1、第六章場效應晶體管場效應：半導體的電導被垂直于半導體外表的電場調制的效應叫做場效應場效應：半導體的電導被垂直于半導體外表的電場調制的效應叫做場效應單極型晶體管：只需一種載流子參與導電過程的半導體器件。單極型晶體管：只需一種載流子參與導電過程的半導體器件。場效應晶體管可分為：場效應晶體管可分為：1 1、結型場效應晶體管、結型場效應晶體管 JFET JFET；2 2、金屬一半導體場效應晶體管、金屬一半導體場效應晶體管(MESFET) (MESFET) ；3 3、金屬、金屬- -絕緣體絕緣體- -半導體場效應晶體管半導體場效應晶體管(MISFET)(MISFET)。6.1場效應晶體管的任務原理p場效

2、應管英縮寫FET是電壓控制器件，它利用輸入電壓來控制輸出電流的變化。具有輸入阻抗高噪聲低，動態范圍大，溫度系數低等優點，因此廣泛運用于各種電子線路中。 由實驗測得電壓和電流的對應關系，可得器件的I-V特性曲線。該電路的電壓回路方程可寫為：)(Ddvfi 負載線與特性曲線交點對應的電流ID電壓VD即為器件在這種偏置條件下的穩態電流和電壓。6.1.1晶體管的負載線 器件的任務形狀遭到了VG的控制。比如，在該例中，VG=0.5V時，器件兩端的直流電壓和經過負載的直流電流分別是VD=5V和ID=10mA。不論VG是多大，經過負載的電流和器件兩端的電壓總是在負載線上變化。為器件添加一控制電極VG，VG增

3、大時，經過器件的電流增大。 VG不同，對應IdVD 特性曲線不同，由此可得到一簇IdVD 特性曲線。6.1.2 放大和開關作用p電壓控制的放大作用：p VG上疊加一交流分量，如VG圍繞直流分量變化0.25V, VD變化2 V, 交流電壓放大倍數為2/0.25=8 ;p開關作用：p VG適當變化，電流在iD=0點和iD=E/R之間切換，類似于一個開關。6.2 結型場效應晶體管 JFET 圖圖6-3-0 由兩種工藝制成的由兩種工藝制成的 溝道溝道JFETa外延外延分散工藝分散工藝 b雙分散工藝雙分散工藝n源極源極SourceS 漏極漏極DrainD 柵極柵極GateG：上柵、下柵：上柵、下柵 JF

4、ETJFET的根本構造的根本構造 nP+P+如圖6.3所示的器件中，電子的流向從左向右。電子分開的一端為源極,電子流向的一端為漏極P+區為柵極。P+nP+ 圖圖6-0-1 6-0-1 的的JFETJFET：a a ，b b = = ，c c理想的漏極特性理想的漏極特性 0GVdVPVdVPV 6.2.1夾斷和飽和-任務原理在小電流情況下，耗盡區的寬度也近似等于平衡態耗盡區的寬度，如圖6-4a所示。當VD增大引起電流增大時，漏端電勢高于源端電勢，且柵-溝結處于反偏形狀；反偏壓從漏端的VD降低到源端的0。由此可以判別VG=0V時溝道耗盡區的外形是如圖6-4b所示的外形，即漏端附近的耗盡區深化到了溝

5、道之中，溝道的有效面積減小。當VD和ID繼續增大時，漏端附近的耗盡區擴展到溝道中心線附近，使溝道電阻進一步增大。當VD增大到一定程度時，耗盡區在溝道中心線上相遇，此時溝道被夾斷了，如圖6-4c所示。溝道夾斷后，電流ID不再隨VD的增大而顯著增大，而是根本堅持在夾斷時的程度，即電流飽和。圖6-4 JFET的溝道耗盡區和電流隨漏偏壓VD變化情況(VG=0V)(a)線性變化區； (b)接近于夾斷的情形： (c)夾斷后的情形6.2.2 柵的控制造用p假設在柵極上施加負偏壓，即VG0，那么即使漏極偏壓很小，溝道也很容易被夾斷。負柵偏壓使耗盡區的寬度增大，從而使溝道的寬度減小；在較小的漏極偏壓下，溝道漏端

6、將首先被夾斷。柵壓越負，將溝道夾斷所需的漏極偏壓就越小；同時，飽和電流也比VG=0V時的飽和電流減小了，如圖6.5b所示。顯然，在不同的柵偏壓下，可得到一簇，I-V曲線。p 夾斷后的漏電流如即飽和電流的大小取決于柵偏壓VG的大小。假設在柵極上施加交流信號，那么漏電流的變化就反映了JFET對交流信號的放大作用。由于柵偏壓總是作用在反偏的柵-溝結上，所以JFET的輸入阻抗很高。6.2.3 JFET6.2.3 JFET的的I-VI-V特性特性 p理想的理想的JFETJFET根本假設及其意義根本假設及其意義 p單邊突變結：單邊突變結：SCRSCR在輕摻雜一側在輕摻雜一側p溝道內雜質分布均勻：無內建電場

7、，載流子分布均勻，無分散運動。溝道內雜質分布均勻：無內建電場，載流子分布均勻，無分散運動。p溝道內載流子遷移率為常數；溝道內載流子遷移率為常數；p忽略有源區以外源、漏區以及接觸上的電壓降，于是溝道長度為忽略有源區以外源、漏區以及接觸上的電壓降，于是溝道長度為L L；p緩變溝道近似，即空間電荷區內電場沿緩變溝道近似，即空間電荷區內電場沿y y方向，而中性溝道內的電場只需方向，而中性溝道內的電場只需X X方方向上的分量：二維問題化為一維問題。向上的分量：二維問題化為一維問題。p長溝道近似：長溝道近似：L L2 22a2a，于是，于是W W沿著沿著L L改動很小，看作是矩形溝道。改動很小，看作是矩形

8、溝道。 6.2.3 JFET 6.2.3 JFET的的I-VI-V特性特性圖圖6.2.3-1 6.2.3-1 有源溝道內空間電荷區逐漸改動有源溝道內空間電荷區逐漸改動. .6.2.3 JFET6.2.3 JFET的的I-VI-V特性特性一、夾斷前的電流電壓特性一、夾斷前的電流電壓特性JFETJFET中中x x處耗盡層寬度為處耗盡層寬度為 2102dGqNVxVxW(6-2) (6-2) (6-6) (6-6) 漏漏極電極電流流dxdVWaZjAID2為電為電流流流流過過的截面的截面積積。ZWa2xVpGxdLdVVVVZadxID0012(6-8) (6-8) pGxdGxVVVaqNVaxW

9、a1)(2)(6-7) (6-7) JFETJFET的的I-VI-V特性特性(6-9) (6-9) 式中式中 2323)(32)(320pGDpGpDpDVVVVVVVVGILNqaZLaZGdn22031)(32)(32)(3223232300pGpDppppGpDpDVVVVVGVVVVVVVGI（飽和）(6-10) (6-10) 令令 VD GV0DpGVVVGI100上式闡明，漏極電流對漏極電壓確實是線性依賴關系。也反映出柵極電壓對上式闡明，漏極電流對漏極電壓確實是線性依賴關系。也反映出柵極電壓對I-V曲線斜率的明顯影響。曲線斜率的明顯影響。GDGGDGGDVVVVVVVV231123

10、232323N溝道結型場效應管的柵壓-漏流特性曲線，稱為轉移特性曲線， 6.2.3 JFET6.2.3 JFET的的I-VI-V特性特性 圖圖6.2.3-2 6.2.3-2 的硅的硅N N溝道溝道JFEJFET T 電流電流電壓特性：電壓特性： a a 的實際曲線，的實際曲線，b b實驗結果實驗結果 315105 . 2,170,5 . 1cmNLZmad0sR（a） （b） ID （mA） 0 4 8 12 16 20 0 2 4 6 8 10 VD （V） 0GV V1 V2 V3 V4 線性區 飽和區 ID （mA） 0 4 8 12 16 20 0 2 4 6 8 10 VD （V）

11、0GV V1 V2 V3 V4 6.2.3 JFET6.2.3 JFET的的I-VI-V特性特性溝道夾斷與夾斷電壓：溝道夾斷與夾斷電壓： 在夾斷點，令在夾斷點，令 以及以及 ，可求得夾斷電壓：，可求得夾斷電壓： 式中式中 為夾斷電壓。常稱為夾斷電壓。常稱 為內夾斷電壓。由式為內夾斷電壓。由式5-65-6可見，夾斷電壓可見，夾斷電壓僅由器件的材僅由器件的材料參數和構造參數決議，是器件的固有參數。料參數和構造參數決議，是器件的固有參數。PGVVVaW 0202PdPVNqaV6-4 PV0PV6.2.3 JFET6.2.3 JFET的的I-VI-V特性特性例題例題 N N溝道溝道JFETJFET有

12、：有：以及以及 。求：。求：a a夾斷電壓夾斷電壓 和和 ，b b在柵極和源極兩者在柵極和源極兩者接接地時，地時， 的漏極電流。的漏極電流。解：解： cmZmLmacmNcmNKad1 . 0,30,1,10,105,1231931521350cmnsV PDVV0PVPV： ： a VkNqaVdp77. 31085. 812210510106 . 121415819020b130104 .142LNqaZGdnmAVVVGIPPPD6 . 93223023000VnNNVidaT86. 01025. 210105ln026. 0ln201915206.2.36.2.3理想理想JFETJFE

13、T的的I-VI-V特性特性小結小結建立了理想建立了理想JFET的根本假設。的根本假設。 在理想在理想JFET的根本假設的根底上導出了夾斷前的根本假設的根底上導出了夾斷前JFET的的IV特性方程特性方程深化引見了溝道夾斷和夾斷電壓的概念。由深化引見了溝道夾斷和夾斷電壓的概念。由 可見，夾斷電壓僅由器件的資料參數和構造參數決議，是器件的固有參數。這就可見，夾斷電壓僅由器件的資料參數和構造參數決議，是器件的固有參數。這就是是“在夾在夾斷點夾斷電壓相等一語的根據。斷點夾斷電壓相等一語的根據。 323/200002223DDDGGdkIGVVVVqa N5-4 00202PdPVkNqaV5-6 一、線

14、性區一、線性區 令令 , ,5-45-4式中的第二項：式中的第二項： 把把5-75-7式代入式代入5-45-4式并簡化，得到式并簡化，得到 5-85-8上式闡明，漏極電流對漏極電壓確實是線性依賴關系上式闡明，漏極電流對漏極電壓確實是線性依賴關系5-85-8式也式也反映出柵極電壓對反映出柵極電壓對I-VI-V曲線斜率的明顯影響。曲線斜率的明顯影響。DVGV0 5-75-7GDGGDGGDVVVVVVVV02302302302302311DpoGVVVGI0001230020023232GGDdDDVVVNqakVGI5-4 靜態特性靜態特性二、飽和區二、飽和區 在夾斷點首先發生在漏端，漏極和柵極

15、上的偏置電壓的大小滿足條件在夾斷點首先發生在漏端，漏極和柵極上的偏置電壓的大小滿足條件 可見，夾斷電壓由柵電壓和漏電壓共同確定。對于不同的柵電壓來說，為可見，夾斷電壓由柵電壓和漏電壓共同確定。對于不同的柵電壓來說，為到達夾斷條件所需求的漏電壓是不同的。到達夾斷條件所需求的漏電壓是不同的。 在圖在圖5-45-4 a a中把中把5-95-9式繪成曲線，稱為夾斷曲線。超出夾斷曲線的電流式繪成曲線，稱為夾斷曲線。超出夾斷曲線的電流電壓特性稱為飽和區，這是由于漏極電流是飽和的。電壓特性稱為飽和區，這是由于漏極電流是飽和的。把把5-95-9式代入式代入5-45-4式，導出飽和漏極電流式，導出飽和漏極電流

16、： PGDVVV00000031132PGPGDSVGVVVGI5-95-9DSI5-105-105-10式稱為式稱為JFET的轉移特性，并繪于圖的轉移特性，并繪于圖5-5中。在圖中。在圖5-5中，還畫出了拋中，還畫出了拋 物線物線式中式中 表示柵極電壓為零即柵源短路時的漏極飽和電流。留意表示表示柵極電壓為零即柵源短路時的漏極飽和電流。留意表示在在5-11式中的簡單平方律與式中的簡單平方律與5-10式非常接近。式非常接近。5-115-11201PGDSSDSVVIIDSSI教學要求教學要求JFETJFET的夾斷曲線的意義：的夾斷曲線的意義： 掌握線性區條件：掌握線性區條件： 掌握線性區掌握線性

17、區I IV V特性：公式特性：公式5-85-8掌握飽和區條件：掌握飽和區條件： 掌握飽和區掌握飽和區I IV V特性：公式特性：公式5-105-10作業：作業： 5-95-9DVGV0PGDVVV JFET的幾個突出的特點的幾個突出的特點: JFET的電流傳輸主要由一種型號的載流子的電流傳輸主要由一種型號的載流子多數載流子承當，不存在少數載流子多數載流子承當，不存在少數載流子的儲存效應，因此有利于到達比較高的截止頻率和快的開關速度。的儲存效應，因此有利于到達比較高的截止頻率和快的開關速度。 JFET是電壓控制器件。它的輸入電阻要比是電壓控制器件。它的輸入電阻要比BJT的高得多，因此其輸入端易于

18、與規的高得多，因此其輸入端易于與規范的微波系統匹配，在運用電路中易于實現級間直接耦合。范的微波系統匹配，在運用電路中易于實現級間直接耦合。 由于是多子器件，因此抗輻射才干強。由于是多子器件，因此抗輻射才干強。 與與BJT及及MOS工藝兼容，有利于集成。工藝兼容，有利于集成。 早期的大多早期的大多JFET用半導體硅資料制做，進入二十世紀九十年代，用半導體硅資料制做，進入二十世紀九十年代，LnP、GaLnAsP等等化合物半導體化合物半導體JFET被勝利地制造出來，它們易于同被勝利地制造出來，它們易于同GaLnAsP激光器及探測器集成在激光器及探測器集成在同一光電集成電路芯片上。此外，在高速同一光電

19、集成電路芯片上。此外，在高速GaAs數字集成電路中，用數字集成電路中，用JFET替代替代MESFET，可以改善電路單元的一些性能并能提高芯片的電學參數的合格率。，可以改善電路單元的一些性能并能提高芯片的電學參數的合格率。 p忽略源極、漏極的歐姆壓降和溝道兩端附近區域內的壓降;忽略源區和漏區的接觸電阻。假設把柵和源短路，使VG=0V(見圖6-4)，那么VD小時整個柵區的電勢和X=0處的電勢一樣。在小電流情況下，耗盡區的寬度也近似等于平衡態耗盡區的寬度，如圖6-4a所示。當VD增大引起電流增大時，漏端電勢高于源端電勢，且柵-溝結處于反偏形狀；反偏壓從漏端的VD降低到源端的0。由此可以判別VG=0V

20、時溝道耗盡區的外形是如圖6-4b所示的外形，即漏端附近的耗盡區深化到了溝道之中，溝道的有效面積減小。電流如較小時，I-V曲線近似為直線；如較大時，由于溝道電阻的影響，I-V曲線開場偏離直線關系。當VD和ID繼續增大時，漏端附近的耗盡區擴展到溝道中心線附近，使溝道電阻進一步增大。當VD增大到一定程度時，耗盡區在溝道中心線上相遇，此時溝道被夾斷了，如圖6-4c所示。溝道夾斷后，電流ID不再隨VD的增大而顯著增大，而是根本堅持在夾斷時的程度，即電流飽和。金屬-半導體結在制造工藝上比p-n結更容易精確實現，所以MESFET在高速數字電路和微波電路中運用很廣,特別是III-V族化合物半導體(如GaAs、

21、GaP等) MESFET，因其載流子遷移率和漂移速度都很高，所以任務速度比Si MESFET快得多。6.3金屬一半導體場效應晶體管假設用金屬-半導體肖特基結取代JFET中的p-n結，那么相應構成的場效應晶體管稱為金屬-半導體場效應晶體管(MESFET)。在金屬-半導體結上施加反偏壓也能使溝道耗盡，所以MESFET 具有類似于JFET的電學特性。6.3.1 GaAs金屬-半導體場效應晶體管在半絕緣的GaAs襯底上外延生長一層輕摻雜的n型GaAs作為MESFET的溝道區。源極、漏極的接觸資料通常為Au、Ge合金，肖特基柵的接觸資料通常為Al。在肖特基柵上施加反偏壓，溝道耗盡區向襯底方向延伸，相應的

22、電流-電壓特性與FFET的類似。6.3.2高電子遷移率晶體管在兩層摻雜的寬禁帶半導體之間布置一層不摻雜的窄禁帶半導體，如圖6-8所示的那樣，在兩層摻雜的AlGaAs層之間制造一層不摻雜的GaAs薄層構成異質結，那么異質結的勢壘使中間的GaAs薄層成為一個勢阱。通常把這種夾層構造稱為調制摻雜構造。電子一旦由AlGaAs層進入到GaAs勢阱層中，便會墮入其中并大量積累，因此勢阱中電子的濃度很高。而且，由于勢阱層未經摻雜，電子在其中運動時不受雜質散射的作用，所以遷移率也很高。6.4金屬-絕緣體-半導體場效應晶體管 金屬-絕緣體-半導體場效應晶體管(MISFET)是在數字集成電路中運用最廣的器件之一。

23、這種器件的柵極和導電溝道之間由絕緣層隔開，依托柵上施加的偏壓控制源漏極電流，因此有時也將這種器件叫做絕緣柵場效應晶體管(簡寫為IGFET)。這種器件的襯底資料通常是Si，絕緣介質資料是Si02，柵極可以采用金屬也可以采用多晶硅(更多地采用多晶硅)。所以，最常用的MISFET實踐上是MOSFET。 pMOS場效應晶體管分為加強型Enhancement MOS 或EMOS和耗盡型(Depletion) MOS或DMOS兩大類，每一類有N溝道和P溝道兩種導電類型。N溝道加強型MOSFET根本上是一種左右對稱的拓撲構造，它是在P型半導體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝分散兩個高摻雜的N型

24、區，從N型區引出電極，一個是漏極D，一個是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極 G。P型半導體稱為襯底(substrat)，用符號B表示。N溝道加強型溝道加強型MOS(EMOS)場效應管場效應管pN 溝道耗盡型溝道耗盡型MOS場效應管場效應管: 柵極下方的柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。當屬正離子。當VGS=0時，這些正離子曾經感應出反型層，構成了溝道。時，這些正離子曾經感應出反型層，構成了溝道。p只需有漏源電壓，就有漏極電流存在。當只需有漏源電壓，就有漏極電流存在。當VGS0時，將使時，將使ID進一步添加。進一步添加。VGS0時，隨著

25、時，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減的減小漏極電流逐漸減 小，直至小，直至ID=0。p對應對應ID=0的的VGS稱為夾斷電壓，用符號稱為夾斷電壓，用符號VGS(off)表示，有時也用表示，有時也用VP表示。表示。N溝道耗盡型MOSFET的轉移特性曲線N 溝道耗盡型溝道耗盡型MOSDMOS場效應管場效應管N 溝道耗盡型MOSFET的構造和符號6.4.1 MOSFET的根本任務原理pn+源區和n+漏區采用分散或離子注入方法構成，柵氧化層是在輕摻雜的p型襯底上生長而成的。從平衡態能帶圖(圖6.10a)可以看出，費米能級是平坦的，且源、漏區和溝道構成p-n結處存在勢壘，與兩個背靠背的p-n結勢壘外形是一

26、樣的。 當在柵極上施加相對于襯底的正偏壓時(這里，襯底和源極是銜接在一同的)，柵極上出現正電荷，相應地在溝道區外表感應出負電荷。當柵偏壓增大時，溝道區外表附近出現耗盡層并進而構成含有可動電荷-電子的薄層，該薄層就是MOSFET的導電溝道，源漏間的電流就是經過這個溝道流動的。6.4.2理想MOS構造的性質理想理想MOSMOS構造基于以下假設：構造基于以下假設：1 1在氧化物中或在氧化物和半導體之間的界面上不存在電荷。在氧化物中或在氧化物和半導體之間的界面上不存在電荷。2 2金屬和半導體之間的功函數差為零。金屬和半導體之間的功函數差為零。由于假設由于假設1 1、2 2，在無偏壓時半導體能帶是平直的

27、。，在無偏壓時半導體能帶是平直的。3 3 層是良好的絕緣體，能阻撓直流電流流過。層是良好的絕緣體，能阻撓直流電流流過。因此，即使有外加電壓，外表空間電荷區也處于熱因此，即使有外加電壓，外表空間電荷區也處于熱平衡形狀，這使得整個外表空間電荷區中費米能級平衡形狀，這使得整個外表空間電荷區中費米能級為常數。這些假設在以后將被取消而接近實踐的為常數。這些假設在以后將被取消而接近實踐的MOSMOS構造。構造。 2SiO修正的功函數，定義為:氧化物的導帶底與金屬或半導體的費米能級之差(見圖6.12a中的qm和qs )。費米勢,定義為:半導體體內本征費米能級Ei和外表費米能級EFs之差，反映半導體襯底的“p

28、型程度或“n型程度,稱為費米勢。 理想理想MOSMOS構造的外表空間電荷區構造的外表空間電荷區 圖圖6-4 6-4 幾種偏壓情況的能帶和電荷分布幾種偏壓情況的能帶和電荷分布a a ， b b小的小的 ， c c大的大的GVGVGV 理想理想MOSMOS構造的外表空間電荷區構造的外表空間電荷區 載流子積累、耗盡和反型載流子積累、耗盡和反型 載流子積累載流子積累 緊靠硅外表的多數載流子濃度大于體內熱平衡多數載流子濃度時，稱為載流緊靠硅外表的多數載流子濃度大于體內熱平衡多數載流子濃度時，稱為載流子積累景象。子積累景象。 單位面積下的空間電荷單位面積下的空間電荷00 ( )dxsQqp xp dx 理

29、想理想MOSMOS構造的外表空間電荷區構造的外表空間電荷區 載流子耗盡載流子耗盡單位面積下的總電荷為單位面積下的總電荷為 式中式中 為耗盡層寬度。為耗盡層寬度。 載流子反型：載流子類型發生變化的景象或者說半導體的導電類型發生變化的景象。載流子反型：載流子類型發生變化的景象或者說半導體的導電類型發生變化的景象。 圖圖6-4 6-4 幾種偏壓情況的能帶和電荷分布：幾種偏壓情況的能帶和電荷分布：a a ， b b小的小的 ， c c大的大的daBSxqNQQ6-66-6022sdaSkxqN 21dSxxx6-76-7dx6-56-5 理想理想MOSMOS構造的外表空間電荷區構造的外表空間電荷區 反

30、型和強反型條件反型和強反型條件反型條件；反型條件； 強反型條件；強反型條件；式中式中 為出現強反型時的外表勢。為出現強反型時的外表勢。 6-176-176-186-18fsfsi2Si理想理想MOSMOS構造的外表空間電荷區構造的外表空間電荷區 圖圖6-5 6-5 強反型時的能帶圖強反型時的能帶圖 x 0 E Ix fq fq cE vE iE 理想理想MOSMOS構造的外表空間電荷區構造的外表空間電荷區 總外表空間電荷總外表空間電荷 為反型層中單位面積下的可動電荷即溝道電荷：為反型層中單位面積下的可動電荷即溝道電荷： qNakqNakxfSsiSdm0042dmaBxqNQdmaIBISxq

31、NQQQQIQ6-196-196-206-206-216-216-526-52IQ 0IxIqnx dx6.1 6.1 理想理想MOSMOS構造的外表空間電荷區構造的外表空間電荷區 小結小結載流子積累、耗盡和反型的概念。載流子積累、耗盡和反型的概念。載流子積累、耗盡和反型和強反型四種情況的能帶圖。載流子積累、耗盡和反型和強反型四種情況的能帶圖。體費米勢的概念：體費米勢的概念：反型和強反型條件：反型和強反型條件：反型條件；反型條件； 強反型條件；強反型條件； qEEFif0fsfsi26-86-86-176-176-186-18理想理想MOSMOS構造的外表空間電荷區構造的外表空間電荷區 教學要

32、求教學要求了解理想構造根本假設及其意義。了解理想構造根本假設及其意義。根據電磁場邊境條件導出空間電荷與電場的關系根據電磁場邊境條件導出空間電荷與電場的關系 掌握載流子積累、耗盡和反型和強反型的概念。掌握載流子積累、耗盡和反型和強反型的概念。正確畫出流子積累、耗盡和反型和強反型四種情況的能帶圖。正確畫出流子積累、耗盡和反型和強反型四種情況的能帶圖。導出反型和強反型條件導出反型和強反型條件 6-16-1SSSMkkQQ0000理想理想MOSMOS構造的外表空間電荷區構造的外表空間電荷區 半導體外表空間電荷區半導體外表空間電荷區 ：每個極板上的感應電荷與電場之間滿足如下關系每個極板上的感應電荷與電場

33、之間滿足如下關系 6-16-1 式中式中 = =自在空間的電容率自在空間的電容率 = =氧化物的相對介電常數氧化物的相對介電常數 = =半導體外表的電場半導體外表的電場 = =半導體相對介電常數半導體相對介電常數 = =空間電荷區在半導體內部的邊境亦即空間電荷區寬度。空間電荷區在半導體內部的邊境亦即空間電荷區寬度。外加電壓外加電壓 為跨越氧化層的電壓為跨越氧化層的電壓 和外表勢和外表勢 所分攤：所分攤： 00kSSkdxGV0VSSGVV06-26-2SSSMkkQQ0000理想理想MOSMOS構造的外表空間電荷區構造的外表空間電荷區圖圖6-3 6-3 加上電壓加上電壓 時時MOSMOS構造內

34、的電位分布構造內的電位分布 GV理想理想MOSMOS構造的外表空間電荷區構造的外表空間電荷區 小結小結理想理想MOSMOS構造基于以下假設：構造基于以下假設：1 1在氧化物中或在氧化物和半導體之間的界面上不存在電荷。在氧化物中或在氧化物和半導體之間的界面上不存在電荷。2 2金屬和半導體之間的功函數差為零，如繪于圖金屬和半導體之間的功函數差為零，如繪于圖6-2b6-2b中的情形。中的情形。由于假設由于假設1 1、2 2，在無偏壓時半導體能帶是平直的。，在無偏壓時半導體能帶是平直的。3 3 層是良好的絕緣體，能阻撓直流電流流過。因此，即使有外加電壓，層是良好的絕緣體，能阻撓直流電流流過。因此，即使

35、有外加電壓，外表空間電荷區也處于熱平衡形狀，這使得整個外表空間電荷區中費米能級外表空間電荷區也處于熱平衡形狀，這使得整個外表空間電荷區中費米能級為常數。為常數。偏壓偏壓 使半導體外表具有外表勢，出現外表空間電荷區。使半導體外表具有外表勢，出現外表空間電荷區。空間電荷與電場具有以下關系空間電荷與電場具有以下關系 6-16-1 2SiOGVSSSMkkQQ0000平板電容器p電容=電荷/電壓p平板電容器的電容：dAC0dAdACr0VQC 為電介質的介電常數2ssiiidTfiQ dQVCQVC 6-29p圖3-10a畫出了Si和GaAs沿111和100方向的能帶構造(E-k關系)。我們看到，能帶

36、極值附近的E-k關系近似為拋物線型，但在能量較高的地方那么明顯偏離了拋物線型關系。沿111和100方向畫出的能帶是不對稱的：在k=0附近即極小附近有一個能谷，沿100方向在X極小附近有一個x能谷，沿111方向在L極小附近有一個L能谷。大多數半導體的價帶最大值(即價帶頂)都位于處。價帶有3個分支，分別是曲率最小的重空穴帶、曲率較大的輕空穴帶、以及一個因自旋-軌道耦合而構成的分裂帶。我們留意到，GaAs的導帶底和價帶頂都對應著k=0，闡明GaAs是直接禁帶半導體。而對于si來說，沿6個等價的方向有6個等價的導帶能谷，但這些極小都不在K=0處，所以Si 不是直接禁帶半導體6.5 MOS6.5 MOS

37、場效應晶體管場效應晶體管6.5 MOS6.5 MOS場效應晶體管場效應晶體管 根本構造和任務過程根本構造和任務過程 圖圖6-15 MOSFET6-15 MOSFET的任務形狀和輸出特性：的任務形狀和輸出特性：a a低漏電壓時低漏電壓時 襯底p 小DV S N N LGVTHV 溝道 耗盡區 DV DI （a） y （a） 6.5 MOS6.5 MOS場效應晶體管場效應晶體管 根本構造和任務過程根本構造和任務過程 圖圖6-15 MOSFET6-15 MOSFET的任務形狀和輸出特性：的任務形狀和輸出特性：b b開場飽和開場飽和 DsatDVV S N N GVTHV 耗盡區 夾斷點（P） DV

38、DI （b） DsatI DsatV （b） 6.5 MOS6.5 MOS場效應晶體管場效應晶體管 根本構造和任務過程根本構造和任務過程 圖圖6-15 MOSFET6-15 MOSFET的任務形狀和輸出特性：的任務形狀和輸出特性：c c飽和之后飽和之后 DsatV S N N GVTHV 耗盡區 （P） DV LDV DI （c） y （c） 6.5 MOS6.5 MOS場效應晶體管場效應晶體管 靜態特性靜態特性 圖圖6-16 N6-16 N溝道溝道MOSMOS晶體管晶體管 襯底p DV S N N GV dQ V dVV Al Al Al 2SiO x y 6.5 MOS6.5 MOS場效應

39、晶體管場效應晶體管 線性區線性區 在下面的分析中，采用如下主要假設：在下面的分析中，采用如下主要假設：1忽略源區和漏區體電阻和電極接觸電阻；忽略源區和漏區體電阻和電極接觸電阻；2溝道內摻雜均勻；溝道內摻雜均勻；3載流子在反型層內的遷移率為常數；載流子在反型層內的遷移率為常數；4長溝道近似和漸近溝道近似，即假設垂直電場和程度電路是相互獨立的。長溝道近似和漸近溝道近似，即假設垂直電場和程度電路是相互獨立的。6.5 MOS6.5 MOS場效應晶體管場效應晶體管 線性區線性區 感應溝道電荷感應溝道電荷 6-67漂移電子電流漂移電子電流 6-70式稱為薩支唐式稱為薩支唐C.T. Sah方程。方程。 yV

40、VVCQTHGI0yInDQZIdVVVVCZdyITHGnD0220DDTHGnDVVVVLZCI6-686-686-696-696-706-706.5 MOS6.5 MOS場效應晶體管場效應晶體管 例題：例題： 采用采用6.46.4節例題中的節例題中的MOSMOS構造作為一個構造作為一個MOSFETMOSFET。知以下參數：。知以下參數： ， 。計算。計算 和和 時的時的解：由于在解：由于在6.36.3節中給出節中給出 。 將此值代入將此值代入6-706-70并令并令 得得 將將 代入上式代入上式 mL10mZ300sVcmp2230VVG4VVG8DSI280109 . 2cmFCSVF

41、LZCp48010230230109 . 2THGDVVV242102THGDSVVIVVTH1 . 3mAAIDS4 . 2102480108 . 044VVVVGG84對于對于6.5 MOS6.5 MOS場效應晶體管場效應晶體管 思索到溝道電壓的作用思索到溝道電壓的作用于是于是 2102VNqkQSiaSB2323000002322SiSiDaSDDSimsGnDVCNqkVVCQVLZCI6.5 MOS6.5 MOS場效應晶體管場效應晶體管 一切拋物線頂點右邊的曲線沒有物理意義。一切拋物線頂點右邊的曲線沒有物理意義。 2 4 6 8 2 4 6 ID （mA） VD （V） VVG12

42、VVG8 式（ 6-70） 式（ 6-72） 式（ 6-70） 式（ 6-72） 圖圖6-17 6-17 式式6-686-68和式和式6-706-70的比較的比較 6.5 MOS6.5 MOS場效應晶體管場效應晶體管 飽和區飽和區 假設在假設在L L點發生夾斷，點發生夾斷， =0 =0那么那么 把式把式6-736-73代入式代入式6-706-70得得 此式在開場飽和時是有效的。超越這一點，漏極電流可看作是常數。此式在開場飽和時是有效的。超越這一點，漏極電流可看作是常數。一切拋物線頂點右邊的曲線沒有物理意義。一切拋物線頂點右邊的曲線沒有物理意義。 yVVVCQTHGI0 DSatTHGVVVLV6-736-736-746-74202THGnDSatVVLZCI6.5 MOS6.5 MOS場效應晶體管場效應晶體管 圖圖6-18 N6-18 N溝道溝道MOSFETMOSFET的電流的電流電壓特性電壓特性 DV DI 1GV 2GV 3GV 4GV 5GV THDSGVVV1 6.5 MOS6.5