场效应晶体管-2

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1、4 4- -2 2 场效应晶体管场效应晶体管场效应晶体管场效应晶体管 主要内容主要内容：主要内容主要内容： MOSFETMOSFET的基本工作原理的基本工作原理的基本工作原理的基本工作原理 结型场效应晶体管结型场效应晶体管结型场效应晶体管结型场效应晶体管 金属金属金属金属- -半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管 2 2 金属金属金属金属- -半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管 场效应晶体管场效应晶体管场效应晶体管场效应晶体管,FET, field effect transistor,FET, field effect

2、transistor 利用垂直于导电沟道的输入电压的电场作用利用垂直于导电沟道的输入电压的电场作用，控制导电沟控制导电沟利用垂直于导电沟道的输入电压的电场作用利用垂直于导电沟道的输入电压的电场作用，控制导电沟控制导电沟 道输出电流的一种半导体器件道输出电流的一种半导体器件道输出电流的一种半导体器件道输出电流的一种半导体器件. . FETFET与双极晶体管与双极晶体管（势效应晶体管势效应晶体管与双极晶体管与双极晶体管（势效应晶体管势效应晶体管PETPET的典型代表的典型代表）的比较的比较：的典型代表的典型代表）的比较的比较： 3 3 3. FET3. FET为单极器件为单极器件，没有少子存储效应

3、没有少子存储效应，适于高频和高速适于高频和高速为单极器件为单极器件，没有少子存储效应没有少子存储效应，适于高频和高速适于高频和高速 2. FET2. FET输入阻抗高输入阻抗高，实际上不需要输入电流实际上不需要输入电流，在模拟开在模拟开输入阻抗高输入阻抗高，实际上不需要输入电流实际上不需要输入电流，在模拟开在模拟开 关电路关电路，高输入阻抗放大器和微波放大器中具有广泛的高输入阻抗放大器和微波放大器中具有广泛的关电路关电路，高输入阻抗放大器和微波放大器中具有广泛的高输入阻抗放大器和微波放大器中具有广泛的 应用应用。应用应用。 FETFET与与与与BJTBJT的区别的区别：的区别的区别： 1. F

4、ET 1. FET 为电压控制器件为电压控制器件为电压控制器件为电压控制器件; BJT ; BJT 为电流控制器件为电流控制器件。为电流控制器件为电流控制器件。 4 4 工作工作。工作工作。 5. 5. 制备工艺相对比较简单制备工艺相对比较简单，适合大规模集成电路适合大规模集成电路。制备工艺相对比较简单制备工艺相对比较简单，适合大规模集成电路适合大规模集成电路。 4. 4. 在大电流时在大电流时，在大电流时在大电流时，FETFET具有负的温度系数具有负的温度系数，随着温度的增随着温度的增具有负的温度系数具有负的温度系数，随着温度的增随着温度的增 加加加加FETFET的电流减小的电流减小，使整个

5、器件温度分布更加均匀使整个器件温度分布更加均匀。的电流减小的电流减小，使整个器件温度分布更加均匀使整个器件温度分布更加均匀。 FETFET JFETJFET (p(p- -n n结栅结栅结栅结栅) ) MESFETMESFET ( (肖特基栅肖特基栅肖特基栅肖特基栅) ) IGFETIGFET ( (绝缘栅绝缘栅绝缘栅绝缘栅) ) MOSFET/MOSFET/ MISFETMISFET ( (氧化物氧化物氧化物氧化物/ /电介质电介质）电介质电介质） HFETHFET ( (宽带隙宽带隙）宽带隙宽带隙） 5 5 ( (氧化物氧化物氧化物氧化物/ /电介质电介质）电介质电介质） ( ( MODF

6、ETMODFET ( (掺杂宽带隙掺杂宽带隙）掺杂宽带隙掺杂宽带隙） HIGFETHIGFET ( (不掺杂宽带隙不掺杂宽带隙）不掺杂宽带隙不掺杂宽带隙） 场效应晶体管家族谱系场效应晶体管家族谱系场效应晶体管家族谱系场效应晶体管家族谱系 MOSFETMOSFET种类种类种类种类 零栅压下零栅压下，零栅压下零栅压下， 沟道电导很沟道电导很沟道电导很沟道电导很 小小，栅极必栅极必小小，栅极必栅极必 须加正偏才须加正偏才须加正偏才须加正偏才 形成形成形成形成n n沟道沟道沟道沟道 6 6 形成形成形成形成n n沟道沟道沟道沟道 零偏下零偏下，零偏下零偏下，n n 沟道存在沟道存在，沟道存在沟道存在，

7、 栅极外加负栅极外加负栅极外加负栅极外加负 电压电压，降低降低电压电压，降低降低 沟道电导沟道电导沟道电导沟道电导 沟道类型沟道类型沟道类型沟道类型 表面反型沟道表面反型沟道表面反型沟道表面反型沟道 7 7 表面反型沟道表面反型沟道表面反型沟道表面反型沟道 体内埋沟体内埋沟体内埋沟体内埋沟 MISFETMISFET既可以是表面沟道既可以是表面沟道，也可以是埋沟也可以是埋沟，主要是表面主要是表面既可以是表面沟道既可以是表面沟道，也可以是埋沟也可以是埋沟，主要是表面主要是表面 沟道沟道沟道沟道 耗尽型通常是采用埋沟耗尽型通常是采用埋沟，理论上理论上，选择合适的功函数选择合适的功函数，调调耗尽型通常

8、是采用埋沟耗尽型通常是采用埋沟，理论上理论上，选择合适的功函数选择合适的功函数，调调 节阈值电压节阈值电压，也可实现也可实现。节阈值电压节阈值电压，也可实现也可实现。 1. 1. MOS MOS MOS MOS 场效应晶体管场效应晶体管场效应晶体管场效应晶体管,MOSFET (,MOSFET (,MOSFET (,MOSFET (n n n n沟增强沟增强沟增强沟增强） 1) 1) 基本工作原理基本工作原理基本工作原理基本工作原理 2) 2) 电流电压特性电流电压特性电流电压特性电流电压特性 3) 3) 阈值电压阈值电压阈值电压阈值电压 V VT T： ：强反型时对应的外加电压 强反型时对应的

9、外加电压强反型时对应的外加电压强反型时对应的外加电压 4) 4) 亚阈值区亚阈值区亚阈值区亚阈值区 V VG GVT T 低漏电低漏电低漏电低漏电 压时压时，压时压时， 线性区线性区线性区线性区 开始开始开始开始 饱和饱和饱和饱和 沟道的作用相沟道的作用相沟道的作用相沟道的作用相 当于电阻当于电阻当于电阻当于电阻 反型层厚度减反型层厚度减反型层厚度减反型层厚度减 小到零小到零小到零小到零 具体分析具体分析具体分析具体分析 1212 MOSFETMOSFET的工作状态和输出特性的工作状态和输出特性的工作状态和输出特性的工作状态和输出特性 饱和饱和饱和饱和 之后之后之后之后 夹断夹断夹断夹断(pi

10、nch(pinch- -off)off)点点点点 的电压保持不变的电压保持不变；的电压保持不变的电压保持不变； 长沟近似下电阻不长沟近似下电阻不长沟近似下电阻不长沟近似下电阻不 变变，则电流不变则电流不变变变，则电流不变则电流不变 根据理想条件根据理想条件，可得到可得到根据理想条件根据理想条件，可得到可得到MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性。的基本特性的基本特性。 1 1。栅结构为理想栅结构为理想。栅结构为理想栅结构为理想MOSMOS电容电容，无界面陷阱无界面陷阱，无氧化层电荷和功函数差无氧化层电荷和功函数差。电容电容，无界面陷阱无界面陷阱，无氧化层电荷和功函数差无氧化层电荷和功函数

11、差。 （如果有氧化层固定电荷和功函数差如果有氧化层固定电荷和功函数差，只要考虑平带电压只要考虑平带电压（如果有氧化层固定电荷和功函数差如果有氧化层固定电荷和功函数差，只要考虑平带电压只要考虑平带电压 V VFB FB。） 。）。）。） 2 2。只考虑漂移电流只考虑漂移电流。只考虑漂移电流只考虑漂移电流。 3 3。载流子在反型层中的迁移率是常数载流子在反型层中的迁移率是常数。载流子在反型层中的迁移率是常数载流子在反型层中的迁移率是常数 4 4。沟道掺杂均匀沟道掺杂均匀。沟道掺杂均匀沟道掺杂均匀 1313 4 4。沟道掺杂均匀沟道掺杂均匀。沟道掺杂均匀沟道掺杂均匀 5 5。反向漏电流很小反向漏电流

12、很小，可忽略可忽略。反向漏电流很小反向漏电流很小，可忽略可忽略 6 6。沟道内的横向电场沟道内的横向电场（垂直于电流垂直于电流）比纵向电场比纵向电场（平行于电流平行于电流）大得大得。沟道内的横向电场沟道内的横向电场（垂直于电流垂直于电流）比纵向电场比纵向电场（平行于电流平行于电流）大得大得 多多，即长沟道近似即长沟道近似。多多，即长沟道近似即长沟道近似。 下面讨论下面讨论下面讨论下面讨论 I ID DVVD D关系关系。关系关系。 工作于线性工作于线性工作于线性工作于线性 区的区的区的区的 MOSFETMOSFET 沟道区沟道区沟道区沟道区 首先给出反型层中用于传导电流的沟道电荷首先给出反型层

13、中用于传导电流的沟道电荷首先给出反型层中用于传导电流的沟道电荷首先给出反型层中用于传导电流的沟道电荷: : 薄层电荷模型薄层电荷模型薄层电荷模型薄层电荷模型 在在在在x x方向方向，强反型时的反型层厚度强反型时的反型层厚度方向方向，强反型时的反型层厚度强反型时的反型层厚度 为零为零。在在为零为零。在在x x方向无压降方向无压降。当漏电压当漏电压方向无压降方向无压降。当漏电压当漏电压 V VD D=0=0时时，时时，V VG G= =V Vi i+ + s s 沟道漏极压降沟道漏极压降沟道漏极压降沟道漏极压降 漏极加电压时漏极加电压时，有电流通过反型有电流通过反型漏极加电压时漏极加电压时，有电流

14、通过反型有电流通过反型 层层，则有电压降则有电压降，从源从源层层，则有电压降则有电压降，从源从源漏漏，电电漏漏，电电 x x 1414 沟道区沟道区沟道区沟道区 放大放大放大放大 沟道漏沟道漏沟道漏沟道漏 极压降极压降极压降极压降 层层，则有电压降则有电压降，从源从源层层，则有电压降则有电压降，从源从源漏漏，电电漏漏，电电 压压压压0 0V VD D，逐渐增加逐渐增加。，逐渐增加逐渐增加。 反型层中任一位置的表面势反型层中任一位置的表面势：反型层中任一位置的表面势反型层中任一位置的表面势： Bis yy 2)()( 漏端表面势漏端表面势：漏端表面势漏端表面势： BDs V2 )( SC Q 半

15、导体中距源半导体中距源半导体中距源半导体中距源y y处处，单位面积感生的总电荷单位面积感生的总电荷：处处，单位面积感生的总电荷单位面积感生的总电荷： iiS CVyQ)( )()()(yQyQyQ SCSn )()(yQCyV SCiSG Y Y处表处表处表处表 面势面势面势面势 栅电容栅电容栅电容栅电容 i i/d/d 反型层内的电荷反型层内的电荷：反型层内的电荷反型层内的电荷： )(y iB 2 iSG CyV)( 1515 )()()(yQyQyQ SCSn )()(yQCyV SCiSG WqNyQ ASC )( )(yqN iBAS 22 表面耗尽区内的电荷表面耗尽区内的电荷：表面耗尽区内的电荷表面耗尽区内的电荷： )()()(yqNCyVyQ iBASiBiGn 222 y y处沟道的电导率处沟道的电导率：处沟道的电导率处沟道的电导率： n xqnx )()( 设迁移率恒定设迁移率恒定设迁移率恒定设迁移率恒定 沟道电导沟道电导：沟道电导沟道电导： ii x n x dxxqn L Z dxx L Z g