场效应晶体管

S n VS VG VB
G n
P衬底
（2）
EFP EFn q(Vs VB )
D
（3）强反型时表面势
s,inv 2FP Vs VB
B
s,inv，增为
1 2
（4）强反型时沟道下耗尽区厚度
xd max (
2 ss ,inv qNA
)
则耗尽区中电离受主电荷面密度
Qox (2q s N A )1/ 2 VT Vs ms (2Fp VS VB )1/ 2 2Fp Cox Cox
称为P型衬底体因子。 取VS=0、VB=0则有
Qox VT ms K (2Fp )1/ 2 2Fp Cox
3）影响VT 的几个因素 （1）栅电容 Cox （2）衬底费米势 Fp （3）金－半功函数差 （4）衬底杂质浓度N 强反型后
ms
QA qNA xd max (4q s N AFP )1/ 2
ZnCox L---MOSFET增益因子
2009.06.22
(2Fp VB VD )3/ 2 (2Fp VB VS )3/ 2
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半导体器件原理
第四章 场效应晶体管
Qn qndx---沟道电子电荷面密度
0
b
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dy Zn (Qn )dV VS VD Z I D n (Qn )dV VS L
0

L
VD
半导体器件原理
VT VT
物理意义
VBS 0
VT
VBS 0
1/ 2 V 1/ 2 K 2Fp 1 BS 1 2 Fp
电中性：Q
VGS
M
QOX Qn QA 0
VBS
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--1.MOSFET的基本特性
1 2 I ( V V ) V VDS VB 0,VS 0,VT D GS T DS 2 dID 0 VDsat VGS VT I Dsat (VGS VT ) 2 dVDS 2
饱和漏极电压 饱和漏极电流
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半导体器件原理
第四章 场效应晶体管
--1.MOSFET的基本特性
（1）有效沟道长度调制效应：VDS>VDsat,沟道有效长度随VDS增大而缩短 的现象。 VDS=VDsat时, V(L)=VDsat,夹断点电势VDsat,沟道压降也是VDsat夹断点处 栅沟电压为VGS-VDsat=VT。 VDS>VDsat时, 沟道中各点电势均上升,V(y)=VDsat位置左移,夹断点左移, 有效沟道压降不变VDsat=VGS-VT,夹断点处栅沟电压为VGS-VDsat=VT。


1/ 2
Cox (VG VFB 2Fp V ( y)) 2 s qNA 2Fp VB V ( y)
s,inv 2Fp VB V ( y)


1/ 2
1 2 2 (2 s qNA )1/ 2 2 I D (VG VFB 2Fp )(VD VS ) (VD VS ) 2 3 C ox
2. FET按结构和工艺特点来划分
1) 结型栅场效应晶体管(JFET) 2) 肖特基势垒栅场效应晶体管(MESFET)
3) 绝缘栅场效应晶体管(IGFET)
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半导体器件原理
第四章 场效应晶体管
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半导体器件原理
第四章 场效应晶体管
第一节 MOSFET的基本特性
1. 结构和分类 1) 结构
2) 工作原理
2009.06.22
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半导体器件原理
第四章 场效应晶体管
3) 输出特性
--1.MOSFET的基本特性
半导体器件原理
第四章 场效应晶体管
--1.MOSFET的基本特性
（2）漏区静电场对沟道区的反馈作用 衬底低掺杂时，漏－衬耗尽层随VDS增大而展宽很快，宽度可 与沟道长相比拟，这时，起始于漏区的电力线不再全部终止于扩展 到衬底中的耗尽层空间电荷上，即有一大部分穿过耗尽区终止于沟 道区的可动电荷上，静电耦合。 漏-沟间存在耦合电容,使单位面积沟道区内产生的平均电荷密度 的增量为: C V
2 s (VDS VDsat ) 沟道长度调制量： L qN A
1 2
1 Z 1 2 I D ' nCox (VGS VT ) I Dsat ( ) 2 L 1 L / L
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半导体器件原理
第四章 场效应晶体管
--1.MOSFET的基本特性
3.
MOSFET的伏安特性 假设：①沟道内电压降忽略不计 ②扩散电流忽略不计 ③沟道内μ＝c ④缓变沟道近似
⑤强反型近似 ⑥栅氧化层内有效电荷面密度为常数 1) 非饱和区 （1）漏电流的一般表达式 忽略扩散电流，则沟道内电子电流密度为 dV J C q n nEy q n n dy b dV dV 积分：I D Z n qndx Z n (Qn ) ID 0 dy dy
一般器件掺杂范围内,掺杂影响最大的是QA,故可以通过掺杂对QA的 影响来改变VT. 影响Qox的因素:①制造工艺②晶面 （5）栅氧化层中Qox ③氧化以后的工艺
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半导体器件原理
定义:从表面到体内平衡处的电势差,为表面势 s ,即
s ms Qox / Cox VFB
（4）实际MOS结构的阈电压VT 有效栅极电压（VG-VFB）一部分降在栅氧化层上，即 Vox ，另一 部分降在半导体上，即 s .刚发生强反型时,栅极电压VG即阈电压VT:
VT VFP Vox 2FP Q Q Qs Qn QA QA Vox m s Cox Cox 反型层电荷面密度 耗尽区中电离受主电荷面密度
第四章 场效应晶体管
（2）沟道电子电荷面密度Qn与漏电流
--1.MOSFET的基本特性
衬底表面强反型后，沟道电子的屏蔽使VG增加部分几乎全落在栅氧化层 上，半导体中能带弯曲程度不再增大，即表面势和耗尽区宽都不再变化。
Qn Qs QA Cox (VG VFB s ,inv ) 2 s qNA 2Fp VB V ( y)
(1)OA段: 线性区,VGS决定沟道电阻 非 饱 (2)AB段: 过渡区,沟道压降影响沟 和 道电阻 区
(3)BC段: 饱和区,VDS>VDsat,之后沟道有效 长度随VDS增大而缩短,称为有效沟道长度 调变效应. (4)CD段: 击穿区,VDS≥BVDS
4)MOSFET类型 * N沟道增强型、耗尽型, P沟道增强型、 耗尽型 * 集成电路中的都是横向MOSFET,即沟道电流是水平方向流动;分立器件 中有的沟道电流是垂直方向流动的,称为纵向MOSFET。
QAV
dCT
DS
ZL
衬底中等掺杂以上时，漏电流不饱和的主要原因是有效沟道调制 效应。衬底低掺杂时，以漏区－沟道耦合作用为主。 3) 亚阈区 VGS≤VT ,ID≠0 本征电压 Vi：外加栅源电压使半导体表面附近能带下弯 qFp时，半 导体表面处于本征状态，这时栅源电压称本征电压。
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--引 言
3. 与双极型晶体管相比, FET的优点:
1) 输入阻抗高; 3) 噪声系数小; 4. JFET和MESFET 2) 功耗小; 4) 温度稳定性好; 5) 抗辐射能力强
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第四章 场效应晶体管
--1.MOSFET的基本特性
（6）衬底偏置电压的影响 衬底偏置效应(体效应):衬底与源极之间外加衬底偏压VBS后,MOSFET 的特性将发生变化.
空间电荷面密度随偏压增大而增大.
Qox VT Vs ms K (2Fp VS VB )1/ 2 2Fp Cox
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QA (s ,inv ) [2qNA ss ,inv ]
1 2
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半导体器件原理
第四章 场效应晶体管
令 K (2q s N A ) Cox
1 2
--1.MOSFET的基本特性
E C
(EF)s EV
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半导体器件原理
第四章 场效应晶体管
(2)理想MOS结构
--1.MOSFET的基本特性 ①金半功函数差为零; ②栅氧化层内有效电荷面密度为零; ③栅氧化层与半导体界面处不存在界面态。
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半导体器件原理
第四章 场效应晶体管
（3）实际MOS结构与平带电压 --1.MOSFET的基本特性
通常有 ms 0, Qox 0 ,使半导体一侧带负电荷,类同VG>0, 能带 在表面向下弯曲,数量为: [qms q(Qox / Cox )]
对于p－MOSFET:
1 2 I D (VGS VT )VDS VDS 2
2）饱和区 VDS VGS VT
I Dsat

2
(VGS VT ) 2
VDS Ey / y不可忽略 (也可以感应出电子 )
VDS VDsat ID近似不变,但略有增加。
Qox QA (2FP ) 2FP Cox Cox
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VT ms
2009.06.22
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半导体器件原理
第四章 场效应晶体管
--1.MOSFET的基本特性
2) MOSFET的阈电压
（1）有效栅极电压为 VG VB VFB
半导体器件原理
第四章 场效应晶体管
引
1. 晶体管按工作原理分类: 1) 双极型晶体管 2) 场效应晶体管(Field effect transistor: FET)
言
*20世纪三十年代:利林费尔德-场效应思想 ---通过加在半导体表面上的垂直电场来调制半导体的电导率。 *1962年前后:Si平面工艺和外延技术发展;表面态密度大大降低。
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半导体器件原理
第四章 场效应晶体管
2. MOSFET的阈值电压 1)MOS结构的阈电压 (1)功函数
Wm (EF)m Wm=E0 – (EF)m Ws=E0 – (EF)s --1.MOSFET的基本特性 又称开启电压，是使栅下的衬底表面开始发生强反型时的栅极电压,记为VT。 E0 E0 Ws