – 应用于数字逻辑电路可得到预期效果 – 应用于模拟电路或混合信号电路则必须对电路性能重新评估
第九章 场效应晶体管
白雪飞 中国科学技术大学电子科学与技术系
提纲
• MOS晶体管 • MOS晶体管的匹配 • 浮栅晶体管 • JFET晶体管
2
MOS晶体管
MOS晶体管的类型
(A) 增强型NMOS
(B) 增强型PMOS
(C) 耗尽型NMOS
(D) 耗尽型PMOS
MOS晶体管建模
5
跨导系数
6
阈值电压
• 应力梯度
– 应力使载流子的迁移率发生变化，从而影响MOS晶体管的跨导系数
– 应力不影响MOS晶体管的阈值电压，因此对电压匹配几乎没有影响
• 热梯度
– 热梯度影响阈值电压，从而影响MOS晶体管的电压匹配 – 热梯度影响载流子有效迁移率，从而影响MOS晶体管的跨导系数和电流 匹配
50
MOS晶体管共质心规则
13
MOS晶体管版图
(A) 利用NSD、PSD和沟槽掩模层
(B) 利用NMoat和PMoat编码层
14
MOS管的宽度和长度
15
N阱和P阱工艺
(A) N阱；(B) P阱；(C) 双阱
16
沟道终止注入
采用硼和磷实现沟道终止注入的N阱CMOS晶圆
17
阈值调整注入
• 天然(Native)晶体管
– 天然的阈值电压取决于栅和背栅的掺杂及栅氧化层的厚度 – 电流设计者也可以使用天然晶体管
21
按比例缩小晶体管
(A) 比例100%；(B)光学收缩至80% (C) 有选择的将绘制栅长收缩至80%
2M1和M2共用一个源极
24
合并晶体管实例
二输入与非门
(A) 原理图；(B) 版图
25
折叠晶体管
26
环形晶体管
环形晶体管：(A) 方形；(B) 圆形 环形结构可以降低漏区电容与沟道宽度之比，提高开关速度
7
寄生参数
N阱CMOS工艺NMOS晶体管的简化寄生模型
8
寄生参数
N阱CMOS工艺PMOS晶体管的简化寄生模型
9
击穿机制
• 击穿机制
– 雪崩击穿 – 穿通击穿 – 介质击穿 – 热载流子诱发阈值电压偏移
短沟道NMOS晶体管的击穿效应 穿通击穿（0.4um工艺器件）和雪崩击穿（0.6um和0.8um工艺器件）
56
MOS晶体管的匹配规则
• 晶体管应与功率器件距离适当 • 有源栅区上方不要放置接触孔 • 金属布线不能穿过有源栅区 • 使所有深扩散结远离有源栅区
57
MOS晶体管的匹配规则
• 精确匹配晶体管应放置在芯片的对称轴上 • 不要让NBL阴影与有源栅区相交 • 用金属条连接栅叉指 • 尽量使用NMOS晶体管而非PMOS晶体管
58
浮栅晶体管
FAMOS晶体管
浮栅雪崩注入MOS(FAMOS)晶体管
图中显示利用漏区/背栅结雪崩击穿注入电子的编程过程
60
双层多晶硅晶体管
双层多晶硅晶体管 (A) 剖面图；(B) 等效电路
61
FOTOX晶体管
浮栅隧穿氧化层(FOTOX)晶体管
62
单层多晶硅EEPROM单元
单层多晶硅EEPROM单元 (A) 版图；(B) 等效电路
LDD和DDD晶体管
(A) 轻掺杂漏区(LDD)晶体管
(B) 双扩散漏区(DDD)晶体管
31
扩展漏区NMOS晶体管
(A) 非对称扩展漏区结构；(B) 对称扩展漏区结构
32
扩展漏区PMOS晶体管
(A) 非对称扩展漏区结构；(B) 对称扩展漏区结构
33
多栅氧化层
(A-B-C) 分阶段氧化技术；(D-E-F) 刻蚀再生长技术
• 经过调整的晶体管
– 通过对沟道区的注入可以改变MOS晶体管的阈值电压
– P型注入使阈值电压正向移动 – N型注入使阈值电压负向移动
18
天然(Native)晶体管版图
(A) 天然NMOS；(B) 天然PMOS
19
双掺杂多晶硅CMOS晶体管
双掺杂多晶硅CMOS晶体管的剖面图
20
按比例缩小晶体管
34
多栅氧化层版图
(A) 薄氧化层晶体管；(B) 厚氧化层晶体管
35
功率MOS晶体管
36
MOS安全工作区
37
功率MOS晶体管版图
矩形功率晶体管金属连线版图，箭头表示电流方向
38
MOS晶体管的匹配
39
匹配MOS晶体管
• 匹配MOS晶体管
– 有些电路利用栅源电压匹配，如差分对 – 有些电路利用漏极电流匹配，如电流镜 – 优化电压匹配和优化电流匹配所需的偏置条件不同 – 可以优化MOS管的电压匹配或电流匹配，但不能同时优化二者
63
单层多晶硅EEPROM单元 工作模式
单层多晶硅EEPROM单元的工作模式 (A) 编程；(B) 读取数据；(C) 擦除数据
64
JFET晶体管
JFET建模
66
JFET版图
采用标准双极工艺制作的N沟道JFET的版图和剖面图 栅极与衬底相连，可通过邻近的衬底接触孔连接
67
JFET版图
采用模拟BiCMOS工艺制作的N阱JFET的版图和剖面图
扩展漏区晶体管 (A) 互为镜像的结构出现失配；(B) 方向一致的结构不受影响
44
扩散和刻蚀效应
• 多晶硅刻蚀速率的变化
– 使硅栅MOS晶体管的栅极长度发生变化 – 可使用陪衬栅极以确保均匀刻蚀
• 扩散穿透多晶硅
– 杂质在多晶硅内部无法均匀扩散
– 杂质沿晶粒边界快速扩散；在单个晶粒内部扩散速度较慢
• 有源栅极上方的接触孔
– 有源栅极上的接触孔位置有时会引起显著的阈值电压失配 – 保证接触孔位于厚场氧化层上方，而不是有源栅区上方
• 沟道附近的扩散区
– 深扩散区会影响附近MOS晶体管的匹配 – 深扩散区尾部会延伸相当长的距离与附近MOS晶体管的沟道相交
45
多晶硅刻蚀速率的变化
(A) 没有陪衬栅极的MOS晶体管阵列
叉指状MOS晶体管
52
共质心MOS晶体管
交叉耦合MOS晶体管
53
MOS晶体管的匹配规则
54
MOS晶体管的匹配规则
• 采用薄氧化层器件代替厚氧化层器件 • 使晶体管的取向一致 • 晶体管应相互靠近 • 匹配晶体管的版图应尽可能紧凑
55
MOS晶体管的匹配规则
• 如果可能，应采用共质心版图结构 • 避免使用极短或极窄的晶体管 • 在阵列晶体管的末端放置陪衬段 • 把晶体管放置在低应力梯度区域
– 关键匹配晶体管的有源栅区上方不应进行金属化
– 次要匹配晶体管应具有相同的金属化版图，从而可以允许金属穿过
• 填充金属
– 去除匹配器件上方的填充金属，同时注意金属密度规则 – 采用定制的填充金属包围匹配晶体管，以确保匹配晶体管周围的金属图 形是相同的
49
热效应和应力效应
• 氧化层的厚度梯度
– 氧化层存在放射状的厚度梯度 – 氧化层厚度差别直接影响阈值电压的匹配
• 电压匹配
– 产生匹配电压的MOS电路应工作在较低的有效栅压下，≤0.1V
• 电流匹配
– 产生匹配电流的MOS电路应工作在较高的有效栅压下，≥0.3V
几何效应
• 栅极面积 • 栅氧化层厚度 • 沟道长度调制效应 • 方向
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栅极面积
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栅氧化层厚度和沟道长度调 制效应
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方向
方向相同的器件(A)匹配精度高于方向不同的器件(B)和(C)
27
背栅接触
背栅接触与保护环结合用于防止闩锁效应 NMOS背栅须低于或等于源极电位；PMOS背栅须高于或等于源极电位 (A) 邻接的背栅接触孔：源极和背栅在同一电位 (B) 分离的背栅接触孔：源极和背栅在不同电位
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背栅接触
(A) 叉指状背栅接触孔
(B) 分布式背栅接触孔
29
扩展电压晶体管
30
(B) 包括陪衬栅极的MOS晶体管阵列
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扩散穿透多晶硅
多晶硅栅杂质扩散过程 (A) 杂质完全再分布之前
(B) 杂质完全再分布之后
(C) 过度退火导致杂质穿过栅氧化层
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沟道附近的扩散区
阱的绘制边界与有源栅区之间的距离
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氢化作用
• 氢化作用
– 部分氢原子可以渗入夹层氧化物并到达氧化层-硅界面处与悬挂键结合 – 该反应中和了悬挂键引入的正的固定电荷，有助于减小阈值电压的变化 – 悬挂键的随机分布会引起阈值电压的随机波动，氢退火有助于改善阈值 电压的匹配
10
闩锁效应
• 当源/漏扩散区相对背栅正偏时，会向邻近器件的反偏结注入少子 • 相邻的NMOS和PMOS晶体管相互交换少子会引发CMOS闩锁效应 • 少子保护环可以防止闩锁效应