晶体管原理C32

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1、Institute of Microelectronics Circuit & System,-1-,引 言,1. 晶体管按工作原理分类:,第四章 场效应晶体管,1) 双极型晶体管 2) 场效应晶体管(Field effect transistor: FET),*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。,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),Inst

2、itute of Microelectronics Circuit & System,-2-,3. 与双极型晶体管相比, FET的优点:,1) 输入阻抗高; 2) 功耗小; 3) 噪声系数小; 4) 温度稳定性好; 5) 抗辐射能力强,第四章 场效应晶体管,-引 言,4. JFET和MESFET,Institute of Microelectronics Circuit & System,-3-,第四章 场效应晶体管,结构和分类,1) 结构,第一节 MOSFET的基本特性,2) 工作原理,Institute of Microelectronics Circuit & System,-4-,3)

3、 输出特性,(1)OA段: 线性区,VGS决定沟道电阻,* 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。,(2)AB段: 过渡区,沟道压降影响沟道电阻,(3)BC段: 饱和区,VDSVDsat,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,VDSBVDS,非饱和区,Institute of Microelectronics Circuit & System,-5-,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。,第四章 场效应晶体管,-1.MOSFET

4、的基本特性,MOSFET的阈值电压,Institute of Microelectronics Circuit & System,-6-,金半功函数差为零; 栅氧化层内有效电荷面密度为零; 栅氧化层与半导体界面处不存在界面态。,第四章 场效应晶体管,-1.MOSFET的基本特性,(2)理想MOS结构,Institute of Microelectronics Circuit & System,-7-,（3）实际MOS结构与平带电压,第四章 场效应晶体管,-1.MOSFET的基本特性,通常有 ,使半导体一侧带负电荷,类同VG0, 能带在表面向下弯曲,数量为:,定义:从表面到体内平衡处的电势差,为

5、表面势 ,即,Institute of Microelectronics Circuit & System,-8-,2) MOSFET的阈电压,（1）有效栅极电压为 （2） （3）强反型时表面势 ，增为 （4）强反型时沟道下耗尽区厚度,则耗尽区中电离受主电荷面密度,第四章 场效应晶体管,-1.MOSFET的基本特性,P衬底,Institute of Microelectronics Circuit & System,-9-,令 称为P型衬底体因子。 取VS=0、VB=0则有,第四章 场效应晶体管,-1.MOSFET的基本特性,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

6、来改变VT.,Institute of Microelectronics Circuit & System,-10-,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.,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,空间电荷面密度随偏压增大而增大.,Institute of Microelectronics Circuit & System,-11-,MOSFET的伏安特性,假设：沟道内电压降忽略不计 扩散电流忽略不计 沟道内c 缓变沟道近似 强反型近似 栅氧化层内有效电荷面密度为常数,第四章 场效应晶体管,-1.MOSF

7、ET的基本特性,Institute of Microelectronics Circuit & System,-12-,（2）沟道电子电荷面密度Qn与漏电流,第四章 场效应晶体管,-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。,-MOSFET增益因子,Institute of Microelectronics Circuit & System,-13-,对于pMOSFET:,饱和漏极电压,第四章 场效应晶体管,-1.MOSFET的基本特性,饱和漏极电流,Institute of Mi

8、croelectronics Circuit & System,-14-,（1）有效沟道长度调制效应：VDSVDsat,沟道有效长度随VDS增大而缩短的现象。,第四章 场效应晶体管,-1.MOSFET的基本特性,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。,VDSVDsat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。,Institute of Microelectronics Circuit &

9、 System,-15-,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。,（2）漏区静电场对沟道区的反馈作用,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。,第四章 场效应晶体管,-1.MOSFET的基本特性,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:,Institute of Microelectronics Circuit & System,-16-,亚阈漏电流

10、、次开启电流IDsub：表面处于弱反型状态，表面电子浓度介于本征载流子浓度ni和衬底平衡多子浓度nA 之间，有VDS时有很小的ID。,第四章 场效应晶体管,-1.MOSFET的基本特性,此时IDsub主要由沟道扩散电流引起，忽略漂移电流。,-沟道有效厚度,-高斯定律,-沟道下耗尽层电容,Institute of Microelectronics Circuit & System,-17-,第四章 场效应晶体管,-1.MOSFET的基本特性,4）击穿区 VDS超过一定值时，IDS迅速上升,称漏源击穿。此时为漏源击穿电压BVDS。,(1)之一-漏极雪崩击穿：源衬相连时，VDS对漏pn结呈反向电压，

11、VDS增加到一定程度时漏pn结会雪崩击穿。 实际漏结击穿电压比理论值要低。,实验表明:当衬底电阻率较大时,漏结击穿电压不再与衬底材料掺杂浓度有关,而主要由栅极电压的极性、大小和栅氧化层的厚度所决定。,亚阈区栅源电压摆幅S: 表征亚阈区中VGS对IDsub的控制能力.,Institute of Microelectronics Circuit & System,-18-,之二-漏源穿通击穿电压（VPT）,L 较短，衬 较高时，漏衬间尚未雪崩击穿，但漏 pn 结耗尽区已扩展到与源区相连，称漏源穿通击穿（VPT），VDS继续，源 pn结正偏，大量电子进入沟道，被强电场扫入漏区，形成较大的 ID。,一

12、维状态：,类同双极型管基区穿通，但那里NBNC，不易基区穿通，这里反之。,第四章 场效应晶体管,-1.MOSFET的基本特性,Institute of Microelectronics Circuit & System,-19-,MOSFET直流参数与温度特性,1）阈值电压VT,第四章 场效应晶体管,-1.MOSFET的基本特性,(1),Institute of Microelectronics Circuit & System,-20-,2）饱和漏极电流IDSS,对于耗尽型MOSFET，VGS=0（导通），VDS足够大时的漏电流饱和值称为饱和漏极电流 IDSS。,截止漏极电流,-增强型MOS

13、FET，VGS=0，VDS0时，源漏区之间电流ID0,这个电流叫截止漏极电流。,第四章 场效应晶体管,-1.MOSFET的基本特性,Institute of Microelectronics Circuit & System,-21-,3）通导电阻Ron,当MOSFET工作在非饱和区且VDS很小时，输出特性曲线是直线，漏源电压VDS与漏极电流ID的比值称为通导电阻Ron 。,第四章 场效应晶体管,-1.MOSFET的基本特性,Institute of Microelectronics Circuit & System,-22-,MOSFET的交流小信号参数,1）跨导gm 漏源电压VDS一定时，

14、漏电流的微分增量与栅源电压微分增量之比。,它表示VGS对ID的控制能力，是MOSFET转移特性曲线的斜率。标志电压放大能力。,非饱和区：,第四章 场效应晶体管,-1.MOSFET的基本特性,Institute of Microelectronics Circuit & System,-23-,以N沟道MOSFET为例-,非饱和区的漏源电导为：,当VDS=VDsat 时：,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对 的影响：,Institute of Microelectronics Circuit & System,-24-,3）电压放大系数,定义

15、：,以N沟道为例，在非饱和区：,取全微分，得,令上式为零，得,第四章 场效应晶体管,-1.MOSFET的基本特性,Institute of Microelectronics Circuit & System,-25-,推导Cgs和Cgd的表达式采用准静态近似法,栅、漏对交流短路的情况下：,栅源电容gs:,当VDS=0时,第四章 场效应晶体管,-1.MOSFET的基本特性,当饱和时, CG=2ZLCOX/3, Cgd=0, Cgs=2ZLCOX/3,Institute of Microelectronics Circuit & System,-26-,2）寄生参数,版图设计时须使金属栅极与源漏区有重叠,则形成寄生电容Cgs，Cgd。,第四章 场效应晶体管,-1.MOSFET的基本特性,MOSFET中高频主要参数,RS和RD分别代表源漏极的寄生串联电阻。均有三部分组成：,金属与源、漏区的接触电阻； 源、漏区的体电阻； 当电流从源、漏区流向较薄的反型层时，与电流流动路线的聚集有关的电阻，即“扩展电阻”效应。,Institute of Microelectronics Circuit & System,-27-,3）频率特性,MOS中的电容、载流子渡越沟道时间，这些使MOSFET存在频率使用限制。,第四章 场效应晶体管,-