06 场效应晶体管

刚达到强反型时Qn分布 在表面很薄的一层内 Qn<<QB
QG
QB
QOX
Qn
QB max qNA xd max 2 0 qNAVS
1 2
6.3 MOSFET的阈值电压
6.3.4 理想状态MOSFET的阈 值电压
栅 氧 化 层
VOX
QG COX
单位面积栅 电容
1 2
栅 电 极
VFB
Qox ms Cox
VT VFB Vox VS
Qox QB max VT ms 2 F Cox Cox
6.3 MOSFET的阈值电压 6.3.5 实际E-MOSFET的阈值电压 E-NMOS：
VTN
Qox qN A xd max 2kT N A ms ln Cox Cox q ni
-
dQ dQ dxd (V ) C dV dxd (V ) dV
Q qAND xd
C＝ A xd
（2）MOS C-V特性
氧化层电容 耗尽层电容
Cox
0 ox
tox xd
,
ox 3.9SiO2
CS
0 S
CMOS
Cox CS 1 1 Cox CS Cox CS 1
D-NMOSFET：
VGS=0，IDS已存在 VGS<0,
VGS IDS
IDSS
IDS DNMOS
VGS=VT, IDS =0
VGS DPMOS
6.2.5、 MOSFET的输出特性（VGS>VT, IDS～VDS）
以E-NMOSFET为例：
VDS=0：IDS=0
VDS>0很小：IDS～VDS线性增大 VDS增大： IDS～VDS变化减慢 VDS继续增加：IDS＝IDSAT VDS再增加：IDS基本不变 VDS进一步增大：雪崩击穿，电流
MOS 场效应 晶体 管（MOSFET）
Metal-Oxide-Semiconductor FET
FET
G S p+ D n p+ G
MESFET
JFET
MOSFET
三、FET特点：

单极器件、多子器件
电压控制器件
热稳定性好
噪声低


种类多
制作工序少状态
沟道中导电的 载流子类型 N沟道 （P型衬底） P沟道 （N型衬底） 强反型时，导电沟道中 的电子漂移运动形成电 流 强反型时，导电沟道中 的空穴漂移运动形成电 流 VG＝0时，无导电沟道 VG＝0时，有导电沟道 耗尽型 增强型 Enhancement mode
(导电沟道是反型层，故与衬底的类型是相反的)
+
VGS
-
0
VT
+ VGS=0 VDS
0
0
P沟耗尽型
G S VDS<0 D G ID
VGS VT>0
+
VDS
VT
+
ID
0
- VT
0
VGS
VDS
-
P沟增强型
S VDS<0 VT<0 ID
VT
ID
6.3 MOSFET的阈值电压
6.3.1阈值电压定义 MOSFET表面呈现强反型、形成导电沟道时的栅源电 压，以VT表示
E-PMOS：
VTP
Qox qN D xd max 2kT N D ms ln C ox Cox q ni
6.3 MOSFET的阈值电压 6.3.5 实际MOSFET的阈值电压
（2）场感应结（VDS>0）：
2 0 VS V y max xd qN A
1 2
max qN A xd max 2 0 qN A (VS V y ) QB
1 2
由于 VDS ＞ 0 ，导致沟道 中存在电位差，故沿沟 道方向场感应结不均匀。
V DS
max QB
VTn
场感应结：半导体表面形成反型层时，衬底和反型层之间类似形成PN结，因是由 半导体表面的电场引起的，故称为场感应结。
剧增
MOSFET 输出特性
6.2 MOSFET的基本结构及工作原理
（A）线性区；（B）和（C）饱和区
电学符号
D G S 已有导电沟道 D G S VDS>0 D
转移特性IDS－VGS
输出特性IDS－VDS
ID +
n沟耗尽型
ID
VT
VGS=0
VGS
0 +
-
0 ID + +
VT<0
VDS
n沟增强型
VT>0 VT VGS
6.2 MOSFET的基本结构及工作原理 6.2.4、 MOSFET的转移特性 ：VDS为常数，IDS～VGS
IDS
E-NMOSFET：
VGS＝0， IDS＝0
0
VGS ：P型－耗尽层
VGS
IDS＝0
VT + VT>0
VGS
VGS>VT（阈值电压）－ N反型层
： IDS
6.2 MOSFET的基本结构及工作原理
反型层: 强反型: 导电沟道: 漏极： 表面少子浓度 > 表面多子浓度 表面少子浓度 ≥ 体内多子浓度 强反型时漏源之间形成的导电通道 载流子流出沟道
阈值电压 VT ：使半导体表面达到强反型时(ns ≥ p0)所需的栅源电压
源极：
载流子流入沟道
(漏源电压总是使载流子 由源极流入沟道，由漏极流出沟道 )
D B G S
电路符号
D
B
*耗尽型的阈值电压指沟道消失时的VGS
6.2 MOSFET的基本结构及工作原理 6.2.3、 MOSFET的基本工作原理
6.2 MOSFET的基本结构及工作原理 6.2.3、 MOSFET的基本工作原理
基于“表面场效应”原理。 在垂直于半导体表面的电场作用下，半导体表面层中的 载流子浓度发生变化，导致表面层导电能力的改变。 以增强型MOS为例：
QB max 2 qN A 2 F VT 2 F 2 F Cox Cox
1 2
6.3 MOSFET的阈值电压 6.3.5 实际MOSFET的阈值电压 要考虑如下因素：
（1）平带电压
（2）场感应结 （3）衬偏电压
6.3 MOSFET的阈值电压 6.3.5 实际MOSFET的阈值电压 （1）平带电压
P型半导体
QB max 2 s 0 qN AVS COX COX
其中：
QG
QB
COX
OX 0
tOX
QOX
Qn
栅氧化层厚度
6.3 MOSFET的阈值电压 6.3.4 理想状态MOSFET的阈值电压
VG Vox VS
2kT N A VS 2 F ln q ni
费米势：
FP
kT N A ln q ni
FN
kT N D ln q ni
EC
强反型条件：
kT N A Vs 2 ln q ni
qφF
Eip EF EV
qVs Eis
2、MOS的C-V特性
（1）关于电容
平行板电容器
Q A 电容C定义为： C V d
Q 直流和交 流时均成 立 V
各种栅压情况下，表面势和电荷分布情况（p-Si）：

平带：表面势为0；
多子积累：表面势＜0，能带向上弯曲；
Ei EF 费米势:F q

耗尽：表面势＞0，0＜Vs<φF，能带向下弯曲；
弱反型：表面势＞0， φF＜Vs<2φF，能带向下弯曲； 强反型：表面势＞0， Vs≥2φF能带向下弯曲； 表面势Vs：硅表面电势相对体内电势的变化。
面积A
+Q
E
-Q
d
V +
C＝斜率
-
面积A
+Q
E d V +
-Q
如果C随外加电压变化，是可变电容，
+Q
-Q
则要引入微分电容的概念
直流偏压V下的微分电容C定义为：
- V
Q
C（V〕＝斜率 V
dQ(V ) C (V ) dV
半导体中的电容通常是可变电容 例如：突变PN结电容 偏压改变V P+ xd V + N 和平行板 电容器形 式一样
增强型
VGS＝0时，是 否有导电沟道
共有四种类型
耗尽型 Depletion mode
6.2.2、MOSFET的类型
类型 衬底 S、D区 沟道载流子 VDS IDS方向 VT N沟道MOSFET 耗尽型 增强型 P型 n＋ 电子 >0 DS <0 >0
D G S B G S D B G S
P沟道MOSFET 耗尽型 增强型 N型 p＋ 空穴 <0 SD >0 <0
无偏压时MOS结构中由于功函数差会引起 表面能带弯曲
SiO2栅绝缘层中的电荷同样可在半导体表面感 应出表面电荷 平带电压－使表面势为0，所需在栅上加的偏压
VFB
Qox ms Cox
6.3 MOSFET的阈值电压
6.3.3 强反型时的电荷分布
栅 电 极
栅 氧 化 层
P型半导体
QG：金属栅上的面电荷密度
D：漏极
载流子：S→D
P
B 衬底电极
栅源电压：VGS 漏源偏置电压：VDS
阈值电压VT：S表面达到强反型时的VGS
6.2 MOSFET的基本结构及工作原理 (2)主要的结构参数：L, W, tox, NA，ND