微电子元器件第六章场效应晶体管.ppt

第六章场效应晶体管,场效应：半导体的电导被垂直于半导体表面的电场调制的效应叫做场效应单极型晶体管：只有一种载流子参与导电过程的半导体器件。场效应晶体管可分为：1、结型场效应晶体管（JFET）；2、金属一半导体场效应晶体管(MESFET)；3、金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(MISFET)。,6.1场效应晶体管的工作原理,场效应管（英缩写FET）是电压控制器件，它利用输入电压来控制输出电流的变化。具有输入阻抗高噪声低，动态范围大，温度系数低等优点，因而广泛应用于各种电子线路中。,由实验测得电压和电流的对应关系，可得器件的I-V特性曲线。该电路的电压回路方程可写为：,负载线与特性曲线交点对应的电流ID电压VD即为器件在这种偏置条件下的稳态电流和电压。,晶体管的负载线,器件的工作状态受到了VG的控制。比如，在该例中，VG=0.5V时，器件两端的直流电压和通过负载的直流电流分别是VD=5V和ID=10mA。不管VG是多大，通过负载的电流和器件两端的电压总是在负载线上变化。,为器件增加一控制电极VG，VG增大时，通过器件的电流增大。VG不同，对应IdVD 特性曲线不同，由此可得到一簇IdVD 特性曲线。,6.1.2 放大和开关作用,电压控制的放大作用：VG上叠加一交流分量，如VG围绕直流分量变化0.25V,VD变化2 V,交流电压放大倍数为2/0.25=8;开关作用：VG适当变化，电流在iD=0点和iD=E/R之间切换，类似于一个开关。,6.2 结型场效应晶体管（JFET）,图6-3-0 由两种工艺制成的 沟道JFET（a）外延扩散工艺（b）双扩散工艺,源极SourceS 漏极DrainD 栅极GateG：上栅、下栅,JFET的基本结构,n,P+,P+,如图6.3所示的器件中，电子的流向从左向右。电子离开的一端为源极,电子流向的一端为漏极P+区为栅极。,P+,n,P+,图6-0-1 的JFET：（a），（b）=，（c）理想的漏极特性,夹断和饱和-工作原理,在小电流情况下，耗尽区的宽度也近似等于平衡态耗尽区的宽度，如图6-4a所示。当VD增大引起电流增大时，漏端电势高于源端电势，且栅-沟结处于反偏状态；反偏压从漏端的VD降低到源端的0。由此可以判断VG=0V时沟道耗尽区的形状是如图6-4b所示的形状，即漏端附近的耗尽区深入到了沟道之中，沟道的有效面积减小。当VD和ID继续增大时，漏端附近的耗尽区扩展到沟道中心线附近，使沟道电阻进一步增大。当VD增大到一定程度时，耗尽区在沟道中心线上相遇，此时沟道被夹断了，如图6-4c所示。沟道夹断后，电流ID不再随VD的增大而显著增大，而是基本保持在夹断时的水平，即电流饱和。,图6-4 JFET的沟道耗尽区和电流随漏偏压VD变化情况(VG=0V)(a)线性变化区；(b)接近于夹断的情形：(c)夹断后的情形,6.2.2 栅的控制作用,若在栅极上施加负偏压，即VG0，那么即使漏极偏压很小，沟道也很容易被夹断。负栅偏压使耗尽区的宽度增大，从而使沟道的宽度减小；在较小的漏极偏压下，沟道漏端将首先被夹断。栅压越负，将沟道夹断所需的漏极偏压就越小；同时，饱和电流也比VG=0V时的饱和电流减小了，如图6.5b所示。显然，在不同的栅偏压下，可得到一簇，I-V曲线。,夹断后的漏电流如即饱和电流的大小取决于栅偏压VG的大小。若在栅极上施加交流信号，则漏电流的变化就反映了JFET对交流信号的放大作用。由于栅偏压总是作用在反偏的栅-沟结上，所以JFET的输入阻抗很高。,6.2.3 JFET的I-V特性,理想的JFET基本假设及其意义 单边突变结：SCR在轻掺杂一侧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。沟道内载流子迁移率为常数；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；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。长沟道近似：L2（2a），于是W沿着L改变很小，看作是矩形沟道。,6.2.3 JFET的I-V特性,图6.2.3-1 有源沟道内空间电荷区逐渐改变.,6.2.3 JFET的I-V特性,一、夹断前的电流电压特性JFET中x处耗尽层宽度为,(6-2),(6-6),漏极电流,为电流流过的截面积。,(6-8),(6-7),JFET的I-V特性,(6-9),式中,(6-10),令 VD,上式表明，漏极电流对漏极电压的确是线性依赖关系。也反映出栅极电压对I-V曲线斜率的明显影响。,N沟道结型场效应管的栅压-漏流特性曲线，称为转移特性曲线，,6.2.3 JFET的I-V特性,图 的硅N沟道JFET 电流电压特性：（a）的理论曲线，（b）实验结果,JFET的I-V特性,沟道夹断与夹断电压：在夹断点，令 以及，可求得夹断电压：式中 为夹断电压。常称 为内夹断电压。由式（5-6）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。,（6-4）,JFET的I-V特性,例题 N沟道JFET有：以及。求：（a）夹断电压 和，（b）在栅极和源极两者接地时，的漏极电流。解：,：,理想JFET的I-V特性,小结建立了理想JFET的基本假设。在理想JFET的基本假设的基础上导出了夹断前JFET的IV特性方程深入介绍了沟道夹断和夹断电压的概念。由 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。这就是“在夹断点夹断电压相等”一语的根据。,（5-4）,（5-6）,一、线性区 令,（5-4）式中的第二项：把（5-7）式代入（5-4）式并简化，得到（5-8）上式表明，漏极电流对漏极电压的确是线性依赖关系（5-8）式也反映出栅极电压对I-V曲线斜率的明显影响。,（5-7）,（5-4）,静态特性,二、饱和区 在夹断点首先发生在漏端，漏极和栅极上的偏置电压的大小满足条件 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5-4a中把（5-9）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（5-9）式代入（5-4）式，导出饱和漏极电流：,（5-9）,（5-10）,（5-10）式称为JFET的转移特性，并绘于图5-5中。在图5-5中，还画出了抛 物线式中 表示栅极电压为零（即栅源短路）时的漏极饱和电流。注意表示在（5-11）式中的简单平方律与（5-10）式非常接近。,（5-11）,教学要求JFET的夹断曲线的意义：掌握线性区条件：掌握线性区IV特性：公式（5-8）掌握饱和区条件：掌握饱和区IV特性：公式（5-10）作业：,（5-9）,JFET的几个突出的特点:,JFET的电流传输主要由一种型号的载流子多数载流子承担，不存在少数载流子的贮存效应，因此有利于达到比较高的截止频率和快的开关速度。JFET是电压控制器件。它的输入电阻要比BJT的高得多，因此其输入端易于与标准的微波系统匹配，在应用电路中易于实现级间直接耦合。由于是多子器件，因此抗辐射能力强。与BJT及MOS工艺兼容，有利于集成。早期的大多JFET用半导体硅材料制做，进入二十世纪九十年代，LnP、GaLnAsP等化合物半导体JFET被成功地制造出来，它们易于同GaLnAsP激光器及探测器集成在同一光电集成电路芯片上。此外，在高速GaAs数字集成电路中，用JFET代替MESFET，可以改善电路单元的一些性能并能提高芯片的电学参数的合格率。,忽略源极、漏极的欧姆压降和沟道两端附近区域内的压降;忽略源区和漏区的接触电阻。若把栅和源短路，使VG=0V(见图6-4)，则VD小时整个栅区的电势和X=0处的电势相同。在小电流情况下，耗尽区的宽度也近似等于平衡态耗尽区的宽度，如图6-4a所示。当VD增大引起电流增大时，漏端电势高于源端电势，且栅-沟结处于反偏状态；反偏压从漏端的VD降低到源端的0。由此可以判断VG=0V时沟道耗尽区的形状是如图6-4b所示的形状，即漏端附近的耗尽区深入到了沟道之中，沟道的有效面积减小。电流如较小时，I-V曲线近似为直线；如较大时，由于沟道电阻的影响，I-V曲线开始偏离直线关系。当VD和ID继续增大时，漏端附近的耗尽区扩展到沟道中心线附近，使沟道电阻进一步增大。当VD增大到一定程度时，耗尽区在沟道中心线上相遇，此时沟道被夹断了，如图6-4c所示。沟道夹断后，电流ID不再随VD的增大而显著增大，而是基本保持在夹断时的水平，即电流饱和。,金属-半导体结在制造工艺上比p-n结更容易精确实现，所以MESFET在高速数字电路和微波电路中应用很广,特别是III-V族化合物半导体(如GaAs、GaP等)MESFET，因其载流子迁移率和漂移速度都很高，所以工作速度比Si MESFET快得多。,6.3金属一半导体场效应晶体管,如果用金属-半导体肖特基结取代JFET中的p-n结，则相应形成的场效应晶体管称为金属-半导体场效应晶体管(MESFET)。在金属-半导体结上施加反偏压也能使沟道耗尽，所以MESFET 具有类似于JFET的电学特性。,6.3.1 GaAs金属-半导体场效应晶体管,在半绝缘的GaAs衬底上外延生长一层轻掺杂的n型GaAs作为MESFET的沟道区。源极、漏极的接触材料通常为Au、Ge合金，肖特基栅的接触材料通常为Al。在肖特基栅上施加反偏压，沟道耗尽区向衬底方向延伸，相应的电流-电压特性与FFET的类似。,高电子迁移率晶体管在两层掺杂的宽禁带半导体之间布置一层不掺杂的窄禁带半导体，如图6-8所示的那样，在两层掺杂的AlGaAs层之间制作一层不掺杂的GaAs薄层形成异质结，则异质结的势垒使中间的GaAs薄层成为一个势阱。通常把这种夹层结构称为调制掺杂结构。电子一旦由AlGaAs层进入到GaAs势阱层中，便会陷入其中并大量积累，因而势阱中电子的浓度很高。而且，由于势阱层未经掺杂，电子在其中运动时不受杂质散射的作用，所以迁移率也很高。,6.4金属-绝缘体-半导体场效应晶体管,金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(MISFET)是在数字集成电路中应用最广的器件之一。这种器件的栅极和导电沟道之间由绝缘层隔开，依靠栅上施加的偏压控制源漏极电流，因此有时也将这种器件叫做绝缘栅场效应晶体管(简写为IGFET)。这种器件的衬底材料通常是Si，绝缘介质材料是Si02，栅极可以采用金属也可以采用多晶硅(更多地采用多晶硅)。所以，最常用的MISFET实际上是MOSFET。,MOS场效应晶体管分为增强型（Enhancement MOS 或EMOS）和耗尽型(Depletion)MOS或DMOS）两大类，每一类有N沟道和P沟道两种导电类型。,N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极 G。P型半导体称为衬底(substrat)，用符号B表示。,N沟道增强型MOS(EMOS)场效应管,N 沟道耗尽型MOS场效应管:栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。当VGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。只要有漏源电压，就有漏极电流存在。当VGS0时，将使ID进一步增加。VGS0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减 小，直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表示，有时也用VP表示。,N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线,N 沟道耗尽型MOS（DMOS）场效应管,N 沟道耗尽型MOSFET的结构和符号,6.4.1 MOSFET的基本工作原理,n+源区和n+漏区采用扩散或离子注入方法形成，栅氧化层是在轻掺杂的p型衬底上生长而成的。从平衡态能带图(图6.10a)可以看出，费米能级是平坦的，且源、漏区和沟道形成p-n结处存在势垒，与两个背靠背的p-n结势垒形状是一样的。当在栅极上施加相对于衬底的正偏压时(这里，衬底和源极是连接在一起的)，栅极上出现正电荷，相应地在沟道区表面感应出负电荷。当栅偏压增大时，沟道区表面附近出现耗尽层并进而形成含有可动电荷-电子的薄层，该薄层就是MOSFET的导电沟道，源漏间的电流就是通过这个沟道流动的。,理想MOS结构的性质,理想MOS结构基于以下假设：,（1）在氧化物中或在氧化物和半导体之间的界面上不存在电荷。（2）金属和半导体之间的功函数差为零。由于假设（1）、（2），在无偏压时半导体能带是平直的。（3）层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过。因此，即使有外加电压，表面空间电荷区也处于热平衡状态，这使得整个表面空间电荷区中费米能级为常数。这些假设在以后将被取消而接近实际的MOS结构。,修正的功函数，定义为:氧化物的导带底与金属或半导体的费米能级之差(见图6.12a中的qm和qs)。费米势,定义为:半导体体内本征费米能级Ei和表面费米能级EFs之差，反映半导体衬底的“p型程度”或“n型程度”,称为费米势。,理想MOS结构的表面空间电荷区,图6-4 几种偏压情况的能带和电荷分布（a），（b）小的，（c）大的,理想MOS结构的表面空间电荷区,载流子积累、耗尽和反型载流子积累 紧靠硅表面的多数载流子浓度大于体内热平衡多数载流子浓度时，称为载流子积累现象。单位面积下的空间电荷,理想MOS结构的表面空间电荷区,载流子耗尽单位面积下的总电荷为 式中 为耗尽层宽度。载流子反型：载流子类型发生变化的现象或者说半导体的导电类型发生变化的现象。图6-4 几种偏压情况的能带和电荷分布：（a），（b）小的，（c）大的,（6-6）,（6-7）,（6-5）,理想MOS结构的表面空间电荷区,反型和强反型条件反型条件；强反型条件；式中 为出现强反型时的表面势。,（6-17）,（6-18）,理想MOS结构的表面空间电荷区,图6-5 强反型时的能带图,理想MOS结构的表面空间电荷区,总表面空间电荷 为反型层中单位面积下的可动电荷即沟道电荷：,（6-19）,（6-20）,（6-21）,（6-52）,6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区,小结载流子积累、耗尽和反型的概念。载流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况的能带图。体费米势的概念：反型和强反型条件：反型条件；强反型条件；,（6-8）,（6-17）,（6-18）,理想MOS结构的表面空间电荷区,教学要求了解理想结构基本假设及其意义。根据电磁场边界条件导出空间电荷与电场的关系掌握载流子积累、耗尽和反型和强反型的概念。正确画出流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况的能带图。导出反型和强反型条件,（6-1）,理想MOS结构的表面空间电荷区,半导体表面空间电荷区：每个极板上的感应电荷与电场之间满足如下关系（6-1）式中=自由空间的电容率=氧化物的相对介电常数=半导体表面的电场=半导体相对介电常数=空间电荷区在半导体内部的边界亦即空间电荷区宽度。外加电压 为跨越氧化层的电压 和表面势 所分摊：,（6-2）,理想MOS结构的表面空间电荷区,图6-3 加上电压 时MOS结构内的电位分布,理想MOS结构的表面空间电荷区,小结理想MOS结构基于以下假设：（1）在氧化物中或在氧化物和半导体之间的界面上不存在电荷。（2）金属和半导体之间的功函数差为零，如绘于图6-2b中的情形。由于假设（1）、（2），在无偏压时半导体能带是平直的。（3）层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过。因此，即使有外加电压，表面空间电荷区也处于热平衡状态，这使得整个表面空间电荷区中费米能级为常数。偏压 使半导体表面具有表面势，出现表面空间电荷区。空间电荷与电场具有以下关系（6-1）,平板电容器,电容=电荷/电压平板电容器的电容：,为电介质的介电常数,6-29,图3-10a画出了Si和GaAs沿111和100方向的能带结构(E-k关系)。我们看到，能带极值附近的E-k关系近似为抛物线型，但在能量较高的地方则明显偏离了抛物线型关系。沿111和100方向画出的能带是不对称的：在k=0附近即极小附近有一个能谷，沿100方向在X极小附近有一个x能谷，沿111方向在L极小附近有一个L能谷。大多数半导体的价带最大值(即价带顶)都位于处。价带有3个分支，分别是曲率最小的重空穴带、曲率较大的轻空穴带、以及一个因自旋-轨道耦合而形成的分裂带。我们注意到，GaAs的导带底和价带顶都对应着k=0，说明GaAs是直接禁带半导体。而对于si来说，沿6个等价的方向有6个等价的导带能谷，但这些极小都不在K=0处，所以Si 不是直接禁带半导体,6.5 MOS场效应晶体管,6.5 MOS场效应晶体管,基本结构和工作过程,图6-15 MOSFET的工作状态和输出特性：（a）低漏电压时,6.5 MOS场效应晶体管,基本结构和工作过程,图6-15 MOSFET的工作状态和输出特性：（b）开始饱和,6.5 MOS场效应晶体管,基本结构和工作过程,图6-15 MOSFET的工作状态和输出特性：（c）饱和之后,6.5 MOS场效应晶体管,静态特性,图6-16 N沟道MOS晶体管,6.5 MOS场效应晶体管,线性区 在下面的分析中，采用如下主要假设：（1）忽略源区和漏区体电阻和电极接触电阻；（2）沟道内掺杂均匀；（3）载流子在反型层内的迁移率为常数；（4）长沟道近似和渐近沟道近似，即假设垂直电场和水平电路是互相独立的。,6.5 MOS场效应晶体管,线性区 感应沟道电荷（6-67）漂移电子电流（6-70）式称为萨支唐（C.T.Sah）方程。,（6-68）,（6-69）,（6-70）,6.5 MOS场效应晶体管,例题：采用6.4节例题中的MOS结构作为一个MOSFET。已知下列参数：，。计算 和 时的解：由于在6.3节中给出。将此值代入（6-70）并令 得 将 代入上式,6.5 MOS场效应晶体管,考虑到沟道电压的作用于是,6.5 MOS场效应晶体管,所有抛物线顶点右边的曲线没有物理意义。,图6-17 式（6-68）和式（6-70）的比较,6.5 MOS场效应晶体管,饱和区 假设在L点发生夹断，=0则 把式（6-73）代入式（6-70）得 此式在开始饱和时是有效的。超过这一点，漏极电流可看作是常数。所有抛物线顶点右边的曲线没有物理意义。,（6-73）,（6-74）,6.5 MOS场效应晶体管,图6-18 N沟道MOSFET的电流电压特性,6.5 MOS场效应晶体管,小结 画出结构示意图说明了MOS场效应晶体管工作原理。a.若加一小的漏电压，电子将通过沟道从源流到漏。沟道的作用相当于一个电阻，漏电流和 漏电压 成正比。这是线性区.b.当漏电压增加时，由于从源到漏存在电压即，因此，导电沟道从 逐渐变窄，致使 处反型层宽度减小到零。这种现象叫做沟道夹断图（6-15b）。沟道夹断发 生的地点叫夹断点。夹断以后，漏电流基本上保持不变，因为夹断点的电压保持不变，即 导电沟道两端的电压保持不变。因而从漏到源的电流也不变。这是饱和区。C.夹断以后，随着漏电压增加导电沟道两端的电压保持不变但沟道长度L缩短，因此漏电流 将增加从而呈现不饱和特性。,6.5 MOS场效应晶体管,小结 萨支唐方程 在推导萨支唐方程过程中假设 与V 无关。实际上，中所含的 与沟道电压有关。考虑到沟道电压的作用，应写成 漏电流修正为 公式为（6-72）。,（6-71）,（6-70）,6.5 MOS场效应晶体管,小结 夹断条件：0或 饱和区IV特性：截止区：若栅电压小于阈值电压，不会形成反型层。结果是，MOSFET象是背对背 连接的两个P-N结一样，相互阻挡任何一方的电流流过。晶体管在这一工作区域与 开路相似。,（6-74）,（6-73）,6.5 MOS场效应晶体管,教学要求画出结构示意图说明了MOS场效应晶体管工作原理。导出萨支唐方程（6-70）利用 导出漏电流修正为 公式（6-72）。说明夹断条件：0或 的物理意义导出饱和区IV特性公式（6-74）作业：6.9、6.10、6.11,（6-73）,（6-70）,