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1、MOS场效应晶体管的基本特性,MOSFET的结构、种类和特点 MOSFET的直流特性和阈值电压调整MOSFET的交流响应,双极型晶体管和场效应晶体管的区别,双极型晶体管：由一个P-N结注入非平衡少数载流子，并由另一个P-N结收集而工作的。在这类晶体管中，参加导电的不仅有少数载流子，也有多数载流子，故称为双极型晶体管。,场效应晶体管（FET）：利用改变垂直于导电沟道的电场强度来控制沟道的导电能力而工作的。在场效应晶体管中，工作电流是由半导体中的多数载流子所输运的，因此也称为单极型晶体管。,场效应晶体管的分类,第一类：表面场效应管，通常采取绝缘栅的形式，称为绝缘栅场效应管（IGFET）。若用二氧化
2、硅作为半导体衬底与金属栅之间的绝缘层，即构成“金属氧化物半导体”（MOS）场效应晶体管，它是绝缘栅场效应管中最重要的一种；第二类：结型场效应管（JFET），它就是用P-N结势垒电场来控制导电能力的一种体内场效应晶体管；第三类：薄膜场效应晶体管（TFT），它的结构与原理和绝缘栅场效应晶体管相似，其差别是所用的材料及工艺不同，TFT采用真空蒸发工艺先后将半导体-绝缘体-金属蒸发在绝缘衬底上而构成。,MOSFET相比双极型晶体管的优点,（1）输入阻抗高：双极型晶体管输入阻抗约为几千欧，而场效应晶体管的输入阻抗可以达到1091015欧；（2）噪声系数小：因为MOSFET是依靠多数载流子输运电流的，所以
3、不存在双极型晶体管中的散粒噪声和配分噪声；（3）功耗小：可用于制造高集成密度的半导体集成电路；（4）温度稳定性好：因为它是多子器件，其电学参数不易随温度而变化。（5）抗辐射能力强：双极型晶体管受辐射后下降，这是由于非平衡少子寿命降低，而场效应晶体管的特性与载流子寿命关系不大，因此抗辐射性能较好。,MOSFET相比双极型晶体管的缺点,工艺洁净要求较高；场效应管的速度比双极型晶体管的速度来得低。,7.1 MOSFET的结构和分类,漏源区，栅氧化层，金属栅电极等组成,用N型半导体材料做衬底 用P型半导体材料做衬底,由N型衬底制成的管子，其漏源区是P型的，称为P沟MOS场效应管；由P型材料制成的管子，
4、其漏源区是N型的，称为N沟MOS场效应管。,P沟MOS管的工作原理,在工作时，源与漏之间接电源电压。通常源极接地，漏极接负电源。在栅极和源之间加一个负电压，它将使MOS结构中半导体表面形成负电的表面势，从而使由于硅二氧化硅界面正电荷引起的半导体能带下弯的程度减小。当栅极负电压加到一定大小时，表面能带会变成向上弯曲，半导体表面耗尽并逐步变成反型。当栅极电压达到VT时，半导体表面发生强反型，这时P型沟道就形成了。空穴能在漏源电压VDS的作用下，在沟道中输运。VT称为场效应管的开启电压。显然，P沟MOS管的VT是负值。由前面的讨论可知，形成沟道的条件为,表面强反型即沟道形成时，在表面处空穴的浓度与体
5、内电子的浓度相等。开启电压是表征MOS场效应管性能的一个重要参数，以后内容中还将做详细介绍。另外，还可以指出，当栅极电压变化时，沟道的导电能力会发生变化，从而引起通过漏和源之间电流的变化，在负载电阻RL上产生电压变化，这样就可以实现电压放大作用。,MOSFET的四种类型,P沟耗尽型：栅压为零时，沟道已存在，加上一个正的栅压可以使P型沟道消失。,P沟增强型：栅压为零时，沟道不存在，加上一个负的栅压才能形成P型沟道。,N沟增强型：栅压为零时，沟道不存在，加上一个正的栅压才能形成N型沟道。,N沟耗尽型：栅压为零时，沟道已存在，加上一个负的栅压才能使N型沟道消失。,如果在同一N型衬底上同时制造P沟MO
6、S管和N沟MOS管，（N沟MOS管制作在P阱内），这就构成CMOS。,MOSFET的特征,1双边对称在电学性质上源和漏是可以相互交换的。与双极型晶体管相比，显然有很大不同，对于双极型晶体管，如果交换发射极与集电极，晶体管的增益将明显下降。2单极性在MOS晶体管中参与导电的只是一种类型的载流子，这与双极型晶体管相比也显著不同。在双极型晶体管中，显然一种类型的载流子在导电中起着主要作用，但与此同时，另一种载流子在导电中也起着重要作用。,3高输入阻抗由于栅氧化层的影响，在栅和其他端点之间不存在直流通道，因此输入阻抗非常高，而且主要是电容性的。通常，MOSFET的直流输入阻抗可以大于1014欧。4电压
7、控制MOSFET是一种电压控制器件。而且是一种输入功率非常低的器件。一个MOS晶体管可以驱动许多与它相似的MOS晶体管；也就是说，它有较高的扇出能力。5自隔离由MOS晶体管构成的集成电路可以达到很高的集成密度，因为MOS晶体管之间能自动隔离。一个MOS晶体管的漏，由于背靠背二极管的作用，自然地与其他晶体管的漏或源隔离。这样就省掉了双极型工艺中的既深又宽的隔离扩散。,7.2 MOSFET的特性曲线,对于MOSFET则可引进输出特性曲线和转移特性曲线来描述其电流电压关系。,输出特性曲线,通过MOSFET的漏源电流IDS与加在漏源极间的电压VDS之间的关系曲线即为输出特性曲线。这时加在栅极上的电压作
8、为参变量。以N沟道增强型MOSFET为例来进行讨论。（共源极接法）,源极接地，并作为输入与输出的公共端，衬底材料也接地。输入加在栅极G及源极S之间，输出端为漏极D与源极S。,对于N沟道增强型管，VDS为正电压，VGS也是正电压。当VGS大于开启电压时，N沟道形成，电流通过N沟道流过漏和源之间。定性地可以将它分为三个工作区来进行讨论。,可调电阻区/线性工作区/三极管工作区,当漏源电压VDS相对于栅极电压较小时，在源和漏之间存在一个连续的N型沟道。此沟道的长度L不变，宽度W也不变。从源端到漏端沟道的厚度稍有变化。这是因为VDS使沟道中各点的电位不同，在近源处（VGS-V沟）比近漏处的大，表面电场较
9、大，沟道较厚。但是，总的来讲，沟道的厚度比氧化层厚度小得多。由此可见，此时的沟道区呈现电阻特性，电流IDS与VDS基本上是线性关系。而且，VGS越大，沟道电阻越小，可调电阻区的名称由此而来。,可调电阻区的范围为VDSVGS-VT，即保证漏端沟道存在的条件。图8-9（a）表示N沟道增强管VT2V，VGS=6V，VDS=0时的沟道情况。此时沟道中各点电位相同，因此沟道厚度各处相同，IDS0。图（b）表示当VT2V，VGS=6V，VDS=2V时的沟道情况。这时漏端沟道厚度比源端薄，由于相差不大，仍可近似看成均匀。,当VDS继续增加时，例如从2V变到4V时，漏端沟道越来越薄，电阻越来越大，IDS随VD
10、S上升减慢，IDSVDS的直线关系变弯曲。当VDS4V时，漏端处VGS-VDS=VT。这时漏端的沟道进入夹断的临界状态，处于可调电阻工作区与下面要讨论的饱和工作区的边界。IDS将成为漏源饱和电流IDSS。图8-10给出了不同VGS时的IDSVDS关系，即输出特性曲线，其中区域为可调电阻工作区。,饱和工作区,当VDS继续增大，使VDSVGS-VT时，沟道夹断点从漏端向左面源端移动。这样，沟道的长度略有缩短，夹断点的电压仍为VGS-VT，增加的电压VDS-(VGS-VT)都降落在夹断区，如图8-11中的AB段所示。显然，夹断区是耗尽区。由于沟道的长度总的来说变化不大，所以漏源电流基本上达到饱和值I
11、DSS。若VDS再增大，只是使夹断区增大。增加的电压均降落在耗尽区，漏源电流仍基本上维持IDSS值，因此这个区域称为饱和工作区，如图8-10中区域所示。,沟道长度调变效应,两个N+区（源-漏）之间形成沟道长度L满足大大于夹断区AB段长度(长沟道)，其饱和漏源电流基本上不变。图8-10中水平直线。但当沟道长度L不满足大大于夹断区AB段长度(短沟道)时，夹断区对沟道长度缩短的影响不能忽略，从而对电流的影响也不可以忽略，可见饱和工作区中，IDS会随VDS增大而增加，这就是所谓的沟道长度调变效应。它与双极型晶体管中的基区宽度调变效应相当。,雪崩击穿区,当VDS超过漏与衬底间P-N结的击穿电压时，漏和源
12、之间不必通过沟道形成电流，而是由漏极直接经衬底到达源极流过大的电流，IDS迅速增大。这就出现输出特性曲线中的第个区域雪崩击穿区，如图8-12（a）所示。,可以用相似的方法讨论N沟道耗尽型，P沟道增强型，P沟道耗尽型MOSFET的输出特性曲线，它们分别如图8-12（b）（d）所示。,MOSFET的转移特性曲线,MOSFET是一种电压控制器件，它是利用加在栅极和源极之间的电压来控制输出电流的，这和双极型晶体管用基极电流控制集电极电流是不同的。当MOS晶体管工作在饱和区时，工作电流为IDSS。不同的VGS会引起不同的IDSS。我们将IDSS与VGS之间的关系曲线称为转移特性曲线。对于N沟增强型MOS
13、管，VT0，VGS0，其转移特性曲线如图8-13（a）所示。用相似的方法可以得到N沟耗尽型，P沟增强型，P沟耗尽型MOSFET的转移特性曲线，它们分别表示于图8-13（b）（d）。,7.3 MOSFET的阈值电压,N沟道增强型MOSFET的开启电压VT,对于增强型管，VT0,式（7-1）,N沟道耗尽型MOSFET的夹断电压Vp,（8-1）也适合于N沟耗尽型管,这时VT显然小于零。这说明在栅极电压为零即未加电压时，表面沟道已经存在。因此，这时的开启电压实际上就是夹断电压，通常用Vp表示。对于N沟耗尽型MOSFET，Vp0，即当栅极电压VGS-|Vp|时即能开启。栅极电压再负得多些时，沟道截止。,
14、P沟道增强型MOSFET的开启电压VT,显然，P沟道增强型MOSFET的VT0。,式（7-2）,P沟道耗尽型MOSFET的夹断电压Vp,这种管的阈值电压公式仍由上式（8-2）确定，不过要求VT0。也就是说，在栅极电压为零时，P型沟道早已形成。这时的开启电压实质上就是夹断电压Vp。当栅极加的正电压大于Vp时，沟道全部截止。,公式（7-1）、（7-2）只适用于长沟道MOSFET。当沟道长度较短时，必须考虑短沟道效应，管子的阈值电压VT会随沟道长度L的减小而减小。这个问题将在以后讨论。,说 明,7.4 MOSFET的伏安特性,为了方便起见，先作以下几个假定：（1）漏区和源区的电压降可以忽略不计；（2
15、）在沟道区不存在复合产生电流；（3）沿沟道的扩散电流比由电场产生的漂移电流小得多；（4）在沟道内载流子的迁移率为常数；（5）沟道与衬底间的反向饱和电流为零；（6）缓变沟道近似成立，即跨过氧化层的垂直于沟道方向的电场分量与沟道中沿载流子运动方向的电场分量无关。,线性工作区的伏安特性,以N沟道增强型为例：设沟道长度为L，宽度为W，厚度为d，厚度从源到漏略有变化。则线性工作区的直流特性方程可表示为,增益因子,当VDS很小时，IDS与VDS成线性关系。VDS稍大时，IDS上升变慢，特性曲线弯曲，如图所示。,式（7-3）,饱和工作区的伏安特性,当漏-源电压增加到使漏端的沟道夹断时，IDS将趋于不变。其作
16、用像一个电流源，管子将进入饱和工作区。使管子进入饱和工作区所加的漏-源电压为VDsat，它由下式决定：,将上式代入式（7-3），可得到饱和工作区的漏-源电流（漏-源饱和电流）,严格来讲，饱和工作区的电流不是一成不变的。因为这时实际的有效沟道长度减小了。当VDS增大时，由于沟道长度减小，IDSS将随之增加。,漏源饱和电流随沟道长度的减小而增大的效应称为沟道长度调变效应。这个效应会使MOS管的输出特性明显发生倾斜，导致它的输出阻抗降低。,沟道长度调变效应,击穿区,当漏源电压VDS继续增大时，会出现漏源电流突然增大的情况，这时器件进入击穿区。漏源击穿电压BVDS可由两种不同的击穿机理决定：漏区与衬底
17、之间P-N结的雪崩击穿；漏和源之间的穿通。,漏结雪崩击穿,漏源穿通,在正常工作时，漏结处于反向偏置状态，当反偏电压达到其雪崩击穿电压时会产生击穿，且击穿电压随VGS的增大而增大。,漏极电压VDS增大时，漏结耗尽区增大，使沟道有效长度缩短。当沟道表面漏结耗尽区的宽度LS扩展到等于沟道长度L时，漏结耗尽区增大到源极，就发生漏源之间的直接穿通。,7.5 MOSFET的频率特性,如果将MOSFET的衬底和源短接，通过合理的简化，可以得到如图简化的MOS晶体管等效电路图。,跨导gm,表征在漏源电压VDS不变的情况下，漏电流IDS随着栅电压VGS变化而变化的程度，反映了外加VGS控制IDS的能力。单位：电
18、导（1/），常用西门子（S）表示。,跨导标志了MOSFET的电压放大本领，因为电压增益可表示为：,由上式可知，相同负载的情况下，跨导越大，电压增益越大。,饱和工作区,线性工作区,跨导与VDS成正比,在不考虑沟道长度调制效应的情况下，跨导与VDS无关。,提高跨导的方法,（1）通过改进管子的结构来提高增益因子：增大沟道的宽长比；减薄氧化层厚度从而增大单位面积二氧化硅的电容；减小沟道载流子的浓度以提高沟道内载流子的迁移率。（2）当晶体管工作在饱和区时，还可以通过适当增加VGS来提高跨导。,MOSFET最高振荡频率,对于MOSFET，同双极型晶体管一样，可以引进最高振荡频率来说明管子的优值。,N沟道M
19、OSFET,P沟道MOSFET,减小沟道长度可以有效提高最高振荡频率,7.6 MOSFET的开关特性,在MOS数字集成电路中，MOSFET主要工作在两个状态，即导通态和截止态。MOS数字集成电路的特性就由MOS管在这两个状态的特性以及这两个状态相互转换的特性所决定，这就是所谓的晶体管的开关特性。,倒相器也称为反相器，由反相管（倒相管）和负载两部分组成。通常用N沟增强管作反相管，负载可由不同的形式。负载通常分有源器件和无源器件两种。无源负载即电阻负载，组成电阻负载反相器（E/R反相器）；有源负载又可分为多种不同的MOSFET，常见有E/E反相器（用N沟增强管作负载）、CMOS反相器（用P沟增强管
20、作负载）和E/D反相器（用N沟耗尽管作负载）等。,CMOS倒相器,倒相管为N沟道增强管，其开启电压大于零。两个管子的源与各自的衬底短接后倒相管共接地，负载管共接正向VDD。两个栅极相并联作为输入端。两个漏极连在一起作为输出端。两个衬底之间因反偏而自动隔离。,当输入脉冲为零时，倒相器处于截止态。这时VGS=0，倒相管处于截止状态。由于负载管是P沟道增强型管，VDD为正，相当于在负载管的栅源之间加一个负的电压，使负载管开启，处于导通状态。当输入正脉冲时，倒相器处于导通状态。假定输入正脉冲电压VGSVDD，这时倒相管的栅极电压远大于源极零电位。倒相器可处于充分导通的状态。负载管的栅极电位VDD与源极
21、电位VDD相同，故处于截止状态。特点：CMOS倒相器在导通和截止两种状态时，始终只有一个管子导通，只有很小的漏电流通过，所以CMOS倒相器的功耗很小，且开关时间短。,反相原理,MOSFET的开关特性类似于双极型晶体管的开关特性（略）,7.7 阈值电压VT的控制和调整,在MOS集成电路的制造中，控制好阈值电压VT的值是很重要的。例如，要制造N沟道增强型MOS管，它的VT应为正值，并要求达到一定的值。由于Qss及MS的影响，如果控制不当，VT可能出现负值，变成耗尽型了。通常要求衬底受主杂质浓度大于1015cm-3。如果由于太大，或硼的分凝作用使受主杂质浓度不能达到产生正的VT值的要求，MOS管将变
22、“耗”。为了避免使N沟道增强型MOS管变“耗”，必须控制氧化层中正电荷密度Qss不能太大，或采用衬底反偏电压来提高VT值（背偏置效应），后者利用电学调整方法将增加麻烦。,为了调整阈值电压，在半导体近表面处注入精确控制的相对较少的硼或磷离子，硼注入会导致阈值电压正漂移，磷注入会导致阈值电压负漂移，其作用类同于引入了附加的固定电荷，从而改变VT。N沟道增强型MOS管中注入硼，更是为得到VT值处于所需的正值的一种常用方法。也可以通过改变氧化层厚度来控制VT，随着氧化层厚度的增加，N沟道MOS FET的阈值电压变得更大些，而P沟道MOS FET的阈值电压将变得更小些。相当厚的场氧化层被用来制造集成电路中，防止由于氧化层上布线而造成下面形成导电沟道的一种隔离方法。选择适当的栅极材料来调整功函数差是另一种控制VT的方法，前面提到用多晶硅之外，一些如钨（W）,氮化钛(TiN)等材料被推荐采用。,调整和控制阈值电压的方法,
