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1、半导体器件,第四章,场效应晶体管,场效应晶体管,栅极采用,PN,结结构,栅极采用,MOS,结构,结型场效应晶体管,绝缘栅型场效应晶体管,4.2,绝缘栅型场效应晶体管,4.2.1,理想,MOS,结构,金属,氧化物,半导体结构，构成,MOS,管。,MOS,结构是绝缘栅型场效应晶体,管开关控制的核心部分。金属层引出的电极称为栅极，栅电压的正负是相对硅衬,底电压而言的。,理想,MOS,管平衡态的能带图,1,、,理想,MOS,结构的特征,(1),零偏条件下，金属与,半导体的功函数差为,0,，即,功函数：费米能级与真空能级之间的能量差,理想情况下，平衡态时,MOS,结构的能带图没有发生弯曲。,金属的功函数
2、表示为电子由金属内部逸出到真空中所需要的最小能量。,功函数的大小标志着电子在金属中束缚的强弱，功函数越大，电子越不容易离开金属。,（,2,）在任何直流偏置下，绝缘层内无电荷且绝缘层，完全,不导电。,（,3,）绝缘层与半导体界面不存在任何界面态。,2,、,理想,MOS,结构在非平衡态时的能带图,V,G,0,时，理想,MOS,管的能带图,V,G,0,时，金属费米能级,相对于半导体费米能级,上移,qV,G,。,界面两侧费米能级不再,统一，费米能级的差值,会引起界面处能带发生,弯曲。,能带弯曲的方向,与费米能级变化的方向,相同。,在半导体与氧化物的界面,处（即，能带发生弯曲的,区域），费米能级更靠近,
3、价带，意味着该区域空穴,浓度更高。,界面处出现了多数载流子的,积累。,从,MOS,管电容理论，理解多数载流子的积累,将,MOS,结构看成平板电容，负的栅压会将半导体表面的,电子推向体内，同时把半导体体内的空穴吸引到表面区,域，,p,型硅衬底表面（硅衬底与绝缘层界面处）的空穴浓,度高于体内，出现载流子的积累。,V,G,0,时，理想,MOS,管的能带图,V,G,0,时，金属费米能级,相对于半导体费米能级,下降,qV,G,。,能带弯曲的方向与费米,能级变化的方向相同。,半导体表面能带向下弯曲。,在半导体与氧化物的界面,处（即，能带发生弯曲的,区域），费米能级更远离,价带，意味着该区域空穴,浓度降低。
4、,界面处出现了多数载流子的,耗尽。,+,V,G,0,时，理想,MOS,管的能带图,V,G,0,时，金属费米能,级相对于半导体费米能,级进一步下降。,半导体表面能带进一步,向下弯曲。,栅压增大到一定值时，,半导体表面处费米能级,高于本征费米能级。表,面处电子浓度超过空穴,浓度。此时半导体表面,出现“反型”。,若反型层内电子浓度较低，称为“弱反型”；,若反型层内电子浓度等于体内多子浓度时，称为“临界强反型”。,通常认为，半导体表面在临界强反型时才具有导电能力。,+,从,MOS,管电容理论，理解半导体表面的反型,正的栅压会将半导体表面的空穴推向体内，同时把半导体,体内的电子吸引到表面区域，,p,型硅
5、衬底表面（硅衬底与绝,缘层界面处）的电子浓度升高，出现反型。,P,表面电子浓度升高到与体内多子浓度相当时，为临界强反,型。此时，半导体表面形成导电沟道，沟道中电子为多子，,因此称为,n,沟道。,3,、,理想,n,型衬底上,MOS,结构的能带图,（,a,）平衡态,（,b,）表面积累,+,（,c,）表面耗尽,（,d,）表面反型,4,、,表面势,表面势是用于表征半导体表面能带弯曲程度的参数。,对于,p,型半导体：,若,s0,，则能带向上弯，,p,s,p,0,表面空穴积累,；,若,s0,，则能带向下弯，,表面耗尽或反型,；,（耗尽：表面仍为,p,型，,p,s,p,0,反型：表面为,n,型。）,反型时能
6、带弯曲程度大于耗尽,费米势：本征费米能级与,体内费米能级之差。,若,0,s,f,，表面空穴耗尽,；,若,s,f,，半导体表面本征费米能级弯曲至费米能级之下，,表面反型,；,若,s=2,f,，,n,s,=p,0,，,半导体表面进入临界强反型状态，具有,较强的导电能力。,5,、,MOS,管性能的描述,电容,-,电压特性,4.2.2 MOSFET,结构及其工作原理,源,漏,栅,栅氧,场氧,栅长,1,、栅压对源,-,漏电流开关的控制,当栅极不加电压时，无论,S-D,之间加什么极性的电压，均被,反偏,PN,结隔离，源漏之间无电流，处于关态；,若要源漏导通，则需要在源漏之间形成一个导电通道：对于源漏,为,
7、n,型，需要形成,n,型导电通道，即栅极加正向偏压。,V,G,0,，但较小，靠近绝缘层的半导体表面处于耗尽状态。源漏,之间仍然不导通。,V,G,增大到一定值时，半导体表面开始反型，绝缘栅下出现电子层。,当栅压增大到足以使半导体表面临界强反型时，反型层内电子,浓度足够大，形成导电能力较强的,n,型导电沟道，此时，导电沟道,将,n,型源漏连接起来，源漏处于开态。,若处于弱反型状态，,n,型沟道的导电能力较差，源漏之间仍处于关,态；,阈值电压,半导体表面发生临界强反型时所加的栅极电压,V,G,称为,MOSFET,的,阈值电压，用,V,T,表示。,沟道开启以后，若继续增大,V,G,，沟道中电子浓度按指
8、数规律增加，,沟道的导电能力迅速增大，在源漏电压不变的情况下，源漏之间的,电流迅速增大。,转移特性,固定源漏电压,V,SD,，源漏电,流,I,D,随,V,G,的变化关系，称,为,MOSFET,的转移特性。,输出特性,V,GS,V,T,为参量，源漏电流,I,D,随,V,DS,的变化关系，称为,MOSFET,的输出特性。,V,DS,很小时（,V,GS,),反型沟道类似,线性电阻，,I,D,与,V,DS,呈线性关系,(0A,段,),沟道电阻为,0A,直线的斜率。,+,+,S,D,输出特性,V,DS,增大，栅与源之间电势差不变，但,栅与漏之间电势差减小，靠近漏极的,沟道厚度减薄，沟道电阻增大，,I,D
9、,随,V,DS,增加变慢，输出特性曲线斜率变小，,如,AB,段。,+,+,S,D,输出特性,V,DS,增大到某一定值时（,V,Dsat,），漏,端的沟道消失，称为漏端沟道夹断。,夹断出现后，沟道中出现高阻的耗尽,区。,V,DS,增加的部分几乎都加在耗尽,区（沟道上的压降几乎不变），所以,I,D,出现饱和。,V,Dsat,为源漏饱和电压。,+,+,S,D,输出特性,进一步增大,V,DS,，夹断区向源端扩展，,沟道中耗尽区的长度增加。随着,V,DS,的增大，耗尽区中电场增大，引起,雪崩击穿。此时，,I,D,急剧增大，发生,雪崩击穿时的源漏电压称为,MOSFET,的击穿电压，用,BV,DS,表示。,
10、输出特性,V,DS,V,T,的条件下，越大，反型沟道中的载流子浓度越高，,对应的源漏电流,I,D,越大。,输出特性,转移特性,阈值电压,源漏饱和电压,源漏击穿电压,4.2.3,影响,MOSFET,阈值电压的因素,1,、对阈值电压的理解,临界强反型：反型层中的电子,浓度与半导体体内多子浓度相等。,即,s=2,f,，半导体表面进入,临界强反型状态。,当表面电子浓度与体内多子浓度,相等时：,Ei,（体内）,-E,Fs,=E,Fs,-Ei,（表面）,2,、理想,MOSFET,的阈值电压,半导体耗尽层上的分压：,这部分电压引起半导体,表面能带弯曲。,绝缘层上的分压：,这部分电压不能,引起半导体表面,能带
11、弯曲。,栅氧层的性质,（氧化层的介电常数、,厚度、面积等）会影响阈值电压的,大小。,衬底的性质,（掺杂浓度、本征载流子,浓度）会影响阈值电压的大小；,3,、金属半导体功函数差对,MOSFET,阈值电压的影响,实际情况下，金属功函数与半导,体功函数会存在一定的差值。,实际情况下，在平衡态时，半,导体表面能带已经发生了弯曲。,实际情况下，在平衡态时，半,导体表面能带偏离了理想情况。,通过外加电压，恢复成理想情况,能带无弯曲（平带）。,使能带恢复为平带的外加电压,称为平带电压。,平带电压的大小等于金属半导体的功函数差,4,、氧化层及界面电荷对,MOSFET,阈值电压的影响,氧化层及界面电荷的存在会使
12、半导体表面产生电,场，能带发生弯曲，偏离理想情况。需要施加平,带电压，恢复成能带无弯曲的情况。这种情况下，,平带电压的大小与绝缘层中电荷数相关。,影响,MOSFET,阈值电压的因素主要有：,1,、半导体衬底性质,掺杂浓度,NA,、本征载流子浓度,ni,；,综上,MOSFET,阈值电压的表达式：,2,、绝缘层电容大小,绝缘层介电常数、厚度、面积；,3,、金属半导体的功函数差；,4,、绝缘层中电荷数量。,5,、,MOSFET,的分类,n,沟道、,p,沟道,导电沟道类型,增强型、耗尽型,栅压为,0,时，源漏是否导通,4.2.4 MOSFET,的电流,-,电压关系,栅宽,栅长,载流子的迁移率,绝缘层电
13、容,L,C,W,ox,n,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,2,2,DS,DS,T,GS,D,V,V,V,V,I,?,非饱和区：,饱和区：,进入饱和区后，电流,几乎不再受源漏电压的,影响，在,V,GS,一定值时，,漏极电流保持恒定。,该电流值等于,B,点的电,流值,.B,点对应的源漏电压,即为源漏饱和电压：,T,GS,Dsat,V,V,V,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,2,2,DS,DS,T,GS,D,V,V,V,V,I,?,源漏饱和电压,?,?,2,2,T,GS,Dsat,V,V,I,?,?,?,饱和区：,输出特性曲线上，,V,DS,=V,GS,-
14、V,T,的曲线为临界饱和线。,非饱和区：,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,2,2,DS,DS,T,GS,D,V,V,V,V,I,?,?,?,2,2,T,GS,Dsat,V,V,I,?,?,?,饱和区：,跨导,跨导的大小反应栅压对漏极电流的控制能力。跨导越大，控制,能力越强。,L,C,W,ox,n,?,?,?,4.2.6 MOSFET,的击穿,1,、栅介质的可靠性与栅介质的击穿,当栅压过大时，栅介质会发生击穿。若栅介质发生击穿，,半导体表面的载流子会发生泄露，导电沟道消失。,（,a,）三角形势垒遂穿,（,b,）直接遂穿,在大电场或大电流的作用,下，栅介质中缺陷密度增,加，形成导电通道
15、，栅介,质完全击穿。,2,、源漏击穿,随着源漏电压的增大，导电沟道出现夹断。电压继续增大，,耗尽区的电场增强，引起雪崩击穿，,I,D,急剧增大。,在曲率半径大的区域，电场最强，该区域最容易发生雪崩击,穿。,4.2.10 MOSFET,的等比例缩小,MOSFET,器件与电路参数,乘积因子,器件参数按比,例缩小的衍生,结果,栅长,L,1/,栅宽,W,、绝缘层厚度,t,ox,1/,掺杂浓度,N,A,、,N,D,结深,x,j,1/,电路参数按比,例缩小的衍生,结果,耗尽层电容,1/,电路延迟时间（,=RC,）,1/,单位电路的功耗,1/,2,阈值电压,1/,电路密度,2,第四章,重点,1,、理想,MO
16、S,管的能带结构,平衡态,非平衡态,外加电压,能够根据非平衡态时能带结构，判,断出半导体表面的状态：积累、耗,尽、反型（弱反型、临界强反型）,2,、表面势,理解表面势的含义：,表征能带弯曲程度,结合能带图，分析表面势不同取值时，能带弯曲的情况，,进而判断,MOS,管半导体表面状态。,3,、,MOSFET,的工作原理,转移特性,增强型,n,沟道,MOSFET,1,、为什么栅极电压要达到一定,值时，源漏才有电流流过？,2,、源漏开始导通时，,MOS,结构,中半导体表面处于哪种状态？,输出特性,源漏饱和电压,V,Dsat,漏端沟道夹断,T,GS,Dsat,V,V,V,?,?,转移特性,4,、,MOS
17、FET,的阈值电压,阈值电压,影响阈值电压的因素：,非理想,MOS,的能带图,实际,MOS,管在平衡态时半导体侧能带会发生弯曲，这与理想,MOS,管在平衡态时的能带有一定的区别，引起实际情况与理想情况出现,偏差的原因？,（,2,个原因）,1,、金属半导体的功函数差；,2,、绝缘层中电荷数量。,5,、,MOSFET,的类型,1V,1,、,已知一,MOSFET,的转移特性如下图，若栅极电压,V,GS,为,4V,，,源漏饱和电压值为？,-1V,2,、,已知一,MOSFET,的转移特性如下图，若栅极电压,V,GS,为,-4V,，,源漏饱和电压值为？,5,、,MOSFET,的电流电压关系,输出特性曲线上
18、，,V,DS,=V,GS,-V,T,的曲线为临界饱和线。,非饱和区：,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,2,2,DS,DS,T,GS,D,V,V,V,V,I,?,?,?,2,2,T,GS,Dsat,V,V,I,?,?,?,饱和区：,能够根据,V,GS,、,V,DS,、,V,T,计算出非饱和状态或饱和状态时的漏极电流,.,6,、跨导,能够根据,V,GS,、,V,DS,、,V,T,计算出非饱和状态或饱和状态时的跨导值,7,、,MOSFET,的击穿,了解,MOSFET,的击穿包括：栅介质的击穿及源漏击穿。,8,、,MOSFET,的等比例缩小规则,要求掌握等比例缩小规则下，器件各参数的变化及电路性能的变化。,例：按照等比例缩小规则，当栅长缩小,K,倍时，介质层厚度应如何,调整？,
