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半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章 MOS场效应晶体管场效应晶体管4.1 晶体管的基本结构和杂质分布晶体管的基本结构和杂质分布 根据工作原理，晶体管可以分为两大类：一类就是第根据工作原理，晶体管可以分为两大类：一类就是第3章中讨论章中讨论过的双极型晶体管，另一类就是本章将讨论的过的双极型晶体管，另一类就是本章将讨论的MOS场效应晶体管。在场效应晶体管。在双极型晶体管中，参加工作的不仅有少数载流子，也有多数载流子，双极型晶体管中，参加工作的不仅有少数载流子，也有多数载流子，故统称为双极型晶体管。故统称为双极型晶体管。场效应管场效应管(Field Effect Transistor简称简称FET)是一种电压控制器件是一种电压控制器件(uGS iD)，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。优点，得到了广泛应用。FET分类：分类：绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管结型场效应管结型场效应管耗尽型耗尽型P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型N沟道沟道半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章 MOS场效应晶体管场效应晶体管一.绝缘栅场效应管 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管(Metal Oxide Semiconductor FET)，简称简称MOSFET。分为：分为：增强型增强型 N沟道、沟道、P沟道沟道 耗尽型耗尽型 N沟道、沟道、P沟道沟道 1.1.N沟道增强型沟道增强型MOS管管（1 1）结构结构 4个电极：漏极个电极：漏极D，源极源极S，栅极栅极G和和 衬底衬底B。符号：符号：半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章 MOS场效应晶体管场效应晶体管 晶体管晶体管MOS场效应晶体管管场效应晶体管管芯的基本结构参数有沟道长度芯的基本结构参数有沟道长度(即漏和源两个冶金结之间的距即漏和源两个冶金结之间的距离离 L)、沟道宽度、沟道宽度W、栅绝缘层厚、栅绝缘层厚度度tox、漏区和源区的扩散结深、漏区和源区的扩散结深Xj、衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度NA等。从版等。从版 图结图结构看，实际的构看，实际的MOS场效应晶体管场效应晶体管图形结构多种多样，它们有环形图形结构多种多样，它们有环形结构、条状结构和梳结构、条状结构和梳 状结构等。状结构等。半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章 MOS场效应晶体管场效应晶体管 当当uGS0V时时纵向电场纵向电场将靠近栅极下方的空穴向下排斥将靠近栅极下方的空穴向下排斥耗尽层。耗尽层。（2 2）工作原理）工作原理 当当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。再增加再增加uGS纵向电场纵向电场将将P区少子电子聚集到区少子电子聚集到P区表面区表面形成导电沟道，如果此时形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电加有漏源电压，就可以形成漏极电流流id。栅源电压栅源电压uGS的控制作用的控制作用半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章 MOS场效应晶体管场效应晶体管 定义：定义：开启电压（开启电压（UT）刚刚产生沟道所需的刚刚产生沟道所需的栅源电压栅源电压UGS。N沟道增强型沟道增强型MOS管的基本特性：管的基本特性：uGS UT，管子截止，管子截止，uGS UT，管子导通。管子导通。uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作作用下，漏极电流用下，漏极电流ID越大。越大。半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章 MOS场效应晶体管场效应晶体管输出特性输出特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章 MOS场效应晶体管场效应晶体管半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章 MOS场效应晶体管场效应晶体管半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章 MOS场效应晶体管场效应晶体管半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章 MOS场效应晶体管场效应晶体管 转移特性曲线：iD=f(uGS)uDS=const 可根据输出特性曲线作出可根据输出特性曲线作出移特性曲线移特性曲线。例：作例：作uDS=10V的一条的一条转移特性曲线：转移特性曲线：UT半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章 MOS场效应晶体管场效应晶体管 一个重要参数一个重要参数跨导跨导gm：gm=iD/uGS uDS=const (单位单位mS)gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。在转移特性曲线上，在转移特性曲线上，gm为的曲线的斜率。为的曲线的斜率。在输出特性曲线上也可求出在输出特性曲线上也可求出gm。半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章 MOS场效应晶体管场效应晶体管 2.N沟道耗尽型MOSFET特点：特点：当当uGS=0时，就有沟道，加入时，就有沟道，加入uDS，就有就有iD。当当uGS0时，沟道增宽，时，沟道增宽，iD进一进一步增加。步增加。当当uGS0时，沟道变窄，时，沟道变窄，iD减小。减小。在栅极下方的在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。定义：定义：夹断电压（夹断电压（UP）沟道刚刚消失所需的栅源电压沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS。半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章 MOS场效应晶体管场效应晶体管半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章 MOS场效应晶体管场效应晶体管半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章 MOS场效应晶体管场效应晶体管半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章 MOS场效应晶体管场效应晶体管半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章 MOS场效应晶体管场效应晶体管半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章 MOS场效应晶体管场效应晶体管半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章 MOS场效应晶体管场效应晶体管半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章 MOS场效应晶体管场效应晶体管半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章 MOS场效应晶体管场效应晶体管