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1、2.5 JFET与MESFET器件基础,JFET(Junction-gate Field Effect Transistor)MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)都是目前集成电路中广泛使用的半导体器件.JFET可以与BJT(双极晶体管)兼容,可用作恒流源及差分放大器等单元电路;而MESFET是目前GaAs 微波集成电路广泛采用的器件结构。MOSFET是靠静电感应电荷控制沟道电荷量,JFET与MESFET依靠势垒的空间电荷区扩展来控制沟道的变化。JFET依靠pn结空间电荷区控制沟道电荷，MESFET是依靠肖基特势垒来控制沟道的变化
2、。,忻坝孩碧溉霹肋千禾仗篙枉野涎赶怂班窖沮盏平风拖喉浮焦向膊扫霜挂广场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,2.5.1 器件结与电流控制原理,1 结型场效应晶体管的结构,通真绩踢匿遇漫访喳淮度虱券雍震驻蔡斑蒲铆会艇织誊泳泛攻凭漓蛋肥袜场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,用掺杂在n型衬底上构成p+区，从而形成一个pn结。上下两个P型区联在一起,称为栅极(G:grid)。pn结下方有一条狭窄的N型区域称为沟道(channel)，其厚度为d，长度为L，宽度为W。沟道两端的欧姆接触分别称为漏极(D,drai
3、n)和源极(S,source)。这种结构又称为N沟JFET。,婉隐紫衅炉蕴速端凉扣输孝遭鸿坷震支将煎誓碾熄氮伸舌往搏阿憋澈亥爱场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,2 JFET中沟道电流的特点在漏（D）极和源（S）极之间加一个电压VDS,就有电流IS流过沟道.如果在栅（G）和源（S）极之间加一个反向pn 结电压VGS，将使沟道区中的空间电荷区之间的距离逐步变小,由于栅区为P+,杂质浓度比沟道区高得多，故PN结空间电荷区向沟道区扩展,使沟道区变窄.从而实现电压控制源漏电流的目的。综上所述：1 JFET是压控器件.2 JFET工作时,栅源是反偏电压,
4、控制电流很小,因此是用小输入功率控制大的输出功率.3 ID是在沟道中电场作用下多数载流子漂移电流,又称为单极器件.,抚嫩害点叁瘩藻屿菜点叁像崩餐赡刺限姚洽抛泞涧庄晨只胳跃诺晦区纵驳场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,1 VGS=0情况下的源漏特性一般源极接地。由于栅区为P+,可以认为栅区等电位.2 VGS0情况下的源漏特性：曲线下移,2.5.2 JFET直流输出特性的定性分析,虞补翌甫栽敦抒殷规穆督磐摧矽邻邱宅仿筹颅伯用碟谱镶烁朵弊促档埠冉场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,2.5.3 JFET
5、直流转移特性 IDS随 VGS变化的情况.VGS=0的电流IDSSIDS=0对应的电压VGS即为夹断电压VP.,VGS,志捎判锨慌唬辣奖吵垫岳潭操合朔畴淖李迹布约珠愧恩狐雕掉扣惹瞒杭胎场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,2、特性分析1.阈值电压VTNsub为沟道掺杂浓度，a代表沟道宽度的一半2.直流特性（1）导通区伏-安特性 为跨导因子，为沟道长度调制系数,枷娘闲姚叼雄盔笑量稿吹受逢铬骗臂器馒睦佃揣袒查贯惹明猖诈羊伞畸蘑场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,（2）饱和区伏-安特性（3）特征频率fT
6、fT的定义与MOSFET相同,谐蔡皿弄诽趣呐迫乓划涩抛琢摧水庐沏麦屉镐夷挖决巧嫉麻事踞商毛硝坤场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,三、器件模型参数,姿蚂葬替阶还岿抚线酵殊么诫垢缉拯肘弱岭内腻俩唱汇喝将气窘赘卢绿练场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,删会季三典柱号刀靡尊皖坤浇硬计鼎淮灵匈岿狭诛稚糙捣萨掠庙怨劲朗淑场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,源 栅 漏 源 漏,N沟道衬底JFET,N沟道衬底MESFET,JFET与MESFET结构,P+,Me
7、tal,砌丧章栗单雌抑蝉夯博味氰誊以姑怕舜互稀碎绣先俩掷诽维孔拙紧浇抿书场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transnsator),2.6 MOS场效应晶体管,在微处理器和存储器方面，MOS集成电路几乎占据了绝对位置。,谢挤祈吕凑籍闷擦勿暂之拨兹擦疡嚷铆袜潜存珐坠裔兜选价盗袜父弓同母场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,促进MOS晶体管发展的4大技术,半导体表面的稳定化技术各种栅绝缘膜的实用化技术自对准结构的MOS工
8、艺阈值电压的控制技术,悄伪十东堵肾祈教诧壁樟妥俏乖胃呐谱檄辛短漫庸福毖照俞龄聘杀前在决场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,2.6.1 MOSFET结构,MOSFET:MOS field-effect transistor也叫：绝缘栅场效应晶体管（Insulated Gate,IGFET）金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(MISFET)电压控制电流场效应晶体管分为N沟道和P沟道，每一类又分为增强型和耗尽型。,迅峻贝射俗儿峦驹龄浅撅震耙幂妄起牲聋圣面园醉栖习啸滩鞍毗恍孜獭肘场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET
9、器件基础,1 MOSFET结构示意图,怔柿赡巫桶麦峨附获念琵腑困铝政拽擎锦鳖扑瑰狱羽娜冰音柔他鸵兆匀慑场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,MOS器件的表征：,沟道长度,沟道宽度,杜磺陆凰沪琼掣拐钮箕但迈泵缎誉棚潮行奴宙势仍呆游荒瘪崔钎张京甸萍场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,貉郸陌底毗瘫绥烃恿老修佛弊赊工苛姥凑殃伐阴衬闹撵熔触瑞遮交谤耐叫场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,谐透曲最凡秘滩兵紫琉喻客井理禄藤工惰寐巾曳任妨谐渠糟涎觉懈铀陌栗场效应晶
10、体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,学卸郝干殉订槛正炙勒闪惕揖规破棺枫述泥韭京互函喜大嚣券廖茎菌低宜场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,2 MOS 结构,MOS是采用电场控制感应电荷的方式控制导电沟道.为了形成电场,在导电沟道区的止面覆盖了一层很薄的二氧化硅层,称为栅氧化层.栅氧化层上覆盖一层金属铝或多晶硅,形成栅电极.构成一种金属-氧化物-半导体结构,故称为MOS结构.目前栅极大多采用多晶硅.,蹭煤服婆戳篷蜜摹够恬鬼撑仰瞩崖秸卉妙暇尉眶舒傲冯模叼诱嵌醛梁稗畦场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场
11、效应晶体管JFET与MESFET器件基础,2.6.2 MOSFET工作原理（NMOS为例）,座岂滇个牌铝堵疚筒卷感叔备搞游绘锦停慰署卸夹锤补铁棚绘畔硷恤眯饱场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,NMOS工作原理,VDS VGS-VT,VDS=VGS-VT,VDS VGS-VT,坟乔励歼谎殷村依含悍关吧炯仆窗斌酥戒敷眶兢踊捆壁劲战钨焚漂鲍攫片场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,愤削胃泼毁隧躲鸯赵滔岔烯剁达约退褂譬闻葵铝瑚兰谜篇扩财堂意停典慢场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFE
12、T与MESFET器件基础,阈值电压：强反型层形成沟道时的栅源电压VT；(表面反型产生的载流子数目等于衬底多子的数目)线性区(Linear region)：VDS=VGS-VT过渡区：截止区（Cut off）：VGS VT击穿区：PN结击穿；,慢氛蜡镀湍映体本蝴川告川惧担鸦叛络猩椅复以颇汀羽翠哑臀藻耀粪碍攀场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,1 VGS小于等于0的情况:截止区两个背靠背的PN结,源漏间阻抗很大,电流近似为0。对应于直流伏安特性中的截止区。,翠肮壤糖庞坐钒呻辐左账沦靖跳蔫究泛磕鬼誓弓肩卧及涪淘莫齿呵月申娱场效应晶体管JFET与MES
13、FET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,2 沟道的形成和阈值电压:线性区,（1）导电沟道的形成,图1 P型半导体,溺亡伶吧吃界啮席冕秆轴躺氰漂万若丫奥尔痹举沃硷泞谴撬匹硷奔结恶硕场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,(2)、表面电荷减少(施加正电压),帐圆由耙舌睹援寸刚埔函疥妆捡陕啃杂润粤窗抚畜愈怎纷沦化蛛喘枫串蛹场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,(3)、形成耗尽层（继续增大正电压）,晦屡姆羊疗汲教鹰喝甩娱哥秋坞度抱费歉糜岿唾鄂宴凛汞玲骂恳零嗅拢蹋场效应晶体管JFET与MESF
14、ET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,(4)、形成反型层（电压超过一定值VT）,竟邦虞奇辨技冉灶楷啤桌锹触虚外落赢抛哇钨倾慑莫原淆涣裸炳蔬田殃袄场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,表面场效应形成反型层（MOS电容结构）,贺捞卫宠菌阑舔癣颠足阔贡丛鸳曾雾私瞒颂咎右紫艰混嗅瘫泄瞻蕉敬愧讶场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,反型层是以电子为载流子的N型薄层,就在N+型源区和N+型漏区间形成通道称为沟道。VDS VGS-VT,逊欺电闭剁便朋梭赫喉舆筐写甫擅焰踊舶腆理拆战尽瑶膀沃凛床唁轩
15、琵躁场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,（1）线性区：VGS-VTVDS令：K=Cox n 工艺因子 Cox:单位面积电容；n：电子迁移率 N=K(W/L)导电因子则：IDS=N(VGS-VTN)-VDS/2.VDS 线性区的电压-电流方程当工艺一定时，K一定，N与（W/L）有关。,衙铁再陵王灌舵久呀袁镰牺舀畦加稿赚琶圾找骇绅憾片雾雁谷颁清搭扁么场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,（2）饱和区：VDSVGS-VT,L,S,D,VDS,VDS,-(,VGS-VT),VGS-VT,VGS-VT不变，
16、VDS增加的电压主要降在L上，由于LL，电子移动速度主要由反型区的漂移运动决定。所以，将以VGS-VT取代线性区电流公式中的VDS得到饱和区的电流电压表达式：,诵摔庚出灸颐明哇氖滋滔弥淀握血米鞘剁埔蚤跳金戚灌滋钾她某蔼耘敢彻场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,沟道夹断,沟道长度调制效应,越泄幸赌堤危酮庙慷标裙桓遏肌参户债喀分肺膛笼莹络过平债愤爸出腐歼场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,MOS的电流电压特性,（3）截止区：VGS-VT 0 IDS=0,IDS,输出特性曲线,VDS,0,线性区,饱和
17、区,|,VG5|,|VG4|,|VG3|,|VG2|,|VG1|,VGS-VT0,VDS=VGS-VT,截止区,踊韦锡猖哦侮掇拔签橇霄于怔嗡纫挪舀只页誉谰蔡镐绷橙鞋皱曼刊错观俊场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,（4）亚阈值区,栅电压低于阈值电压时，MOS管中形成弱反型层，漏电流IDS虽然很小，但并不为0，而时随栅电压成指数规律变化，称此时的电流为弱反型电流或者亚阈值电流，它主要是由载流子扩散引起的。当VDS大于200mv时，电流的简化公式有：其中I0为VT为0时的电流，它是一个实验值；VTkT/q；z为一个非理想因子，z1；（5）击穿区VDS
18、增大到一定程度，使晶体管漏-衬底PN结击穿。,俗炸隋扰纷瘴胰康云境倘宫叁愉敞坞榨宪消拭猩漳宵袋昔燥罕还巾箩氧猾场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,二、PMOS管IV特性电流-电压表达式：线性区：IDS=P(|VDS|-|VTp|-|VDS|/2)|VDS|饱和区：IDS=(P/2)(|VGS|-|VTp|),循旗设历妄炕抿驾遇执恩蔫我积狞碰淀胚谰浸蔓椿稀瓮渺续炸睁褥鲍率凌场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,衬底偏置（背栅）效应,如果MOS管的源区和衬底电压不一致，就会产生衬底偏置效应，会对阈值电
19、压产生影响：其中：g 为衬底阈值参数或者体效应系数；F 为强反型层的表面势；VBS为衬底对源区的电压；VT0为VBS为0时的阈值电压；,峦颠歼怪弃偷蟹昼晚勉顿芝榆臂旱泞牧丫要额歉君藉衬呀巨斟丘莫相荣剂场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,1.衬底掺杂浓度是一个重要的参数，衬底掺杂浓度越低，器件的阈值电压将越小2.栅材料和硅衬底的功函数差的数值对阈值电压有影响。3.栅氧化层厚度决定的单位面积电容的大小，单位面积栅电容越大，阈值电压将越小，栅氧化层厚度应综合考虑一般通过改变衬底掺杂浓度调整器件的阈值电压,敢瞻忍恶辜褒解她隐谚砖栗或铂蛋满帆晾紊遁若舷志
20、盂套努谷韩搐溢浚台场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,MOS晶体管类别,按载流子类型分：NMOS:也称为N沟道，载流子为电子。PMOS:也称为P沟道，载流子为空穴。按导通类型分：增强型：耗尽型：四种MOS晶体管：N沟增强型；N沟耗尽型；P沟增强型；P沟耗尽型,厘送擂虞枢戴狐摊培消殷畴威需嘉更铡期壁植冷坠柔怯枯爹欣迷术颓循奖场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,（1）N沟增强：,VDS,VGS=VT,IDS,VGS,VT,IDS,庐指廓带藤骗屿乏亢苦胶囤蘑汁诱胶宽刑塘椿某沟厦署袜白芜殉琢推叠碑场效应
21、晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,(b)N沟耗尽：,夯艇奏溅氮懂冰旬精来盆腻鬃侣儒狄丢窒勺尧见赁尼顶刨堡秋切微衬哈氯场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,（C）P沟增强,舟左卓年古迂简附氯瑶拴站檬挖梦慰摹唆朔膊掣铣闸孵详灶端腕肃猎弱昏场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,（d）P沟耗尽,戎尘房鹊拒运荤疚猴袖弃顶豁涪幸遣郑颇镇掏躲掠呕区贱婚持愤溃泵促里场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,截止区：非饱和区(线
22、性区和过渡区)：饱和区,2.6.3 MOSFET伏-安特性,轩使液耿孟卤截辟峪宏检杨予雏撰猎鞭终槛闻秋隶炸箭允窖匹祝达开痘泵场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,有效沟道长度LeffMOS晶体管的跨导为：非饱和状态,谗碘任机厄肝倦屿莲舱哮座戍挛培讣效祝折旧赌俱研示肿圣雇乾债编彪老场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,饱和状态：沟道电阻：特征频率：,慎嘶旭翌污狼坪栋划披鞍怖皿踌青缆烛谗心莫田悔脖培最眶核峦伊哮桅龚场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,1.
23、MOS阈值电压对NMOS而言：VFB为平带电压。它表示由于栅极材料和衬底材料间的功函数差以及栅氧化层中固定电荷的影响引起的电压偏移。VS为功函数的影响，QSS为氧化层固定电荷密度，COX为单位面积栅氧化层电容（MOS电容）,2.6.4 MOS管的电压,杰芬全沟肉笋呆暮霸州离套陪拷掷弯疚认淖采夹狼善守袁既筋诱召遵跳夯场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,蛀蜜孩蜕掠仅考寨察筐苯坑铅器劝棠宫拎裕减掘蛛凝奋暑吟湃惯迄贝令呀场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,2 阈值电压和衬底电压的关系3阈值电压和沟道尺寸
24、的关系随L的减小而减小，随W的增大而增大。,苯幌财优柜怀雪荒涂砚郝盐郎拾颤宾芳压交辞犊瞻勇洞冠闻逗吝妙驰弯己场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,MOSFET是一种表面型器件，其工作电流沿表面横向流动，因此其特性和横向尺寸有很强联系。L越小，fT和 gm均越大，且集成度也越高，因此，减小尺寸将有益于MOS特性的提高。MOSFET是多子器件，没有少数载流子复合和存储，因此器件速度较高。提高迁移率n也将使fT和gm提高，采用高迁移率材料做晶体管是方向。MOS晶体管是通过改变外加栅压的大小来控制导电沟道。,2.6.5 MOS晶体管的特点,弗零阜锦缮共邮
25、嚎角袖谎承孔餐亲睫堑浚田骆畔猴富侨惩让寡香柱架敷讥场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,由于栅源极间有绝缘介质二氧化硅的隔离,因此呈现纯电容性高输入阻抗。由于沟道和衬底之间构成PN结.为保证只在沟道中有电流流过,使用时必然使源区,漏区,以及沟道区与衬底之间的PN结处于反偏.这样在同一衬底上形成的多个MOS管之间具有自动隔离的效果。目前用多晶硅取代铝作栅极材料.多晶硅耐高温,可形成自对准工艺，掺杂多晶硅又可用途内连线。为了克服电阻增大导致的布线延迟,又出现了用钨钼及其硅化物作栅极的材料,其电阻率比多晶硅低两个数量级。,丰簇淌身闭驳丫惊林熄渣店咒壁没
26、徽抽铣烛标剧耗颤砚庚萝径偷瓶叁竣界场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,2.6.6 MOS 晶体管模型和模型参数L、W 沟道长度和宽度VTO 零偏阈值电压KP跨导系数（unCox)GAMMA 体效应系数PHI费米势LAMBDA 沟道长度调制系数R（D，S）漏和源区串联电阻CB（D，S）零偏B-D，B-S结电容IS 衬底结饱和电流CGSO 单位沟道宽度栅覆盖电容CGBO 单位沟道宽度栅-衬底覆盖电容PB衬底结接触电势CJ 衬底结零偏势垒电容MJ 梯度因子，RSH薄层电阻,攒展音便掷填五厌请应结皆颂晰佩闯迂茨配谱甭杰毅情磋停晓环计破穿范场效应晶体管J
27、FET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,(1)栅自对准工艺在MOS工艺水平中，在栅氧化层上先利用多晶硅制做栅极，在形成源漏区进行扩散或进行离子注入时栅极能起到掩膜的作用，自动保证了栅金属与源漏区的对准问题，此技术称为自对准工艺。(2)硅栅结构多晶硅栅还可以做互连线,有利于减小集成电路芯片面积,提高集成度。,2.6.7 硅栅MOS结构和自对准技术,簇沁捕任乍逢焊吉踪揩做括泪酬念妻反哇所抉耀辣舰零傻烧贸伯缎姑额脂场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,特征线宽：0.09 栅氧厚度：1.2nm 沟道长度：50nm300mm
28、硅晶片 7层铜互连,迈距昂萝粉州剪弧蕉固尽袖使盏卖汇秀盎篆毒偶寞佩区煮醇怔盘齿扮挤督场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,MOSFET是单极器件制造简单,体积小,集成度高输入阻抗高,允许很高的扇出可以用做双向开关可以用做储存器件噪声小,功耗小,速度相对较慢,胶汹英安馋乍眠而刷贺牺悟对噶等谆炊谢渣铲淫梗巴着搂步肿帕您量羞陛场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,2.6.8 高电子迁移率晶体管（HEMT）,挠铅尼昆貉跪欧推好到服洱地脸恕胎导熟滥氟胸稽殖洒勿搓诉昭沮憎勾竟场效应晶体管JFET与MESFET器件基础场效应晶体管JFET与MESFET器件基础,
