MOSFET

绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）是另一类重要的微电子器件。

这是一种电压控制型多子导电器件，又称为单极型晶体管。

这种器件与双极型晶体管相比，有以下优点①输入阻抗高；②温度稳定性好；③噪声小；④大电流特性好；⑤无少子存储效应，开关速度高；⑥制造工艺简单；⑦各管之间存在天然隔离，适宜于制作VLSI 。

肖特基势垒栅场效应晶体管（绝缘栅场效应晶体管（JFET 和MESFET 的工作原理相同。

以JFET 为例，用一个低掺杂的半导体作为导电沟道，在半导体的一侧或两侧制作PN 结，并加上反向电压。

利用PN 结势垒区宽度随反向电压的变化而变化的特点来控制导电沟道的截面积，从而控制沟道的导电能力。

两种FET 的不同之处仅在于，JFET 是利用PN 结作为控制栅，而MESFET 则是利用金-半结（肖特基势垒结）来作为控制栅。

IGFET 的工作原理略有不同，利用电场能来控制半导体的表面状态，从而控制沟道的导电能力。

根据沟道导电类型的不同，每类FET 又可分为N沟道器件和P沟道器件。

MOSFET 基础绝缘栅场效应晶体管按其早期器件的纵向结构又被称为“金属-氧化物-半导体场效应晶体管”，简称为MOSFET ，但现在这种器件的栅电极实际不一定是金属，绝缘栅也不一定是氧化物，但仍被习惯地称为MOSFET 。

MOSFET 的结构P 型衬底以N 沟道MOSFET 为例，当VGS< V T（称为阈电压）时，N型的源区与漏区之间隔着P型区，且漏结反偏，故无漏极电流。

当VGS>V T 时，栅下的P型硅表面发生强反型，形成连通源、漏区的N型沟道，在VDS 作用下产生漏极电流ID。

对于恒定的VDS，VGS越大，沟道中的电子就越多，沟道电阻就越小，ID就越大。

所以MOSFET 是通过改变VGS来控制沟道的导电性，从而控制漏极电流ID ，是一种电压控制型器件。

MOSFET 的工作原理I DV TP 沟道MOSFET 的特性与N 沟道MOSFET 相对称，即：(1) 衬底为N 型，源漏区为P +型。

(2) V GS 、V DS 的极性以及I D 的方向均与N 沟相反。

(3) 沟道中的可动载流子为空穴。

(4) V T < 0 时称为增强型（常关型），V T > 0 时称为耗尽型（常开型）。

MOSFET 的类型①线性区当VDS 很小时，沟道就象一个阻值与VDS无关的固定电阻，这时ID 与VDS成线性关系，如图中的OA 段所示。

输出特性曲线：VGS> V T 且恒定时的V DS~I D曲线。

可分为以下4段MOSFET 的输出特性②过渡区随着VDS增大，漏附近的沟道变薄，沟道电阻增大，曲线逐渐下弯。

当VDS 增大到VDsat( 饱和漏源电压)时，漏端处的可动电子消失，这称为沟道被夹断，如图中的AB 段所示。

线性区与过渡区统称为非饱和区，有时也统称为线性区。

③饱和区当VDS>V D sat 后，沟道夹断点左移，漏附近只剩下耗尽区。

这时ID 几乎与VDS无关而保持常数ID sat，曲线为水平直线，如图中的BC段所示。

实际上ID 随VDS的增大而略有增大，曲线略向上翘。

④击穿区当VDS 继续增大到BVDS时，漏结发生雪崩击穿，或者漏源间发生穿通，ID急剧增大，如图中的CD段所示。

将各曲线的夹断点用虚线连接起来，虚线左侧为非饱和区，虚线右侧为饱和区。

以V GS 作为参变量，可得到不同V GS 下的V DS ~ I D 曲线族，这就是MOSFET 的输出特性曲线。

4 种类型MOSFET 的特性曲线小结MOSFET 的阈值电压定义：使栅下的硅表面处开始发生强反型时的栅电压称为阈值电压，记为V T 。

定义：当硅表面处的少子浓度达到或超过体内的平衡多子浓度时，称为表面发生了强反型。

在推导阈值电压的表达式时可以近似地采用一维分析，即认为衬底表面下空间电荷区内的空间电荷完全由栅极与衬底之间的电压所决定，与漏极电压无关。

MOSFET 的阈值电压下面推导P 型衬底MOS 结构的阈值电压。

MOS 结构的阈值电压上图中，0ln 1iA F i FP >=−=n N q kT E E q ）（φ称为P 型衬底的费米势上图中，φS 称为表面势，即从硅表面处到硅体内平衡处的电势差，等于能带弯曲量除以q 。

C OX 代表单位面积的栅氧化层电容，，T OXOXOX T C ε=OXS MS OXQ q q qC φφ=−+4、实际MOS 结构当V G= V T 时的能带图要使表面发生强反型，应使表面处的EF-E is= qφFP，这时能带总的弯曲量是2qφFP ，表面势为φS= 2φFP。

外加栅电压超过VFB 的部分（VG-VFB）称为有效栅电压。

有效栅电压可分为两部分：降在氧化层上的VOX与降在硅表面附近的表面电势φS，即V G–V FB= V OX+ φS表面势φS使能带发生弯曲。

表面发生强反型时能带的弯曲量是2qφFP ，表面势为2φFP，于是可得：V T–V FB= V OX+ 2φFPV T= V FB+ V OX+ 2φFP中，可得MOS 结构的阈电压为MS T φ=V 关于Q A 的进一步推导在以后进行。

1、阈值电压一般表达式的导出MOSFET 与MOS 结构的不同之处是：a) 栅与衬底之间的外加电压由V G变为(V G -V B) ，因此有效栅电压由(VG-VFB) 变为(V G -V B -V FB ) 。

b) 有反向电压(V S-V B)加在源、漏及反型层的PN 结上，使之处于非平衡状态，EFp-EFn= q(V S-V B) 。

c) 强反型开始时的表面势φS,inv 由2φFP 变为( 2φFP + V S -V B )。

MOSFET 的阈值电压式中，(OXA 2C N q Kε=()()OXs A OX S,inv A 2C N q C Q −=εφ=−当V S = 0 ，V B = 0 时，T MS V φ=这与前面得到的MOS称为N型衬底的费米势。

衬底费米势。

Ka) 栅氧化层厚度OX一般来说，当T减薄时，OX早期MOSFET 的T MOSFET 的T OX 可达10 nm1015cm -3 时，约为φFB 与掺杂浓度有关，但影响不大。

室温下，当掺杂浓度为FB φFN φ-当N = 1015cm -3时，φMS =φMS =D =qNQ由于φFB与掺杂浓度OXOXC Q 调整阈值电压主要是通过改变掺杂浓度和改变栅氧化层厚度T OX OXFB T =V V ((T T ==ΔK V V可见，当|V BS | 增大时，向变化，而P 沟道MOSFET 由于效应就越严重。

()OX21s 2C N q K ε=A N A N ′0I T OX Q V C Δ=−式中，N I 代表离子注入增加的杂质浓度，Q I = -qN I R 代表离子注入在耗尽区增加的电离杂质电荷面密度。

MOSFET 的直流电流电压方程V D I D这表示沟道厚度沿y 感应出来而与无关；yE y∂∂附：泊松方程y x z E E E E x y z ∂∂∂∇⋅=++∂∂∂r V D③沟道内的载流子（电子）迁移率为常数；④采用强反型近似，即认为当表面少子浓度达到体内平衡= φS,inv ）时沟道开始导电；多子浓度（也即φS⑤Q为常数，与能带的弯曲程度无关。

OXV D >V S 后，产生漂移电流，yVnq nE q j y d d n n n μμ=−==Z I n D μ式中，∫−=b qn Q 0n )(∫0D II DQ M Q n Q AA A ()Q y qN =−将上面的φS,inv 和Q Q n 也成为y 的函数，即：[FB G OX n )(V V C y Q −−−=((⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⋅−−−=OX s FB G OX n D 232C N q V V C L Z I εμ对上式可进行简化。

[FP 2V −φ当V S = 0 ，V B = 0 时，可将则Q n 成为：将此Q n 代入式（5-37 2==∫n n D C L Z L ZI μμ。