《微电子学概论》ch2MOS场效应晶体管.ppt

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1、半导体器件物理基础,MOS场效应晶体管,场效应管与晶体管的区别,晶体管是电流控制元件；场效应管是电压控制元件。晶体管参与导电的是电子空穴，因此称其为双极型器件；场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子，因此称其为单级型器件。晶体管的输入电阻较低，一般102-104；场效应管的输入电阻高，可达109-1014,晶体管的基本结构,MOS场效应晶体管,场效应晶体管,结型场效应晶体管（JFET）,金属半导体场效应晶体管（MESFET）,MOS 场效应 晶体管（MOSFET）,OUTLINE,结型场效应晶体管MIS结构 MOS电容结构MOSFET,N,基底：N型半导体,两边是P区,G(栅极),S

2、源极,D漏极,结构,导电沟道,结型场效应晶体管,P沟道结型场效应管,N沟道结型场效应管,工作原理（以P沟道为例）,USD=0V时,UGS,P,G,S,D,USD,N,N,ID,PN结反偏，UGS越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。,UGS 对导电性能的影响,UDS=0V时,P,G,S,D,USD,UGS,ID,UGS越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。,但当UGS较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。,UGS达到一定值时（夹断电压VT）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使USD 0V，漏极电流ID=0A。,P,G,S,D,USD,UGS,ID,P,G,S,D,USD,U

3、GS,UGS0、UGDVT时耗尽区的形状,越靠近漏端，PN结反压越大,ID,USD 对导电性能的影响,P,G,S,D,USD,UGS,UGSVT且USD较大时UGDVT时耗尽区的形状,沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。,ID,G,S,D,USD,UGS,UGSVT UGD=VT时,漏端的沟道被夹断，称为予夹断。,USD增大则被夹断区向下延伸。,ID,G,S,D,USD,UGS,UGSVT UGD=VT时,此时，电流ID由未被夹断区域中的载流子形成，基本不随USD的增加而增加，呈恒流特性。,ID,结型场效应管的缺点：,1.栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。,3.栅源极

4、间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。,绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题,2.在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。,绝缘栅场效应管,P型基底,源漏区,绝缘层,导电沟道,金属铝（栅极）,根据导电沟道：nMOS、pMOS,MOS场效应管,OUTLINE,结型场效应晶体管MIS结构 MOS电容结构MOSFET,MIS结构,金属（Metal）,绝缘体（Insulator）,半导体（Semiconductor）,MIS结构是MOSFET的基本组成部分,+,P,VG0,多子远离表面,+,P,VG0,耗尽层（高阻区）,+,P,VG0,反型层：由少子组成，称为沟道。,表面空间

5、电荷层和反型层,N沟道,P,VG0,多子被吸引表面,P,VG0,半导体内的变化并不显著,表面空间电荷层和反型层,OUTLINE,结型场效应晶体管MIS结构 MOS电容结构MOSFET,电容的含义,平行板电容器,电容C定义为：,直流和交流时均成立,MOS结构的电容,交流电容,交流电容C定义为：,对于理想的交流电容，C与频率无关这里理想指电容中没有能量的耗散：1、忽略金属引线的电阻（超导线2、介质层不吸收能量,MOS 电容的结构,半导体中的电容通常是交流电容,OUTLINE,结型场效应晶体管MIS结构 MOS电容结构MOSFET,MOSFET,增强型MOSFET*,耗尽型MOSFET,增强型MOS

6、场效应管(以N沟道为例）,漏极D收集极C,源极S发射极E,栅极G基极B,衬底B,电极金属绝缘层氧化物基体半导体因此称之为MOS管,当UGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。当UGS=UT时,在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在UDS的作用下形成ID。UT：开启电压、阀值电压。,当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论UDS之间加上电压不会在D、S间形成电流ID,即ID0.,当UGSUT时,沟道加厚，沟道电阻减少，在相同UDS的作用下，ID将进一步增加,开始无导电沟道，当在UGSUT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管,MOS管衬底

7、偏置效应,保证两个PN结反偏，源极沟道漏极之间处于绝缘态,NMOS管UBS加一负压,PMOS管UBS加一正压,N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,UDS一定时，UGS对漏极电流ID的控制关系曲线ID=f(UGS)UDS=C,转移特性曲线,UT,ID与UGS的关系为,IDK(UGS-UT)2,沟道较短时，应考虑UDS对沟道长度的调节作用：,IDK(UGS-UT)2（1+UDS),K导电因子（mA/V2),沟道调制长度系数,前提：UDS为0或较小，使得UGDUT，相当于晶体管导通,N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,UGS一定时，ID与UDS的变化曲线，是一族曲线 ID=f(UDS)UGS=C,输

8、出特性曲线,1.线性区：当UDS为0或较小时，相当 UGDUT，ID与UDS的关系近线性 ID 2K(UGS-UT)UDS,漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用,此时UDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在UDS作用下ID线性变化，为线性区,当UDS增加到使UGD=UT时，,当UDS增加到UGDUT时，,这相当于UDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。此时的漏极电流ID 基本饱和，为饱和区。,预夹断区域加长，伸向S极。ID基本趋于不变。,当UDS增加到一定程度，ID可能随UDS迅速增加，直至pn结击穿，为击穿区,此时UDS为泄漏击穿电压。,2.饱和区（恒流区）：,3.

9、击穿区：,N沟道耗尽型MOS场效应管结构,耗尽型（常开型）MOS场效应管,+,耗尽型MOS管存在原始导电沟道,N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理,当UGS=0时，UDS加正向电压，产生漏极电流ID,此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示当UGS0时，将使ID进一步增加。当UGS0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小。直至ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压，用符号UP表示。,小结：MOS,沟道区(Channel)，沟道长度L栅极(Gate)源区/源极(Source)漏区/漏极(Drain)NMOS、PMOS、CMOS阈值电压Vt，击穿电压特性曲线、转移特性曲线泄漏电流(截止电流)、驱动电流(导通电流),作业,讨论增强型PMOS晶体管的工作原理,PMOSFET,VBS0，接正偏压,UDS,+,+,+,+,