第五章金属半导体场效应晶体管.
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金属—氧化物—半导体场效应晶体管PPT课件
（6-22） 的关系称为MOS系统的电容—电压特性。
1 dVG dV0 d s
C dQM dQM dQM
（6-23）
若令
C0
d QM d V0
CS
dQM
d S
dQS
d S
（6-24） （6-25）
第15页/共76页
6.2 理想MOS电容器
则
1 1 1 C C0 CS
C0 =绝缘层单位面积上的电容，
半导体表面就存在表面势 S >0。因此，欲使能带平直，即除去功函数差所带来的影
响，就必须在金属电极上加一负电压。
VG1
' ms
m'
s'
（6-56）
S
这个电压一部分用来拉平二氧化硅的能带，一部分用来拉平半导体的能带，
使
第31页/共76页
6.4 实际MOS的电容—电压特性
第32页/共76页
6.4 实际MOS的电容—电压特性
6.4实际MOS的电容－电压特性
• 功函数差的影响
第30页/共76页
6.4 实际MOS的电容—电压特性
以铝电极和P型硅衬底为例。铝的功函数比型硅的小，前者的费米能级比 后者的高
。接q触m 前，q功S 函数差EFM EFS
由于功－函数的不＝同，－铝( —二氧化硅—P型)<硅0 MOS系统在没有外加偏压的时候，在
qNa
4kS 0 f
qNa
QB qNa xdm
总表面空间电荷
QS QI QB QI qNa xdm
QI
为反型层中单位面积下的可动电荷即沟道电荷：
QI
xI 0
qnI
x dx
（6-19） （6-20） （6-21）
第五章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管概念深入
5.5.1 击穿电压 沟道雪崩击穿 漏极附近的空间电荷区离化可以造 成雪崩击穿。我们考虑第八章中讲述的pn结雪崩击 穿。在理想单边pn结中，击穿主要是pn结低掺杂 区的掺杂浓度的函数。对于MOSFET，低掺杂区对 应于半导体衬底。例如，如果一p型衬底掺杂浓度 为Na＝3×1016cm－3，那么对于缓变结击穿电压大 约为25伏特。然而，n＋漏极可能是一个相当浅的 扩散区并发生弯曲。耗尽区的电场在弯曲处有集中 的趋向，从而降低了击穿电压，如下图所示。
5.5.2 辐射引入的界面态
我们讨论亚阈值电导时曾经讲过，ID和VGS函数曲线中在亚阈值区处的 斜率是界面态密度的函数。下图为不同总的离化剂量下的亚阈值电流。 图中斜率的变化说明了界入的界面态
Si-SiO2界面辐射引入界面态的生成过程强烈依赖于器件的工艺。铝栅 MOSFET中界面态的生成要小于多晶硅栅器件所生成的界面态。这个 区别主要是因为两种工艺之间的差别而非器件固有的区别。氢气对于辐 射引入的界面态的生成显得比较重要，因为氢气在界面处可以使得硅键 悬浮，从而减小了界面态的预辐射密度。然而，被氢气钝化的器件更容 易生成界面态。界面处的硅－氢键可能会被辐射过程所损坏，从而留下 悬浮的硅键，表现为界面态陷阱。这些界面处的陷阱已经从电子自旋共 振试验中得到证实。 界面态可以严重影响MOSFET特性，从而影响MOSFET电路的性能。 正如我们已经讲过的，辐射引入的界面态可以导致阈值电压发生偏移， 影响电路的性能。迁移率的降低会影响电路的速度和输出驱动能力。
微电子器件基础
第五章 金属-氧化物-半导体场 效应晶体管概念深入
引言
MOSFET的非理想效应改变理想特性。 本章将讨论的一些非理想效应包括亚阈值电导， 沟道长度调制，沟道迁移率的变化以及载流子 速度饱和。
半导体器件物理chapter5MOS场效应晶体管
转移特性曲线斜率
gm 的 大 小 反 映 了 栅
源电压对漏极电流的
控 制 作 用 。 gm 也 称
为跨导 跨导的定义式如下: gm=ID/VGS VDS=const
（2）MOSFET的输出特性曲线
四、MOS场效应晶体管的种类
• 若栅电压为零时不存在导电沟道，必须在栅上施 加电压才能形成反型层沟道的器件称为增强（常 闭）型MOSFET；若在零偏压下即存在导电沟道， 必须在栅上施加偏压才能使沟道内载流子耗尽的 器件成为耗尽（常开）型MOSFET。
• 反型层或沟道的反型电荷Qi • 沟道下面的耗尽区体电荷QB • 栅极电荷QG （QG＝Qi＋QB）
• 由漏－衬底、源－衬底PN结引起的电荷
根据其特性，可以将这些电荷分成本征部分和非本征部分。
• 在交流高频情况下，MOS器件对这些本征电容和 非本征电容电容充放电存在一定延迟时间。此外， 载流子渡越沟道也需要一定的时间，这些延迟时间 决定MOSFET存在使用频率的限制。
对NMOS晶体管，源和漏是用浓度很高的N＋杂质 扩散而成。在源、漏之间是受栅电压控制的沟道区， 沟道区长度为L，宽度为W。
对于NMOS，通常漏源之间加偏压后，将电位 低的一端成为源，电位高的一端称为漏，电流 方向由漏端流向源端。
2、MIS结构
（1） 表面空间电荷层和反型层 ➢ 表面空间电荷层和反型层实际上属于半导体表面的
• 随着正电压的加大,负电荷区逐渐加宽，同时被吸引到表面的 电子也随着增加。当电压达到某一“阈值”时，吸引到表面 的电子浓度迅速增大，在表面形成一个电子导电层，即反型 层。反型层出现后，再增加电极上的电压，主要是反型层中 的电子增加，由电离受主构成的耗尽层电荷基本不再增加。
（2） 形成反型层的条件
gm 的 大 小 反 映 了 栅
源电压对漏极电流的
控 制 作 用 。 gm 也 称
为跨导 跨导的定义式如下: gm=ID/VGS VDS=const
（2）MOSFET的输出特性曲线
四、MOS场效应晶体管的种类
• 若栅电压为零时不存在导电沟道，必须在栅上施 加电压才能形成反型层沟道的器件称为增强（常 闭）型MOSFET；若在零偏压下即存在导电沟道， 必须在栅上施加偏压才能使沟道内载流子耗尽的 器件成为耗尽（常开）型MOSFET。
• 反型层或沟道的反型电荷Qi • 沟道下面的耗尽区体电荷QB • 栅极电荷QG （QG＝Qi＋QB）
• 由漏－衬底、源－衬底PN结引起的电荷
根据其特性，可以将这些电荷分成本征部分和非本征部分。
• 在交流高频情况下，MOS器件对这些本征电容和 非本征电容电容充放电存在一定延迟时间。此外， 载流子渡越沟道也需要一定的时间，这些延迟时间 决定MOSFET存在使用频率的限制。
对NMOS晶体管，源和漏是用浓度很高的N＋杂质 扩散而成。在源、漏之间是受栅电压控制的沟道区， 沟道区长度为L，宽度为W。
对于NMOS，通常漏源之间加偏压后，将电位 低的一端成为源，电位高的一端称为漏，电流 方向由漏端流向源端。
2、MIS结构
（1） 表面空间电荷层和反型层 ➢ 表面空间电荷层和反型层实际上属于半导体表面的
• 随着正电压的加大,负电荷区逐渐加宽，同时被吸引到表面的 电子也随着增加。当电压达到某一“阈值”时，吸引到表面 的电子浓度迅速增大，在表面形成一个电子导电层，即反型 层。反型层出现后，再增加电极上的电压，主要是反型层中 的电子增加，由电离受主构成的耗尽层电荷基本不再增加。
（2） 形成反型层的条件
电子电工学——模拟电子技术 第五章 场效应管放大电路
1. 最大漏极电流IDM
场效应管正常工作时漏极电流的上限值。
2. 最大耗散功率PDM
由场效应管允许的温升决定。
3. 最大漏源电压V(BR)DS 当漏极电流ID 急剧上升产生雪崩击穿时的vDS值。
4. 最大栅源电压V(BR)GS
是指栅源间反向电流开始急剧上升时的vGS值。
5.2 MOSFET放大电路
场效应管是电压控制器件，改变栅源电压vGS的大小，就可以控制漏极 电流iD，因此，场效应管和BJT一样能实现信号的控制用场效应管也 可以组成放大电路。
场效应管放大电路也有三种组态，即共源极、共栅极和共漏极电路。
由于场效应管具有输入阻抗高等特点，其电路的某些性能指标优于三极 管放大电路。最后我们可以通过比较来总结如何根据需要来选择BJT还
vGS＜0沟道变窄，在vDS作用下，iD 减小。vGS=VP(夹断电压，截止电 压）时，iD=0 。
可以在正或负的栅源电压下工作，
基本无栅流。
2.特性曲线与特性方程
在可变电阻区 iD
Kn
2vGS
VP vDS
v
2 DS
在饱和区iD
I DSS 1
vGS VP
2
I DSS KnVP2称为饱和漏极电流
4. 直流输入电阻RGS
输入电阻很高。一般在107以上。
二、交流参数
1. 低频互导gm 用以描述栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用。
gm
iD vGS
VDS 常数
2. 输出电阻 rds 说明VDS对ID的影响。
rds
vDS iD
VGS 常数
3. 极间电容
极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。
三、极限参数
D iD = 0
场效应管正常工作时漏极电流的上限值。
2. 最大耗散功率PDM
由场效应管允许的温升决定。
3. 最大漏源电压V(BR)DS 当漏极电流ID 急剧上升产生雪崩击穿时的vDS值。
4. 最大栅源电压V(BR)GS
是指栅源间反向电流开始急剧上升时的vGS值。
5.2 MOSFET放大电路
场效应管是电压控制器件，改变栅源电压vGS的大小，就可以控制漏极 电流iD，因此，场效应管和BJT一样能实现信号的控制用场效应管也 可以组成放大电路。
场效应管放大电路也有三种组态，即共源极、共栅极和共漏极电路。
由于场效应管具有输入阻抗高等特点，其电路的某些性能指标优于三极 管放大电路。最后我们可以通过比较来总结如何根据需要来选择BJT还
vGS＜0沟道变窄，在vDS作用下，iD 减小。vGS=VP(夹断电压，截止电 压）时，iD=0 。
可以在正或负的栅源电压下工作，
基本无栅流。
2.特性曲线与特性方程
在可变电阻区 iD
Kn
2vGS
VP vDS
v
2 DS
在饱和区iD
I DSS 1
vGS VP
2
I DSS KnVP2称为饱和漏极电流
4. 直流输入电阻RGS
输入电阻很高。一般在107以上。
二、交流参数
1. 低频互导gm 用以描述栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用。
gm
iD vGS
VDS 常数
2. 输出电阻 rds 说明VDS对ID的影响。
rds
vDS iD
VGS 常数
3. 极间电容
极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。
三、极限参数
D iD = 0
场效应晶体管的工作原理
正常工作时,漏极接电源正极,源极接电源负极,栅极接偏置电源的负极。
由于栅极与P 区相连,所以,两个PN结都加上了反向电压,只有极微小电流流出栅极。由于漏极和源极都和N区相连,漏、源极之间加正向电压之后,在栅极电压负值不大时,源极之间有漏极电流,D流过,它是由N区中多数载流子(电子)形成的。
当PN结施加反向电压时(P接负极,N接正极),耗尽区就会向半导体内部扩展,使耗尽变宽,使耗尽区里的空间电荷增多。这种扩展,如果N区杂质浓度高于P区,主要在P区进行晶体管的工作原理如图73所示。它是在一块低掺杂的N型区两边扩散两个高掺杂的P型区,形成两个PN结,一般情况下N区比较薄。N区两端的两个电极分别叫做漏极(用字母D表示)和源极(用字母S表示),P 区引出的电极叫做栅极(用字母G表示)。
场效应晶体管的工作原理
场效应晶体管是受电场控制的半导体器件,而普通晶体管的工作是受电流控制的。场效应晶体管主要有结型场效应晶体管和金属氧化物半导体场效应晶体管(通常称MOS型)两种类型。两种管子工作原理不同,但特性相似。
1.结型场效应晶体管的工作原理
与普通结型晶体管一样,结型场效应晶体管的基本结构也是PN结。N型半导体与P型半导体形成PN结时,N区电子很多,空穴很少,而P区空穴很多,电子很少,因此在PN结交界处,N区电子跑向P区,P区空穴跑向N区。这样,在N区留下的是带正电的施主离子,在P区留下的是带负电的受主离子。这一区域内再也没有自由电子或空穴了,故称为“耗尽区”或“耗尽层”,又称空间电荷区
更多电子元件资料
由于P N结的耗尽区大部分在N区,当加上反向电压时,耗尽区主要向N区扩展。电压愈高,两个耗尽区之间电流可以通过的通道(常称为沟道)就愈窄,所以加在栅极与源极之间的负电压越大,两个耗尽区变得越厚,夹在中间的沟道就越薄,从而使沟道的电阻增大,漏电流ID减小;反之ID增大。漏极电流ID的大小会随栅、源之间的电压UGS大小而变,也就是说,栅、源电压US能控制漏电流ID,这就是结型场效晶体管的工作原理。需要着重指出的是,它是用电压来控制管子工作的。前面讲的是两个P 区夹着一个薄的N区形成的结型场效应晶体管,称为N沟道结型场效应晶体管。同样,用两个矿区夹着一个薄的P区就形成P沟道结型场效应晶体管,但是它的正常电压与N区沟道管子相反。
由于栅极与P 区相连,所以,两个PN结都加上了反向电压,只有极微小电流流出栅极。由于漏极和源极都和N区相连,漏、源极之间加正向电压之后,在栅极电压负值不大时,源极之间有漏极电流,D流过,它是由N区中多数载流子(电子)形成的。
当PN结施加反向电压时(P接负极,N接正极),耗尽区就会向半导体内部扩展,使耗尽变宽,使耗尽区里的空间电荷增多。这种扩展,如果N区杂质浓度高于P区,主要在P区进行晶体管的工作原理如图73所示。它是在一块低掺杂的N型区两边扩散两个高掺杂的P型区,形成两个PN结,一般情况下N区比较薄。N区两端的两个电极分别叫做漏极(用字母D表示)和源极(用字母S表示),P 区引出的电极叫做栅极(用字母G表示)。
场效应晶体管的工作原理
场效应晶体管是受电场控制的半导体器件,而普通晶体管的工作是受电流控制的。场效应晶体管主要有结型场效应晶体管和金属氧化物半导体场效应晶体管(通常称MOS型)两种类型。两种管子工作原理不同,但特性相似。
1.结型场效应晶体管的工作原理
与普通结型晶体管一样,结型场效应晶体管的基本结构也是PN结。N型半导体与P型半导体形成PN结时,N区电子很多,空穴很少,而P区空穴很多,电子很少,因此在PN结交界处,N区电子跑向P区,P区空穴跑向N区。这样,在N区留下的是带正电的施主离子,在P区留下的是带负电的受主离子。这一区域内再也没有自由电子或空穴了,故称为“耗尽区”或“耗尽层”,又称空间电荷区
更多电子元件资料
由于P N结的耗尽区大部分在N区,当加上反向电压时,耗尽区主要向N区扩展。电压愈高,两个耗尽区之间电流可以通过的通道(常称为沟道)就愈窄,所以加在栅极与源极之间的负电压越大,两个耗尽区变得越厚,夹在中间的沟道就越薄,从而使沟道的电阻增大,漏电流ID减小;反之ID增大。漏极电流ID的大小会随栅、源之间的电压UGS大小而变,也就是说,栅、源电压US能控制漏电流ID,这就是结型场效晶体管的工作原理。需要着重指出的是,它是用电压来控制管子工作的。前面讲的是两个P 区夹着一个薄的N区形成的结型场效应晶体管,称为N沟道结型场效应晶体管。同样,用两个矿区夹着一个薄的P区就形成P沟道结型场效应晶体管,但是它的正常电压与N区沟道管子相反。
第五章 MOS场效应管的特性
1 1 C C C Si ox
1
+
N+ N+ N+
G N+ N+
以SiO2为介质的电容器—Cox 以耗尽层为介质的电容器—CSi
MOS管的电容
MOS电容—束缚电荷层厚度
耗尽层电容的计算方法同 PN 结的耗尽层电容的计算 方法相同，利用泊松方程
2
1
Si
Q qNAWL X p WL 2 Si qNA
CD = Cdb + 0 + Cdb
1 W 2 I ds Vgs VT 2 tox L L
MOS管的电容
深亚微米CMOS IC工艺的寄生电容
21 40 86 9 15 48 36 14
Metal3 Metal2 Metal1
29 38 39 62 46
在耗尽层中束缚电荷的总量为
2 Si Q qNA X pWL qN AWL WL 2 Si qNA q NA
是耗尽层两侧电位差的函数，耗尽层电容为
dQ 1 CSi WL 2 Si qNA dv 2
1 2
Si qNA WL 2
是一个非线性电容，随电位差的增大而减小。
这时，栅极电压所感应的电荷Q为，
Q=CVge 式中Vge是栅极有效控制电压。
MOS管特性
电荷在沟道中的渡越时间
非饱和时（沟道未夹断），在漏源电压Vds作用 下，这些电荷Q将在时间内通过沟道，因此有
L L2 Eds Vds L
为载流子速度，Eds= Vds/L为漏到源方向电场强度，Vds为漏 到源电压。 为载流子迁移率： n n µ n = 650 cm2/(V.s) 电子迁移率(NMOS) µ p = 240 cm2/(V.s) 空穴迁移率(PMOS)
半导体器件物理第五章--JFET和MESFET
图5-5JFET 的转移特性
2010-1-5 科学出版社 高等教育出版中心 25
5.3
小结 夹断曲线为：
静态特性
1.JFET的I－V特性分成线性区和饱和区。两区域由夹断曲线分开。
VD = Vp 0 −ψ 0 + VG
（5-3-3）
(5-3-3)与公式 VD − VG = VP [（5-2-2）]是一致的。 2.线性区条件可以取为 VD 3.线性区I－V特性：
沟道夹断与夹断电压：
在夹断点，令（5-2-1）式中 W = a 以及 V − VG = VP ，可求得夹断电压：
qa 2 N d VP +ψ 0 = = VP 0 2ε
（5-2-3）
式中 VP 为夹断电压。常称 VP 0为内夹断电压。由式（5-2-3）可见，夹断电压仅由 器件的材料参数和结构参数决定，是器件的固有参数。
2010-1-5
科学出版社 高等教育出版中心
9
5.2 理想JFET的I-V特性
• 理想的JFET基本假设及其意义
1) 单边突变结：SCR在轻掺杂一侧 2) 沟道内杂质分布均匀：无内建电场，载流子分布均匀，无扩散运动。 3) 沟道内载流子迁移率为常数； 4) 忽略有源区以外源、漏区以及接触上的电压降，于是沟道长度为L； 5) 缓变沟道近似，即空间电荷区内电场沿y方向，而中性沟道内的电场只有X方 向上的分量：二维问题化为一维问题。 6) 长沟道近似：L>2（2a），于是W沿着L改变很小，看作是矩形沟道。
（5-3-3）
可见，夹断电压由栅电压和漏电压共同确定。对于不同的栅电压来说，为 达到夹断条件所需要的漏电压是不同的。 在图5-4 a中把（5-3-3）式绘成曲线，称为夹断曲线。超出夹断曲线的电流— 电压特性称为饱和区，这是由于漏极电流是饱和的。 把（5-3-3）式代入（5-2-5）式，导出饱和漏极电流 I DS ：
射频金属氧化物半导体场效应晶体管
射频金属氧化物半导体场效应晶体管
射频金属氧化物半导体场效应晶体管（Radio Frequency Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor，简称RF MOSFET）是一种用于射频和微波频段的电子器件。
其核心是金属-氧化物-半导体（MOS）结构，由金属、氧化物和半导体三个主要部分组成。
在结构上，RF MOSFET以一个金属-氧化物-半导体的电容为核心，其中氧化层的材料多半是二氧化硅，其下是作为基极的硅，而其上则是作为栅极的多晶硅。
这种结构相当于一个电容器，其中氧化层作为电容器中介电质，电容值由氧化层的厚度与二氧化硅的介电系数来决定。
当一个电压施加在MOS电容的两端时，半导体的电荷分布也会跟着改变。
相反，当一个正的电压V施加在栅极与基极端时，空穴的浓度会减少（称为耗尽），电子的浓度会增加。
在p-type半导体中，电子浓度（带负电荷）超过空穴（带正电荷）浓度的区域，便是所谓的反转层（inversion layer）。
RF MOSFET的应用非常广泛，包括但不限于通信、雷达、导航、广播、遥控、电子对抗等领域。
由于其具有高频性能好、噪声系数低、功耗低、可靠性高等优点，因此在现代电子系统中具有不可替代的作用。
场效应晶体管的结构工作原理和输出特性
场效应晶体管的结构工作原理和输出特性场效应晶体管（Field Effect Transistor，缩写为FET）是一种用于放大和开关电路的电子元件。
它具有高输入阻抗、低输出阻抗和较高的增益，使其在电子设备和通信系统中得以广泛应用。
本文将详细介绍场效应晶体管的结构、工作原理和输出特性。
一、场效应晶体管的结构1. MOSFET：MOSFET是栅极金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）的简称。
它由一个由绝缘层隔开的金属栅极、半导体材料（通常为硅）和源/漏极组成。
栅极与绝缘层之间的绝缘层可以是氧化硅（SiO2）或氮化硅（Si3N4）。
MOSFET根据绝缘层材料和极性的不同，可分为N沟道（NMOS）和P沟道（PMOS）两种类型。
2. JFET：JFET是结型场效应晶体管（Junction Field-Effect Transistor）的简称。
它由一个P型或N型半导体形成的结和源/漏极组成。
P型JFET的源极和漏极为P型半导体，N型JFET的源极和漏极则为N型半导体。
JFET有两种常见的结构类型：沟道型和增强型，分别以n-沟道和p-沟道为特征。
二、场效应晶体管的工作原理1.MOSFET工作原理：(1) NMOS：当栅极电压为正，使NMOS栅极与源极之间的管道有效导通，称为“开通”（On）状态。
栅极电势改变PN结的反向电场，使电子进入N沟道并导致漏极电流增加。
当栅极电压为零或负值时，NMOS处于截止（Off）状态，电子无法流动，漏极电流接近于零。
(2)PMOS：当栅极电压为负值，使PMOS栅极与源极之间的管道导通，称为“开通”状态。
栅极电势改变PN结的反向电场，使空穴进入P沟道并导致漏极电流增加。
当栅极电压为零或正值时，PMOS处于截止状态，空穴无法流动，漏极电流接近于零。
2.JFET工作原理：(1)沟道型JFET：沟道型JFET的栅极电势改变了PN结的反向电场，调节了P沟道中的电子浓度。
第五章 JFET和MESFET的基本结构与工作原理
异质结MESFET的主要优点是工 作速度快。
2、HEMT(electron mobility)
称为高电子迁移率晶体管，是另一种类型的异质结MESFET。典型的器件：在不掺 杂的GaAs衬底(i-GaAs)上，用外延技术生长一层薄的宽禁带的 AlxGa1-xAs薄层(iAlxGa1-xAs)，在i-AlxGa1-xAs层上再生长一层N+-AlxGa1-xAs。AlxGa1-xAs通常称为控制层， 和金属栅极形成肖特基势垒，和GaAs层形成异质结。通过对栅极加正偏压，可以 将电子引入异质结界面的GaAs层中。
1、基本结构
（肖特基势垒场效应晶体管）
半导体材料多选用GaAs。在半绝缘GaAs衬底上外延一层N-GaAs，以减小寄生电阻。 肖特基势垒是和源、漏两极的欧姆接触一起用蒸发的方法在N型外延层顶面上形成 的。金属-半导体接触工艺允许MESFET的沟道做得更短，从而有利于提高器件的开 关速度和工作频率。
MESFET结构示意图
双扩散工艺JFET
2、工作过程
（忽略接触电阻和体电阻）
在x=0处，栅PN结两边的电压为零，在x=L处，整个电压VD都加在PN结上。当电流 从漏极沿沟道流向源极时，由于沟道电阻的存在，会在整个沟道产生电位降。使
得在漏端空间电荷区向沟道内扩展得更深些。
PN结反偏
当电压VD增加时，沟道得狭口变得更窄，沟道电阻进一步增大。随着漏端电压得 增加，将会在x=L处的空间电荷区连通，且在连通区域内的自由载流子全部耗尽， 即发生沟道夹断。
正向偏压 控制层 2DEG
5.1
Physics of Semiconductor Devices
结型场效应晶体管 金属-半导体效应晶体管
Outline
金属-氧化物-半导体场效应晶体管
金属-氧化物-半导体场效应晶体管1. 什么是MOSFET？大家好，今天咱们来聊聊一个看起来非常高深，但其实一点也不难懂的电子器件——MOSFET，全名是“金属氧化物半导体场效应晶体管”。
别被这长长的名字吓到，其实它就是电子世界里的一位超级明星。
想象一下，你家里的电视、手机、电脑，甚至是你那台小巧的计算器，里边都有它的身影。
它就像是电子设备里的“开关”，负责控制电流的流动。
2. MOSFET的基本构造2.1 金属氧化物半导体的组合MOSFET的名字里其实包含了三部分：金属（Metal）、氧化物（Oxide）和半导体（Semiconductor）。
在这里，“金属”指的是用来制造电极的材料，一般是铝或者多晶硅；“氧化物”则是隔离层，通常是二氧化硅；而“半导体”就是那主角了，它负责传导电流的部分，通常是硅。
2.2 如何工作MOSFET的工作原理其实有点像我们平时开的水龙头。
你把水龙头开得越大，水流就越多；同样地，在MOSFET里，电流的流动也可以通过一个控制信号来调节。
这个控制信号就像是你拧水龙头的手势。
具体来说，当你给MOSFET的栅极（Gate）施加一个电压时，它会控制源极（Source）和漏极（Drain）之间的电流流动。
3. MOSFET的应用3.1 在电子设备中的作用要说MOSFET的应用，那真是广泛得让人惊叹。
它几乎无处不在，比如说你电脑的处理器里，每一个小小的MOSFET都在拼命工作，为你提供快速的运算能力。
在手机里，MOSFET们也在默默地帮你完成各种操作，从拨打电话到发朋友圈，几乎每一件事情都离不开它们的支持。
3.2 能效与节能此外，MOSFET还在节能方面大显身手。
现代的MOSFET设计得非常高效，能够在低功耗的情况下实现高速开关。
这一点在电源管理中尤为重要。
试想一下，如果没有MOSFET，我们的手机电池可真是要时刻充电才行，真是“电量宝贵如命”！4. 如何选择合适的MOSFET4.1 不同类型的MOSFET在选择MOSFET时，首先要考虑的是你需要哪种类型的MOSFET。
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。
第五章 JFET和MESFET的基本结构与工作原理
.
正向偏压 控制层
2DEG
Physics of Semiconductor Devices
2DEG：指电子（或空穴）被限制在平行于界面的平面内自由运动， 而在垂直于界面的方向上受到限制。
.
Physics of Semiconductor Devices
AlGaAs层的厚度和掺杂浓度决定器件的阈值电压，正常情况 下使之完全耗尽。 1、如果AlGaAs层较厚或掺杂浓度较高，则在栅压VG=0时，异 质结界面处的GaAs表面的电子势阱内已有电子存在，MESFET 是耗尽型。 2、如果AlGaAs层较薄或掺杂浓度较低，栅压VG=0时耗尽层伸 展到GaAs内部，势阱内没有电子，器件是增强型的。
分析假设：
② 沟道内杂质分布均匀。
③ 沟道内载流子迁移率为常数。
④ 忽略有源区以外源、漏区以及接触上的电压降，于是沟
道长度为L。
⑤ ⑤ 缓变沟道近似，即空间电荷区内电场沿y方向，而中
性沟道内的电场只有x分量。
⑥ ⑥ 长沟道近似：L>2(2a)，于是W沿着L改变很小，可看
作矩形沟道。
.
良好的欧姆接触
PN结反偏
.
Physics of Semiconductor Devices
当电压VD增加时，沟道得狭口变得更窄，沟道电阻进一步增 大。随着漏端电压得增加，将会在x=L处的空间电荷区连通， 且在连通区域内的自由载流子全部耗尽，即发生沟道夹断。
沟道夹断
.
Physics of Semiconductor Devices
5.1
Physics of Semiconductor Devices
结型场效应晶体管 金属-半导体效应晶体管
.
Outline
正向偏压 控制层
2DEG
Physics of Semiconductor Devices
2DEG：指电子（或空穴）被限制在平行于界面的平面内自由运动， 而在垂直于界面的方向上受到限制。
.
Physics of Semiconductor Devices
AlGaAs层的厚度和掺杂浓度决定器件的阈值电压，正常情况 下使之完全耗尽。 1、如果AlGaAs层较厚或掺杂浓度较高，则在栅压VG=0时，异 质结界面处的GaAs表面的电子势阱内已有电子存在，MESFET 是耗尽型。 2、如果AlGaAs层较薄或掺杂浓度较低，栅压VG=0时耗尽层伸 展到GaAs内部，势阱内没有电子，器件是增强型的。
分析假设：
② 沟道内杂质分布均匀。
③ 沟道内载流子迁移率为常数。
④ 忽略有源区以外源、漏区以及接触上的电压降，于是沟
道长度为L。
⑤ ⑤ 缓变沟道近似，即空间电荷区内电场沿y方向，而中
性沟道内的电场只有x分量。
⑥ ⑥ 长沟道近似：L>2(2a)，于是W沿着L改变很小，可看
作矩形沟道。
.
良好的欧姆接触
PN结反偏
.
Physics of Semiconductor Devices
当电压VD增加时，沟道得狭口变得更窄，沟道电阻进一步增 大。随着漏端电压得增加，将会在x=L处的空间电荷区连通， 且在连通区域内的自由载流子全部耗尽，即发生沟道夹断。
沟道夹断
.
Physics of Semiconductor Devices
5.1
Physics of Semiconductor Devices
结型场效应晶体管 金属-半导体效应晶体管
.
Outline
半导体物理 第五章 JFET 图文
5.1 JFET的基本结构和工作原理
三、JFET的基本工作原理：
SG
D
SG
D
栅极PN结反偏
SCR向沟道内部扩展
沟道截面积变小，电导变小。
可见：源漏之间流过的电流受栅极电压调制，这种通过表面电 场调制半导体电导的效应，称为场效应。
5.1 JFET的基本结构和工作原理
三、JFET的基本工作原理：
VG= 0的JFET特性
个欧姆结之间的电流控制。
二、JFET的特点：
属于单极器件。即只由多数载流子承担电流的输运。
三、MESFET与JFET的区别与联系：
将JFET的PN结用MS结代替作为栅结，就构成MESFET。 二者的工作原理基本相同。
5.1 JFET的基本结构和工作原理
一、JFET的基本结构：
S
G
D
SG
D
外延—扩散工艺
5.8 JFET 和 MESFET的类型
一、四种类型：
1. N沟道耗尽型： VG= 0时，有沟道； VG< 0 , VD> 0 时，沟道夹断。
2. P沟道耗尽型： VG= 0时，有沟道； VG > 0 , VD< 0 时，沟道夹断。
3. N沟道增强型： VG= 0时，无沟道； VG > 0 , VD< 0 时， 沟道形成。
5.1 JFET的基本结构和工作原理
三、JFET的基本工作原理：
VG= 0的JFET特性
SG
D
SG
D
VD< VP
VD= VP
6.如果忽略沟道长度调制效应，沟道夹断后，漏极电流将不再增加而处于饱和
状态。漏电压，VDS； 7.沟道夹断后的漏极电流称为饱和漏电流， IDS 。
第五章金属半导体场效应晶体管
VD
ID 沟道未夹断前：线性区 I
P
D sat
VD VD sat
0
夹断
(b) VG 0且为夹断时
化合物半导体器件
V
G
D
VG 0
3)
a I VG 0 W a D VD 0 I D 输出特性：①VGS=0,VDS>0; 0 VD VD 0 0 线性 VG 0 (a ) VG V D0且小的VD ID ID a VG W 0 VD 0 ID I D sat P 0 VD I D sat P VG 0 夹断 VD VD sat I D (b) VG 0 夹断 ID VD VD sat (b) VG 0且 P sat 0 V D VD sat 夹断 0 VD VD sat VD VD sat (b) VG 0且为夹断时 VG 0 ID VG 沟道刚被夹断：饱和电压 0 V 0 VD Dsat VDIsat I D sat D VG 0 I (c) VG 0 I D D sat (V (c) VG 0且为 D VD V ID 饱和 D sat sat (VD VD P VD VD sat 且为夹断后 c ( ) V 0 饱和 G 0 VD ) P (VD V V Dsat D sat V V VG 1V D D sat 0 饱和 V D P VD sat VG 1V 0 I D VD VD sat VG 0 I D sat I D VG 0 IID 沟道夹断后：饱和区 D sat V 0 (d ) VG G VG 1 V I D sat0 VD 化合物半导体器件 (d ) VG 1且 V 1 V G (d ) V 1且小的V V 0
0
VG 1V VG 1V
ID 沟道未夹断前：线性区 I
P
D sat
VD VD sat
0
夹断
(b) VG 0且为夹断时
化合物半导体器件
V
G
D
VG 0
3)
a I VG 0 W a D VD 0 I D 输出特性：①VGS=0,VDS>0; 0 VD VD 0 0 线性 VG 0 (a ) VG V D0且小的VD ID ID a VG W 0 VD 0 ID I D sat P 0 VD I D sat P VG 0 夹断 VD VD sat I D (b) VG 0 夹断 ID VD VD sat (b) VG 0且 P sat 0 V D VD sat 夹断 0 VD VD sat VD VD sat (b) VG 0且为夹断时 VG 0 ID VG 沟道刚被夹断：饱和电压 0 V 0 VD Dsat VDIsat I D sat D VG 0 I (c) VG 0 I D D sat (V (c) VG 0且为 D VD V ID 饱和 D sat sat (VD VD P VD VD sat 且为夹断后 c ( ) V 0 饱和 G 0 VD ) P (VD V V Dsat D sat V V VG 1V D D sat 0 饱和 V D P VD sat VG 1V 0 I D VD VD sat VG 0 I D sat I D VG 0 IID 沟道夹断后：饱和区 D sat V 0 (d ) VG G VG 1 V I D sat0 VD 化合物半导体器件 (d ) VG 1且 V 1 V G (d ) V 1且小的V V 0
0
VG 1V VG 1V
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5.1 金属半导体肖特基接触 5.1.2 基本模型-整流理论
1) 外加电压
以金属/n型半导体接触为例，且Wm>Ws
图5.5 外加偏压时肖特基接触的能带图（a）正向偏压，（b）反向偏压
化合物半导体器件
5.1 金属半导体肖特基接触
2) 电流模型
①扩散模式：适于厚的阻挡层(XD>>ln) ②热电子发射模式： 适于轻掺杂、薄阻挡 层(ln >>XD) 隧道效应：（引起 势垒高度降低） 镜像力效应：（势 垒顶向内移动，使 势垒降低）
Why HEMT?
化合物半导体器件
5.3 HEMT
5.3.1 基本结构-调制掺杂结构
1) 衬底 2) 缓冲层 3) 高阻掺杂层 4) 台面腐蚀 5) 淀积金属
化合物半导体器件
5.3 HEMT
5.3.2 器件工作原理
1) n+AlxGa1-xAs 2) i-GaAs 3) 源、漏两端加电压
化合物半导体器件
ID
dx
V ( y) dy
VD
0 源极
y y dy (b) 沿着沟道的漏极电压变化
L 漏极
y
图 6. 12
化合物半导体器件
5.2 MESFET
5.2.3 电流-电压特性
④ 沟道电导 ⑤ 饱和电流 2）直流参数
n 半绝缘衬底
VS
VG
VD
VS
VG
VD
n 半绝缘衬底
①夹断电压
②饱和电压 ③ 最大饱和漏极电流 ④最小沟道电阻 3）交流参数 ①跨导②漏导
化合物半导体器件
第五章
金属半导体场效应晶体管
• 金属半导体肖特基接触 • MESFET • HEMT
化合物半导体器件
5.3 HEMT
• HEMT:high electron mobility (field effect) transistor • 2-DEGFET/TEGFET(two-dimensional electron gas field effect transistor) • MODFET:modulation-doped field effect transistor
P
VG 1V VG 1V
P
0
饱和 饱和
0 VD sat VD sat ID I D VG 0 VG 0
(c) VG 0且为夹断后 (c)(V 0且为夹断后 G V D VDsat ) (VD VDsat )
VD VD
I D sat I D sat VD 0 VD 0
5.2 MESFET
5.2.4 负阻效应
电子从Г能谷跃迁到L能谷，μn下降。
GaAs、InP和Si材料中载流子的速场关系
化合物半导体器件
5.2 MESFET 5.2.5 高频特性
高频小信号分析的方法 实验分析：测S参数
解析模型：从载流子输运机理出发，在器件工艺和结构 基础上，进行合理的数学描述。
化合物半导体器件
Compound Semiconductor Devices
微电子学院
戴显英
2011.6
化合物半导体器件
第五章
化合物半导体场效应晶体管
• 金属半导体肖特基接触 • MESFET • HEMT
化合物半导体器件
场效应晶体管
场效应晶体管（Field Effect Transistor, 缩写为FET）是一种电 压控制器件，其导电过程主要涉及一种载流子，也称为 “单极”晶体管
5.2 MESFET 5.2.6 MESFET器件结构举例
大部分的MESFET是用n型Ⅲ-Ⅴ化合物半导体制成： 具有高的μn和较高的饱和速度，故fT很高。 1) 结构演变 ①最初形式：有源层直接在半绝缘（SI）衬底上 器件特性：噪声特性差 原因：衬底上缺陷的影响 ②演变Ⅰ：在衬底与有源层间加一不掺杂的缓冲层 目的：减小衬底缺陷的影响 器件性能：噪声及增益较①有所改善 ③演变Ⅱ：在源、漏金属电极与有源层间插入一n+层 目的：减小串联电阻RS、RD ④演变Ⅲ：凹槽结构 作用：降低漏端的电场 化合物半导体器件 目的：提供BVDS，增加p0
5) 增强型MESFET:未加栅压（VGS=0）时，沟道就已夹断
化合物半导体器件
5.2 MESFET
5.2.3 电流-电压特性
1) 直流I-V特性 肖克莱缓变沟道近似模型
VG
① dy两端的电压降
② 耗尽层宽度
③ 电流-电压关系式
a 源极
W1
W ( y)
y W2
漏极 宽度
n型
VD
(a) 沟道区的放大图
数值模型：采用有限元或有限迭代方法，求解泊松方程 和电流连续性方程
化合物半导体器件
5.2 MESFET 5.2.5 高频特性
等效电路：电路的端特性与器件的外部特性是等效的
1) 特征频率fT：β=1时的工作频率 2) 最高振荡频率fmax：共源功率增益为1时的频率 3) 影响频率特性的因素
化合物半导体器件
0
VG 1V VG 1V
(d ) VG 1且小的VD (d ) VG 1且小的VD
VD VD
V sat 0 D VD sat
图 6. 11 在不同偏压下， 耗尽区宽度变化与输出特性 MESFET 4) 转移特性： VDS一定时， ID随V 图 6. 11 在不同偏压下， 耗尽区宽度变化与输出特性 MESFET GS的变化规律-跨导gm
W
5.2 IMESFET
D
ID
线性 线性
(a ) VG 0 (a ) VG 0且
0
VG 0 VG 0
5.2 MESFET ID
I D sat I D sat
ID VD VD sat
0 VD sat VD sat
VD VD
3) 输出特性：②VGS=-1,V >0; VD VDS D sat
化合物半导体器件
5.2 MESFET 5.2.6 MESFET器件结构举例
3) 异质结MESFET ②具有界面反型的异质结MESFET a.窄禁带材料-GaAs:做在SI衬底上； b.Schotty结：做在宽禁带的n+AlxGa1-xAs上； c.反型层的形成：在异质结界面处的p-GaAs表面（通过调 节x、NA 、ND ） d.器件特性：有较高的gm和工作速度 4）GaAs材料的优点（与Si相比） ①μn约高5倍； ②vp(峰值速度）是Si饱和速度的2倍； ③半绝缘衬底：漏电小； ④良好的欧姆接触。
0
ID
VG 0.0V VG 0.1V VG 0.2V VG 0.3V VG 0.4V ID VD
0
ID
VG 0.4V VG 0.3V VG 0.2V VG 0.1V VD ID
0 VT (a) 耗尽型MESFET
VG
0
VG (b) 增强型MESFET
化合物半导体器件
场效应晶体管
结型场效 应晶体管 （JFET）
金属－半导体 场效应晶体管 （MESFET）
MOS 场效应 晶体管 （MOSFET）
化合物半导体器件
场效应晶体管的分类
化合物半导体器件
5.1 金属半导体肖特基接触
5.1.1 能带结构
以金属/n型半导体接触为例，假定Φm(Wm)> Φs(Ws)
1) 势垒高度
5.3 HEMT
5.3.3 器件的结构参数设计
以耗尽型为例 1) n+AlxGa1-xAs层 2) i-GaAs层 3) i-AlxGa1-xAs层 4) n+ -GaAs层
5.3.4 改进的HEMT结构 5.3.5 提高2DEG浓度的途径
1) 缓变组分n+AlxGa1-xAs层 2) 超晶格有源层 3) 超晶格缓冲层 1) 多沟道HEMT 2) ΔEC尽可能大的异质结
VD
ID 沟道未夹断前：线性区 I
P
D sat
VD VD sat
0
夹断
(b) VG 0且为夹断时
化合物半导体器件
V
G
D
VG 0
3)
a I VG 0 W a D VD 0 I D 输出特性：①VGS=0,VDS>0; 0 VD VD 0 0 线性 VG 0 (a ) VG V D0且小的VD ID ID a VG W 0 VD 0 ID I D sat P 0 VD I D sat P VG 0 夹断 VD VD sat I D (b) VG 0 夹断 ID VD VD sat (b) VG 0且 P sat 0 V D VD sat 夹断 0 VD VD sat VD VD sat (b) VG 0且为夹断时 VG 0 ID VG 沟道刚被夹断：饱和电压 0 V 0 VD Dsat VDIsat I D sat D VG 0 I (c) VG 0 I D D sat (V (c) VG 0且为 D VD V ID 饱和 D sat sat (VD VD P VD VD sat 且为夹断后 c ( ) V 0 饱和 G 0 VD ) P (VD V V Dsat D sat V V VG 1V D D sat 0 饱和 V D P VD sat VG 1V 0 I D VD VD sat VG 0 I D sat I D VG 0 IID 沟道夹断后：饱和区 D sat V 0 (d ) VG G VG 1 V I D sat0 VD 化合物半导体器件 (d ) VG 1且 V 1 V G (d ) V 1且小的V V 0
图5.6 载流子通过肖特基势垒的输运过程 1、电子从半导体出发，越过势垒顶部热发射到金属中； 2、电子穿过势垒的量子隧穿效应； 3、在空间电荷区的复合；4、空穴从金属注入半导体，等效于半导体中性区的载流子的复接触 5.1.3 肖特基二极管