微電子器件(5-1) (1)

1、 場效應晶體管（場效應晶體管（Field Effect Transistor，F(xiàn)ET）是另一類）是另一類重要的微電子器件。這是一種重要的微電子器件。這是一種電壓控制型多子導電器件電壓控制型多子導電器件，又稱，又稱為為單極型晶體管單極型晶體管。這種器件與雙極型晶體管相比，有以下優(yōu)點。這種器件與雙極型晶體管相比，有以下優(yōu)點 輸入阻抗高；輸入阻抗高； 溫度穩(wěn)定性好；溫度穩(wěn)定性好； 噪聲??；噪聲??； 大電流特性好；大電流特性好； 無少子存儲效應，開關速度高；無少子存儲效應，開關速度高； 制造工藝簡單；制造工藝簡單； 各管之間存在天然隔離，適宜于制作各管之間存在天然隔離，適宜于制作 VLSI 。結型柵場

2、效應晶體管結型柵場效應晶體管（ J FET ）肖特基勢壘柵場效應晶體管（肖特基勢壘柵場效應晶體管（ MESFET ）絕緣柵場效應晶體管絕緣柵場效應晶體管（ IGFET 或或 MOSFET ) 場效應晶體管（場效應晶體管（FET）的分類的分類 JFET 和和 MESFET 的工作原理相同。以的工作原理相同。以 JFET 為例，用一為例，用一個低摻雜的半導體作為導電溝道，在半導體的一側或兩側制作個低摻雜的半導體作為導電溝道，在半導體的一側或兩側制作 PN 結，并加上反向電壓。結，并加上反向電壓。利用利用 PN 結勢壘區(qū)寬度隨反向電壓的結勢壘區(qū)寬度隨反向電壓的變化而變化的特點來控制導電溝道的截面積，

3、從而控制溝道的變化而變化的特點來控制導電溝道的截面積，從而控制溝道的導電能力。導電能力。兩種兩種 FET 的不同之處僅在于，的不同之處僅在于，JFET 是利用是利用 PN 結結作為控制柵，而作為控制柵，而 MESFET 則是利用金則是利用金- 半結（肖特基勢壘結）半結（肖特基勢壘結）來作為控制柵。來作為控制柵。 MOSFET( IGFET) 的工作原理略有不同，利用電場能來控的工作原理略有不同，利用電場能來控制半導體的表面狀態(tài)，從而控制溝道的導電能力。制半導體的表面狀態(tài)，從而控制溝道的導電能力。 根據溝道導電類型的不同，每類根據溝道導電類型的不同，每類 FET 又可分為又可分為 N 溝道器件溝

4、道器件 和和 P 溝道器件溝道器件。 J - FET 的基本結構的基本結構源、漏源、漏 MESFET 的基本結構的基本結構 MOSFET 的基本結構的基本結構 絕緣柵場效應晶體管絕緣柵場效應晶體管 按其早期器件的縱向結構按其早期器件的縱向結構又被稱為又被稱為 “金屬金屬 -氧化物氧化物-半導體場效應晶體管半導體場效應晶體管”，簡稱為，簡稱為 MOSFET ， 但現(xiàn)在這種器件的柵電極實際不一定是金屬，但現(xiàn)在這種器件的柵電極實際不一定是金屬，絕緣絕緣柵柵也不一定也不一定是是氧化物，但氧化物，但仍被習慣地稱為仍被習慣地稱為 MOSFET 。 5.1.1 MOSFET 的結構的結構P 型襯底型襯底 以

5、以 N 溝道溝道 MOSFET 為例，為例，5.1.2 MOSFET 的的工作原理工作原理 當當 VGS VT 時，柵下時，柵下的的 P 型硅表面發(fā)生型硅表面發(fā)生 強反型強反型 ，形成連通源、漏區(qū)的，形成連通源、漏區(qū)的 N 型型 溝道溝道 ，在在 VDS 作用下產生漏極電流作用下產生漏極電流 ID 。對于恒定的。對于恒定的 VDS ，VGS 越大越大 ，溝道中的電子就越多溝道中的電子就越多 ，溝道電阻就越小，溝道電阻就越小，ID 就越大。就越大。 所以所以 MOSFET 是通過改變是通過改變 VGS 來控制溝道的導電性，從來控制溝道的導電性，從而控制漏極電流而控制漏極電流 ID ，是一種電壓控

6、制型器件。，是一種電壓控制型器件。 轉移特性曲線轉移特性曲線：VDS 恒定時的恒定時的 VGS ID 曲線。曲線。MOSFET 的的轉移特性反映了柵源電壓轉移特性反映了柵源電壓 VGS 對漏極電流對漏極電流 ID 的控制能力的控制能力。 N 溝道溝道 MOSFET 當當VT 0 時，稱為時，稱為增強型增強型 ，為，為常關型常關型。VT 0 時，稱為時，稱為耗盡型耗盡型 ，為，為常開型常開型。IDVGSVT0IDVGSVT0 P 溝道溝道 MOSFET 的特性與的特性與 N 溝道溝道 MOSFET 相對稱，即：相對稱，即： (1) 襯底為襯底為 N 型，源漏區(qū)為型，源漏區(qū)為 P+ 型。型。 (2

7、) VGS 、VDS 的極性以及的極性以及 ID 的方向均與的方向均與 N 溝相反。溝相反。 (3) 溝道中的可動載流子為空穴。溝道中的可動載流子為空穴。 (4) VT 0 時稱為耗盡型時稱為耗盡型（常開型）。（常開型）。 5.1.3 MOSFET 的的類型類型 線性區(qū)線性區(qū) 當當 VDS 很小時，溝道就象一個阻值與很小時，溝道就象一個阻值與 VDS 無關的無關的 固定電阻固定電阻，這時這時 ID 與與 VDS 成線性關系，如圖中的成線性關系，如圖中的 OA 段所示。段所示。 輸出特性曲線：輸出特性曲線：VGS VT 且恒定時的且恒定時的 VDS ID 曲線?？煞譃榍€?？煞譃橐韵乱韵?4 段

8、段5.1.4 MOSFET 的輸出特性的輸出特性 過渡區(qū)過渡區(qū) 隨著隨著 VDS 增大，漏附近的溝道變薄，溝道電阻增大，曲線增大，漏附近的溝道變薄，溝道電阻增大，曲線逐漸下彎。當逐漸下彎。當 VDS 增大到增大到 VDsat ( 飽和漏源電壓飽和漏源電壓 ) 時，漏端處的時，漏端處的可動電子消失，這稱為溝道被可動電子消失，這稱為溝道被 夾斷夾斷，如圖中的，如圖中的 AB 段所示。段所示。 線性區(qū)與過渡區(qū)統(tǒng)稱為線性區(qū)與過渡區(qū)統(tǒng)稱為非飽和區(qū)非飽和區(qū)，有時也統(tǒng)稱為，有時也統(tǒng)稱為線性區(qū)線性區(qū)。 飽和區(qū)飽和區(qū) 當當 VDS VD sat 后，溝道夾斷點左移，漏附近只剩下耗盡區(qū)。后，溝道夾斷點左移，漏附近只剩下耗盡區(qū)。這時這時 ID 幾乎與幾乎與 VDS 無關而保持常數(shù)無關而保持常數(shù) ID sat ，曲線為水平直線，如，曲線為水平直線，如圖中的圖中的 BC 段所示。段所示。 實際上實際上 ID 隨隨 VDS 的增大而略有增大，曲線略向上翹。的增大而略有增大，曲線略向上翹。 擊穿區(qū)擊穿區(qū) 當當 VDS 繼續(xù)增大到繼續(xù)增大到 BVDS 時，漏結發(fā)生雪崩擊穿，或者漏源時，漏結發(fā)生雪崩擊穿，或者漏源間發(fā)生穿通，間發(fā)生穿通，ID 急劇增大，如圖中的急劇增大，如圖中的 CD 段所示。段所示。 將各曲線的夾斷點用虛線連接起來，將各曲線的夾斷點用虛線連接起來，虛線左側為非飽和區(qū)，虛線