晶体管

1. 第四章 场效应晶体管 双极晶体管 晶体管 结型场效应晶体管（J-FET） 场效应晶体(FET) 金属半导体场效应晶体管（MESFET） 金属 --氧化物--半导体场效应晶体管（MOSFET）

2. 什么是场效应晶体管(FET)？ 场效应晶体管是区别于双极型晶体管的另一大类晶体管。它通过改变垂直于导电沟道的电场强度来控制沟道的导电能力，从而调制通过沟道的电流。由于场效应晶体管的工作电流仅由多数载流子输运，故又称之为“单极型场效应晶体管” MOS场效应晶体管又称为 “金属 --氧化物--半导体场效应晶体管”,是绝缘栅场效应晶体管的一种，简称为 MOSFET， 但现在 MOSFET 的栅电极实际上不一定是金属。 N沟道MOSFET MOSFET P沟道MOSFET

3. MOSFET的优点： ① 输入阻抗高 ② 温度稳定性好。 ③ 噪声小。 ④ 大电流特性好。 ⑤ 无少子存贮效应，开关速度高。 ⑥ 制造工艺简单。 ⑦ 各管之间存在天然隔离，适宜于制作 VLSI 。

4. §4-1 MOSFET 的工作原理和特性 1、MOSFET的基本结构 以N 沟道为例。

5. 2 、栅电压对漏电流的控制

6. 2 、栅电压对漏电流的控制 当 VGS < VT（称为 阈电压）时，源漏之间隔着P区，漏结反偏，故无漏极电流。当 VGS > VT时，栅下的 P 型硅表面发生强反型，形成连通源区和漏区的 N 型 沟道，产生漏极电流 ID。对于恒定的 VDS ，VGS越大，则沟道中的可移动电子就越多，沟道电阻就越小，ID 就越大。 所以 MOSFET是通过改变 VGS来控制沟道的导电性，从而控制漏极电流 ID，是一种电压控制型器件。

7. 3 、转移特性曲线 转移特性曲线是指 VDS恒定时的 VGS ～ID 曲线。 N 沟 MOSFET当： VT > 0 时，称为 增强型，为常关型。 VT < 0 时，称为 耗尽型，为常开型。 ID ID VGS VGS 0 VT VT 0

8. 4 、漏源电压对沟道的影响 VDS 很小时的沟道

9. 5 、输出特性曲线的定性描述 输出特性曲线是指 VGS >VT且恒定时的VDS～ID曲线 ① 线性区（ VDS 很小时） 当 VDS很小时，沟道就象一个其阻值与 VDS无关的固定电阻，这时 ID与 VDS成线性关系。

10. ② 过渡区（ VDS增大，但小于VD sat） 随着VDS 的增大，漏附近的沟道变薄，沟道电阻增大，曲线逐渐下弯。当VDS增大到VD sat（饱和漏源电压）时，漏处的可动电子消失，这称为沟道被夹断。 线性区与过渡区统称为 非饱和区，有时也统称为 线性区。

11. ③ 饱和区（VDS＞VD sat） 当VDS＞VD sat 后，沟道夹断点左移，漏附近只剩下耗尽区。这时 ID几乎与 VDS 无关而保持常数 ID sat，曲线为水平直线。 实际上 ID随 VDS 的增大而略有增大，曲线略向上翘。

12. ④ 击穿区 当VDS 继续增大到 BVDS时，漏结发生雪崩击穿，或者漏源间发生穿通， ID急剧增大，如图中 CD 段所示。

13. 以VGS 作为参变量，可以得到不同VGS下的VDS～ID曲线族，这就是 MOSFET 的输出特性曲线。 饱和区 非饱和区 将各条曲线的夹断点用虚线连接起来，虚线左侧为非饱和区，虚线右侧为饱和区。

14. 5、MOSFET的类型 P 沟 MOSFET 的特性与N 沟 MOSFET 相对称，即： (1) 衬底为 N 型，源漏区为 P+型。 (2) VGS、VDS 的极性以及 ID 的方向均与 N 沟相反。 (3) 沟道中的可动载流子为空穴。 (4) VT < 0 时称为增强型（常关型），VT > 0 时称为耗尽型（常开型）。 4 种类型 MOSFET 的特性曲线小结。（见陈星弼 张庆中 陈勇编著微电子器件第三版 p . 201，图4 - 4）

15. §4-2 MOSFET的阈电压VT 定义：使栅下的硅表面处开始发生强反型时的栅电压称为阈电压，记为 VT。 定义：当硅表面处的少子浓度达到或超过体内的平衡多子浓度时，称为表面发生了 强反型。 1、MOS结构的 VT 的计算方法 本小节计算 P 型衬底 MOS 结构的 VT。

16. (1) 理想 MOS 结构（金属与半导体间的功函数差 ，氧化层中电荷面密度 QOX = 0 ）当VG = 0 时的能带图 上图中: 称为 P 型衬底的费米势。

17. (2) 实际 MOS结构 当VG = 0 时的能带图 上图中， 称为 表面势，即从硅表面处到硅体内平衡处的电势差，等于能带弯曲量除以 q。COX表示单位面积的栅氧化层电容， ，TOX为氧化层厚度。

18. (3)实际 MOS结构当VG= VFB时的能带图 当 时， 就可以使能带恢复为平带状态，这时 ，硅表面呈电中性。VFB称为 平带电压。

19. (4)实际 MOS结构当 VG= VT时的能带图 要使表面发生强反型，应使表面处的 ，这时能带总的弯曲量是 。 此时的表面势为：

20. 外加栅电压超过 VFB的部分（VG - VFB）称为 有效栅压 。有效栅压又可分为两部分：降在氧化层上的 VOX 与降在硅表面附近的表面电势 即： 。 使能带发生弯曲。表面发生强反型时 ，这时能带总的弯曲量是 ，此时的表面势为：

21. 于是可得： 上式中， ，QM和 QS分别表示金属一侧的电荷面密度和半导体一侧的电荷面密度，而 QS又为耗尽层电荷QA 与反型层电荷 Qn之和。 作为近似，在刚开始强反型时，可忽略 Qn。QA是 的函数，在开始发生强反型时， ，故有：

22. 再将 和 代入 中，可得 MOS 结构的阈电压为： 关于 QA的进一步推导在以后进行。

23. 2、MOSFET的 VT (1) VT一般表达式的导出 p 与 MOS 结构相比，在 MOSFET 中发生了以下变化： a) 栅与衬底之间的外加电压由VG变为（VG -VB），因此有效栅电压由（VG-VFB）变为（VG-VB -VFB）。 b) 有一个反向电压（VS-VB）加在源、漏及反型层的 PN结上，使之处于非平衡状态，EFp-EFn= q（VS -VB）。 c) 强反型开始时的表面势 由 变为 。

24. 因此 MOSFET 的 VT一般表达式为： 以下推导 QA的表达式。对于均匀掺杂： 上式中， ，称为 体因子。

25. 最后可得 N 沟 MOSFET的 VT 为： 注意上式中，通常 VS> 0，VB < 0 。 当VS = 0 ，VB = 0 时： 这与前面得到的 MOS 结构的 VT表达式相同。

26. 同理可得 P 沟 MOSFET的 VT为： 上式中， 称为 N 型衬底的费米势。 与 可以统一写为 ，表示 衬底费米势。

27. (2) 影响 VT的因素 当VS = 0，VB = 0 时，N 沟 P 沟 MOSFET的 VT可统一写为： a) 氧化层厚度 TOX 一般来说，当 TOX 减薄时， |VT | 是减小的。 早期 MOSFET 的 TOX的典型值为 150 nm ，目前高性能MOSFET 的 TOX 可达 10 nm 以下。

28. b) 衬底费米势 与掺杂浓度有关，但影响不大。室温下，当掺杂浓度为 时， 约为 0.3 V。

29. c) 功函数差 与金属种类、半导体导电类型及掺杂浓度有关。对于Al ～ Si 系统： （见陈星弼 张庆中 陈勇编著微电子器件第三版见07页图 4-14） - 0.6 V ～ - 1.0V ( N 沟 ) - 0.6 V ～ - 0.2V ( P 沟 ) 当 时： - 0.9 V ( N 沟 ) - 0.3 V ( P 沟 )

30. d) 耗尽区电离杂质电荷面密度 QAD 由于 与掺杂浓度 N 的关系不大，故可近似地有：

31. e) 氧化层中的电荷面密度 QOX QOX 与制造工艺及晶向有关。MOSFET 一般采用（100）晶面，并在工艺中注意尽量减小 QOX 的引入。在一般工艺条件下，当 TOX = 150 nm时： ~ 调整 VT主要是通过改变掺杂浓度 N（例如离子注入）和 TOX 来实现。

32. (3) 衬底偏置效应（体效应） 当VS = 0 时，可将源极作为电位参考点，这时 VG = VGS 、VD = VDS、VB= VBS。 衬底偏置效应：VT随 VBS的变化而变化。 对于 N 沟 MOSFET：

33. 对于 P 沟 MOSFET： 可见，当 |VBS | 增大时，N 沟 MOSFET的 VT向正方向变化，而 P 沟 MOSFET的 VT向负方向变化。 由于 ，所以TOX 越厚、N 越高，则衬底偏置效应就越大。

34. §4-3 MOSFET输出特性的数学分析 本节将以 N 沟 MOSFET 为例，推导 MOSFET 的 ID～ VD方程。

35. 推导时采用如下假设： ① 沟道电流只由漂移电流构成，忽略扩散电流。 ② 采用缓变沟道近似，即： 这表示沟道厚度沿 y方向的变化很小，沟道电子电荷全部由 感应出来而与 无关。 ③ 沟道内的载流子（电子）迁移率为常数。 ④ 采用强反型近似，即认为当表面少子浓度达到体内平衡多子浓度 时沟道开始导电。 ⑤ QOX 为常数，与能带的弯曲程度无关。

36. y x 1、非饱和区电流-电压方程的推导 b(y) 当在漏极上加VD > VS后，沟道内产生横向场 ， 从而产生漂移电流： 上图及上式中，L、Z、b (y) 分别为沟道长度、沟道宽度与沟道厚度， 为沟道内的电子电荷面密度。

37. 以下推导 Qn。强反型后，由于沟道中产生的大量电子对来自栅电极的纵向电场起到屏蔽作用 ，故能带的弯曲程度几乎不再随VG而增大，表面势 也几乎维持 不变。于是有：

38. 当外加 VD ( > VS ) 后，沟道中产生电势 V ( y ) ，V ( y ) 随 y 而增加，从源处的 V ( 0 ) = VS增加到漏处的 V ( L ) = VD。这样 、xd 与 QA都成为 y 的函数，可分别表为：

39. 将上面的 和 QA代入沟道电子电荷面密度 Qn 后，可知 Qn 也成为y 的函数，即： 将 Qn 代入 ID中，并经积分后可得 ID的表达式，但其形式极为繁琐。在一般情况下可对上式进行简化 。 将 Qn中的 在 V = 0 处用级数展开： 当只取一项时，

40. 再若VS = 0 ，VB = 0 时，可将VD写作 VDS，VG写作 VGS，则 Qn 成为： 将此 Qn 代入 I D 中，得：

41. 再将 写作 ，则上式成为： 上式表明，ID与 VDS成抛物线关系，即： 但实际上上式只在抛物线的左半段有物理意义。

42. 由 Qn 的表达式可知，在 y = L的漏极处， 可见 | Qn(L) |是随VDS增大而减小的。当VDS 增大到被称为饱和漏源电压 的 VD sat 时，Qn ( L ) = 0 ，这称为 沟道被夹断 。显然： 此时所对应的漏极电流称为 饱和漏极电流ID sat ： 这一点正好是抛物线的顶点。所以VD sat 也可由令 而解出。

43. 当 VDS> VD sat 后，最简单的处理方法是从抛物线顶点以水平方向朝右延伸出去。 以不同的 VGS 作为参变量，可得到一组 ID～VDS曲线，这就是 MOSFET 的输出特性曲线。

44. 对于 P 沟道 MOSFET，可得类似的结果： 上式中， 以上公式虽然是近似的，但因计算简单，在许多场合得到广泛的应用。

45. 当在 级数展开式中取前两项时，得： 经类似的计算后可得： 上式中， 以上公式与不对 做简化的精确公式已经极为接近。

46. 2、饱和区 实测表明，当VDS >VD sat 后，ID 随VDS的增大而略有增大，也即 MOSFET 的增量输出电阻 不是无穷大而是一个有限的值。 通常采用两个模型来解释 ID的增大。

47. (1) 有效沟道长度调制效应 已知当 VDS = VD sat时，V ( L ) = VD sat，Qn ( L ) = 0 。 当 VDS>VD sat 后，沟道中满足 V = VD sat 和 Qn= 0 的位置向左移动 ，即： 这意味着有效沟道长度缩短了。

49. 上图中，曲线①代表VDS< VD sat，曲线②代表 VDS= VD sat，曲线③代表 VDS >VD sat而。 此时，VDS分为两部分，其中的 VD sat 降在有效沟道长度 上，超过 VD sat的部分 ( VDS–VD sat ) 则降落在长度为 的耗尽区上。根据耗尽区宽度的公式可计算出 为：

50. 由于 ，当 L缩短时，ID会增加。 现用 I’D sat表示当 VDS> VD sat后的漏极电流，可得： 当 L 较长或 NA较大时， 较小，电流的增加不明显， rds较大 ；反之，则电流的增加较明显，rds较小。