晶體管原理總結(jié)2

1、半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-1-01()bjmnencncccenencnccebcdiiiieiiiij第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的頻率特性5)5) 共基極高頻小信號短路電流放大系數(shù)與截止頻率共基極高頻小信號短路電流放大系數(shù)與截止頻率 為極低頻或直流小信號共基極短路電流放大系數(shù)，或共基極增量電流放大系數(shù)。*000EEECecdIdIdIdIii0ECII（1）信號延遲時間）信號延遲時間ec定義：載流子從流入發(fā)射極開始到從集電極流出為止總渡越時間。0221()

2、ecjecbem1bbbbmm半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-2-（2） 截止角頻率截止角頻率 、截止頻率、截止頻率 f11()1becdecbmm12 ()1becdfm 01bjmefjf （下降了3dB）時的角頻率 、頻率分別稱為截止角頻率、 截止頻率。02定義：第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的頻率特性6) 共發(fā)射極高頻小信號電流放大系數(shù)與特征頻率共發(fā)射極高頻小信號電流放大系數(shù)與特征頻率（1）定義：集電結(jié)對高頻小信號短路（vbc=0, VBC0）條件下的 ic與

3、ib 之比為共射極高頻小信號短路電流放大系數(shù)半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-3-0001第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的頻率特性極低頻或直流小信號共發(fā)射極短路電流放大系數(shù)、或共發(fā)射極增量電流放大系數(shù) 下降到 （下降3dB)時的角頻率、頻率分別稱為的截止角頻率截止角頻率、截止頻率截止頻率 * 截止角頻率 、與截止頻率 定義:f0/2001100020011()ejececej 00又 ，c00001111ecvbcjiicb半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Instit

4、ute of Microelectronics Circuit & System-4-0011ecec 即：012ecf 第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的頻率特性0011fjjfv500MHz時，Wb較小，只占 中很小一部分，可忽略 fbec bm0001(1)bm v比 截止頻率低的多半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-5-（）晶體管的（）晶體管的特征頻率特征頻率01fjff增一倍降一半，或改變10lg2-1=-3dB ，功率正比于電（倍頻程）流的平方，則功率增

5、益降1/4,或改變20lg2-1=-6dB1時的頻率，稱晶體管的特征頻率晶體管的特征頻率fT00012Tecff 第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的頻率特性0f f時,半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-6-其中， ，IE 或 IC , fT ， IE 或IC 很大時，e 的影響很小，可略去；大注入時，基區(qū)擴展，b 增加更多，集電結(jié)勢壘區(qū)減小，勢壘區(qū)延遲 d 減小的少一些，故 IC 很大時，fT 隨 IC 增加而下降。第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的

6、頻率特性（4 4）提高特征頻率的途徑）提高特征頻率的途徑 一般高頻管中，四個時間常數(shù)以 最長，減小 是提高的主要途徑v減小v減小v減小bbTfedccdbeecTecTff2121（3）電流對）電流對 fT 的影響的影響TEETEeeCqIkTCr半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-7- 當晶體管用于小信號高頻放大時，小信號電流、電壓之間的關(guān)系是線性線性方程方程，其系數(shù)不隨信號大小變化的常數(shù)，這些系數(shù)稱為電路參數(shù)電路參數(shù)。選取自變量不同，描述各變量間關(guān)系的方程形式就不同，電路參數(shù)也不同。第三章第

7、三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管-2.晶體管的頻率特性晶體管的高頻參數(shù)與等效電路晶體管的高頻參數(shù)與等效電路 利用電荷控制方程，可以得出用振幅表示的共基極高頻小信號電流電壓方程為:cbbemeVrVCjgI01cbbemcVCjrVgI01DETECCC0eDETCrCCCr-表示發(fā)射結(jié)擴散電容和勢壘電容并聯(lián)01BECVCBIrV:集電極增量輸出電阻0r1cBccmVBEeIqIgVkTr-晶體管的轉(zhuǎn)移電導(dǎo)，跨導(dǎo)，表示集電極電流受發(fā)射結(jié)電壓變化的影響。半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-8-將晶

8、體管等效為一個線性二端口網(wǎng)絡(luò)如下圖:第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管-2.晶體管的頻率特性1I2I1V2V211101VmIYgj CV11120201VIYVr222101VmIYgV12220201VIYj CVr111 112 222122 2IY VY VIY V Y V1CErESCTECDeY12VCY21VeCDCCTCrCS本征Y參數(shù)等效電路共基極Y參數(shù)等效電路半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-9-功率增益 ：晶體管對信號功率的放大能力.PG最高振蕩頻率 ：晶體管對信

9、號功率放大能力的極限.Mf第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的頻率特性1)最大功率增益接有負載阻抗ZL的共射極高頻等效電路圖BIbrbbBreEbIZLCCTCIcC12TcTCf最大輸出功率:221max22()(2)28bTboTTCTCIf IPf CCf輸入功率:Pin=rbb Ib2最大功率增益：maxmax28oTpinbbTCPfKPr Cf5.5. 高頻功率增益和最高振蕩頻率高頻功率增益和最高振蕩頻率半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-10-2)最高振蕩頻率最

10、高振蕩頻率2max8TpbbTCfMKfr C晶體管的高頻優(yōu)值晶體管的高頻優(yōu)值 : 與頻率平方的積MpG第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的頻率特性Mf： 下降到1時的頻率maxpK12()8TMbbTCffr Cmax28 ()TpbbTeTCfKrf L Cf1218 ()MbbTeTCfrf L C頻率達幾千兆赫以上時，要加入管殼寄生參量的影響，主要的是發(fā)射極引線電感 的作用.eL3) 提高功率增益的途徑提高功率增益的途徑 （1）提高 fT 2） 減小基極電阻 rbb （3） 盡量減小結(jié)面積（4）盡量減小發(fā)射極引線電感和其他寄生參數(shù) （5）選用合適的管殼半導(dǎo)體器件原理

11、2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-11-v大注入效應(yīng)大注入效應(yīng)BBBnNP第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管1) 基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) 大注入時，注入到基區(qū)的少子不能忽略，為維持電中性，相應(yīng)增加的多子濃度不能忽略，在基區(qū)中建立了和注入少子有同樣濃度梯度的多子分布，從而使基區(qū)電阻率顯著下降，產(chǎn)生基區(qū)電導(dǎo)率受注入電流調(diào)制的基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。2)自建電場自建電場 為維持基區(qū)多子分布，在基區(qū)產(chǎn)生由集電結(jié)指向發(fā)射結(jié)的電場 ，稱大注入自建電場大注入自建電場。bEdxdPPqkTEdx

12、dPqDEqPJBBBpBpBBp10空穴動態(tài)平衡時：注入EnNnEnNNdxdnnnNndxdNNnNNqkTBBBbBBBBBBBBBBBBB11第三節(jié)第三節(jié) 晶體管的功率特性晶體管的功率特性半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-12-積分:第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管-.晶體管的功率特性dxpndpqDdxdnpdxdpnpqDBBBnBBBBBBnB)(dxdndxdppnqDdxdnqDEqnJBBBBnBBnBnBBn基區(qū)少子電流：00 xBBWxBBnBWBnpnpnq

13、DdxpJBB3)基區(qū)渡越時間與輸運系數(shù)基區(qū)渡越時間與輸運系數(shù)發(fā)射結(jié)注入基區(qū)電子(少子)流:BBBWBBBnBEWBWxBBxBBnBEndxppnqDAdxppnpnqDAI000)0()0(qkTVBE/0BCV半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-13-00(0) (0)bbWWbBpdxndxD pnBn基區(qū)少子總量Q少子電流I基區(qū)輸運系數(shù)基區(qū)輸運系數(shù)0011(0) (0)bbWWbBBBpdxndxDpn 基區(qū)渡越時間基區(qū)渡越時間適用于基區(qū)任意注入強度與任意雜質(zhì)分布對于基區(qū)小注入并且均勻

14、摻雜2212BBWL 22BbBWD第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的功率特性大注入時dxdnDqdxdnqDdxdnnqkTnqJnBnBnBn)2(1半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-14-與緩變基區(qū)小注入時相比：221(1)2BbBWeD時，兩式相等2.56則對于緩變基區(qū)晶體管，2.562.56時，大注入使時，大注入使bb大注入時:24BbBWD2214BBWL v無論基區(qū)是否均勻摻雜，基區(qū)少子形式完全由擴散電流構(gòu)成，與均勻基區(qū)小注入相同，只擴散系數(shù)DB擴大了一倍，

15、即Webster效應(yīng)第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的功率特性半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-15-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的功率特性發(fā)射結(jié)注入基區(qū)電子流:BWBBBnBEndxppnqDAI0)0()0(同理，從基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的少子空穴流：2()exp()EiEBEPEEOA qnDqVIQkTbnBBkTqVnBiEWBEkTqVnBiEIQeDqnAdxpqAeDqnABEBBE0/20/2)()(4）注入水準對電流放大系數(shù)的影響注入

16、水準對電流放大系數(shù)的影響半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-16-*小注入：111EBBOEBEEOBD QRD QR得*小電流時下降，是基極電流中發(fā)射結(jié)勢壘區(qū)復(fù)合電流比例增大所致CI1uA100mA100uA200400第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的功率特性則注入效率：()11EBBOnbPnBEEODQIIID Q 0BBbnQI*大注入：22114EnbEBCBEEOBEEOD ID WID QD Q 得0BBbnQI12222144EBCBBBEEOD W IW

17、LD Q半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-17-有效基區(qū)擴展效應(yīng)基區(qū)擴展效應(yīng) - 大電流下，晶體管的有效基區(qū)寬度隨注入電流的增加而擴展的現(xiàn)象，也稱為克爾克（Kirk）效應(yīng)。 當少子電子以有限速度經(jīng)過集電結(jié)勢壘區(qū)時，電流很大時，對空間電荷有改變，從而改變勢壘區(qū)電場分布。勢壘區(qū)中輕摻雜N- 一側(cè)中泊松方程:1）注入電流對集電結(jié)電場分布的影響注入電流對集電結(jié)電場分布的影響第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的功率特性*集電結(jié)勢壘區(qū)全部退出基區(qū),左邊界移到集電結(jié)冶金結(jié)界面處,此時JC

18、記為JCH，稱強電場下的臨界電流密度臨界電流密度.sCnNqdxdE)(半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-18-2）強電場下的基區(qū)縱向擴散強電場下的基區(qū)縱向擴散)/(maxqvJnCH單邊突變結(jié)1202ADDADmNNVqN Nx120max2()()biCBCCHCVVWJqNqV第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的功率特性0max22()CBCCVqVNqWbiCBVVCCCBbiCHNqWVVqvJ20max212maxmax1CHCBCCCJqvNWWJqvNv基區(qū)

19、擴展量：半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-19-3 3）弱電場下的基區(qū)縱向擴展弱電場下的基區(qū)縱向擴展ebPcNCWBWCBWWN在電流密度下JC，N-區(qū)域上未耗盡區(qū)d1上的壓降 V1為:1CCVJ1d弱電場下的臨界(pn結(jié)電壓為零)電流密度為：CBCBCLnCCCCVVJqNWWCCLJJ集電結(jié)正偏， 主要降在 區(qū)域內(nèi)的電阻上CBWWCBV()CBCCCBVJWW(1)CBCLBCCCCCVJWWWJJ第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的功率特性v條件條件:VCB較低,WC

20、較大N-半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-20-4 4）基區(qū)擴展對基區(qū)擴展對 的影響的影響 當JCLJCH 時 基區(qū)縱向擴展時，基區(qū)集電結(jié)勢壘區(qū)邊上的少子濃度已經(jīng)很高，必須向周圍非工作基區(qū)擴散，使基區(qū)有效面積變大。第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的功率特性基區(qū)橫向擴展：基區(qū)橫向擴展：CCBEEEOBIIIWWDQDCLC22)(4CCCLCBEEEOBCBEEEOBIIIWWDQDIWDQD2222144發(fā)生基區(qū)擴展時半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute

21、of Microelectronics Circuit & System-21- 晶體管工作在大電流狀態(tài)時，較大的基極電流流過基極電阻，將在基區(qū)中產(chǎn)生較大的橫向壓降，使發(fā)射結(jié)正向偏置電壓從邊緣到中心逐漸減小，發(fā)射極電流密度則由中心到邊緣逐漸增大 。 第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的功率特性1)集邊效應(yīng)集邊效應(yīng)3.3. 發(fā)射結(jié)電流集邊效應(yīng)發(fā)射結(jié)電流集邊效應(yīng)基極電流IB(y)在dy段電阻上產(chǎn)生的壓降為： 集電結(jié)零偏時發(fā)射極電流：()expBEEESq VVJJkT 1)(BeBEEERldyyIkTqyJdVkTqyJydJ口1)(BeBRldyyIdV口半導(dǎo)體器件

22、原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-22-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的功率特性設(shè)發(fā)射極條很寬,有邊界條件: 0,0/,0,BBCIdydIJy時112)0(1)(ykTlqRIyIeBBB口 201)0()()()(yyJdyydIlyJyJldyydIEBeEEeB ,20)0(221eBBEkTlIRqJ口2/110)0(2EBJqRkTy口 dyydIkTlRyqIdyydJldyyIdBeBBEeB122口 yJldyydIdylyJydIydIEeBeEEBIB(y)

23、的表達式：其中: 半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-23-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的功率特性2/10BKWy 2/1121npK其中v大注入時大注入時v電流集邊效應(yīng)使工作基區(qū)局限在發(fā)射結(jié)邊緣下面,基極電流流經(jīng)的路程縮短,因此基極電阻將減小.10106122BBbbRlyRlyr口口時02 ySe2)發(fā)射極有效條寬發(fā)射極有效條寬00)0()(EeEeEJyldyyJlI3)電流集邊效應(yīng)對電流集邊效應(yīng)對 及及rbb的影響的影響CECBEEEOBCCBEEEOBJAWW

24、DQDIWWDQD22224422CCBIWW)/(0ylIJeCC半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-24-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的功率特性4)4)發(fā)射極單位長度的電流容量發(fā)射極單位長度的電流容量單位發(fā)射極長度內(nèi)不發(fā)生大注入效應(yīng)和基區(qū)擴展效應(yīng)的最大電流。記為i02/11002BCRCRqRkTJyJi口eCLiI0max 2/1050)(npBkTNi大(1)要防止大注入效應(yīng)的要防止大注入效應(yīng)的v開關(guān)管i05A/cm; 一般放大管i0:0.51.5A/cm; 線

25、性放大管i00.6V，基區(qū)存儲的少子電荷為：基極電流的一部分用來增加與不斷增加的qB等量的多子電荷，以維持基區(qū)的電中性，這相當于對對CDE的充電的充電。（2）VBE的微增，即Ib1中的一部分對對CTE充電充電：()()CTCCSLCCTCLCdqCrR diC R di（3） ，則Ib1中的一部分對對CTC充電充電：()BCCCSCVirR CeCeTEBETEEdidirCdvCdqCi半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-36-綜上所述，驅(qū)動電流 Ib1：1CCBEbdqidqdqIdtdtd

26、t()CCebbcTCLdiiC Rdt當t = 0時，iC = 0，則有：當 t = tr 時，iC(tr)=ICS，則得第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- 晶體管的開關(guān)特性3 3）存儲時間存儲時間t ts s1bBSII過驅(qū)動電流 使 微增，在基區(qū)、集電區(qū)引進了超量儲1()CCbBSQIICiBQCQ存電荷 與 一般有CBQQ)(exp1)(1LTCcbebCRCtItiCSbbLTCcberIIIRCt11ln)(半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-37-當輸入回路的正脈沖消失后

27、，輸入回路存在一個較大反向基極電流，即2BBEBbbEViIR v 只要 、 還在，集電結(jié)上就有正電壓，而 遠大于兩個結(jié)上的正電壓，故 維持在 不變。BQCQCECSICi第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- 晶體管的開關(guān)特性其間，基極上有兩個電流流入 ，維持 不變。流出 CSICSI2/bCSII在存儲時間期間，QC滿足以下的微分方程，即2()CCCSbCdQQIIdt 半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-38-122ln()bbsCCSbIItII根據(jù)邊界條件QC(0)=C(Ib1-

28、IBS)、QC(ts)=0，可得：4）下降時間下降時間ft設(shè)-Ib不變，分別用（-Ib2)和（-tf）代替前式中的Ib1，tr 得：2211.7()ln()2bCSfTCCLTbIItCERfI第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- 晶體管的開關(guān)特性提高開關(guān)速度的措施提高開關(guān)速度的措施（1）降低集電區(qū)少子壽命（2）提高 ，但會使擊穿電壓降低。CN（3）采用較薄的外延層使 CQ（4）采用肖特基鉗位二極管來阻止晶體管進入飽和。（5）減小結(jié)面積以減小結(jié)電容。半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-3

29、9-噪聲噪聲:無規(guī)則變化的電流或電壓,但有其統(tǒng)計規(guī)律。第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管* 晶體管的噪聲特性晶體管的噪聲特性 噪聲表現(xiàn)為電流或電壓在宏觀平均值附近的無規(guī)則起伏。主要有三種噪聲源:（1）熱噪聲熱噪聲:半導(dǎo)體材料體內(nèi)載流子熱運動的起伏而產(chǎn)生的。（2）散粒噪聲散粒噪聲:通過pn結(jié)載流子的數(shù)量和速度的不規(guī)則變化而產(chǎn)生的。 （3）1/f噪聲噪聲:與表面現(xiàn)象有關(guān)。半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-40-引引 言言1. 晶體管按工作原理分類晶體管按工作原理分類:第四章第四章 場效應(yīng)晶

30、體管場效應(yīng)晶體管1) 雙極型晶體管雙極型晶體管 2) 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管(Field effect transistor: FET)*20世紀三十年代世紀三十年代:利林費爾德-場效應(yīng)思想 -通過加在半導(dǎo)體表面上的垂直電場來調(diào)制半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。*1962年前后年前后:Si平面工藝和外延技術(shù)發(fā)展;表面態(tài)密度大大降低。2. FET按結(jié)構(gòu)和工藝特點來劃分按結(jié)構(gòu)和工藝特點來劃分 1) 結(jié)型柵場效應(yīng)晶體管(JFET) 2) 肖特基勢壘柵場效應(yīng)晶體管(MESFET) 3) 絕緣柵場效應(yīng)晶體管(IGFET)半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Ci

31、rcuit & System-41-3. 與雙極型晶體管相比, FET的優(yōu)點的優(yōu)點:1) 輸入阻抗高; 2) 功耗小; 3) 噪聲系數(shù)小; 4) 溫度穩(wěn)定性好; 5) 抗輻射能力強第四章第四章 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管-引 言4. JFET和和MESFET半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-42-第四章第四章 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管v結(jié)構(gòu)和分類結(jié)構(gòu)和分類1) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)第一節(jié)第一節(jié) MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性2) 工作原理工作原理半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Ins

32、titute of Microelectronics Circuit & System-43-3) 輸出特性輸出特性(1)OA段: 線性區(qū)線性區(qū),VGS決定溝道電阻* 集成電路中的都是橫向MOSFET,即溝道電流是水平方向流動;分立器件中有的溝道電流是垂直方向流動的,稱為縱向MOSFET。第四章第四章 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管-1.MOSFET的基本特性(2)AB段: 過渡區(qū)過渡區(qū),溝道壓降影響溝道電阻(3)BC段: 飽和區(qū)飽和區(qū),VDSVDsat,之后溝道有效長度隨VDS增大而縮短,稱為有效溝道長度有效溝道長度調(diào)變效應(yīng)調(diào)變效應(yīng).(4)CD段: 擊穿區(qū)擊穿區(qū),VDSBVDS非非飽飽和和

33、區(qū)區(qū)4)MOSFET類型類型* N溝道增強型、耗盡型, P溝道增強型、 耗盡型半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-44-又稱開啟電壓，是使柵下的襯底表面開始發(fā)生強反型時的柵極電壓,記為VT。第四章第四章 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管-1.MOSFET的基本特性MOSFETMOSFET的閾值電壓的閾值電壓1)MOS結(jié)構(gòu)的閾電壓結(jié)構(gòu)的閾電壓(1)功函數(shù)功函數(shù)Wm=E0 (EF)mWmE0(EF)mWs=E0 (EF)sWsE0(EF)sECEV半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of

34、Microelectronics Circuit & System-45-金半功函數(shù)差為零; 柵氧化層內(nèi)有效電荷面密度為零; 柵氧化層與半導(dǎo)體界面處不存在界面態(tài)。第四章第四章 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管-1.MOSFET的基本特性(2)(2)理想理想MOSMOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-46-（3 3）實際實際MOSMOS結(jié)構(gòu)與平帶電壓結(jié)構(gòu)與平帶電壓第四章第四章 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管-1.MOSFET的基本特性0, 0oxmsQ 通常有 ,使半導(dǎo)體一側(cè)帶負電荷,類同V

35、G0, 能帶在表面向下彎曲,數(shù)量為:)/(oxoxmsCQqqv定義:從表面到體內(nèi)平衡處的電勢差,為表面勢表面勢 ,即FBoxoxmssVCQ/sFPoxFPAoxoxmsTCQCQV2)2( 有效柵極電壓（VG-VFB）一部分降在柵氧化層上，即 ，另一部分降在半導(dǎo)體上，即 .剛發(fā)生強反型時,柵極電壓VG即閾電壓VT:oxVs（4）實際實際MOS結(jié)構(gòu)的閾電壓結(jié)構(gòu)的閾電壓VToxsoxmoxCQCQVAAnsQQQQ耗盡區(qū)中電離受主電荷面密度反型層電荷面密度FPoxFPTVVV2半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit &

36、; System-47-2) 2) MOSFETMOSFET的閾電壓的閾電壓VGVSVBBDSGnnFBBGVVV)(BsFnFPVVqEE（1）有效柵極電壓為（2）（3）強反型時表面勢 ，增為（4）強反型時溝道下耗盡區(qū)厚度BsFPinvsVV 2,21,max)2(AinvssdqNxinvs,則耗盡區(qū)中電離受主電荷面密度FpBSFpoxAsoxoxmssTVVCNqCQVV2)2()2(2/12/121,2)(invssAinvsAqNQ第四章第四章 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管-1.MOSFET的基本特性P襯底半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectr

37、onics Circuit & System-48-3）影響影響VT 的幾個因素的幾個因素（1）柵電容 （2）襯底費米勢 （3）金半功函數(shù)差oxCFpms令 稱為P型襯底體因子。 取VS=0、VB=0則有FpFpoxoxmsTKCQV2)2(2/1oxAsCNqK21)2(第四章第四章 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管-1.MOSFET的基本特性v一般器件摻雜范圍內(nèi),摻雜影響最大的是QA,故可以通過摻雜對QA的影響來改變VT.強反型后（4）襯底雜質(zhì)濃度N2/1max)4(FPAsdAANqxqNQ（5）柵氧化層中Qoxv影響Qox的因素:制造工藝晶面氧化以后的工藝半導(dǎo)體器件原理2009.06.

38、05Institute of Microelectronics Circuit & System-49-襯底偏置效應(yīng)襯底偏置效應(yīng)(體效應(yīng)體效應(yīng)):襯底與源極之間外加襯底偏壓VBS后,MOSFET的特性將發(fā)生變化.第四章第四章 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管-1.MOSFET的基本特性（6）襯底偏置電壓的影響v空間電荷面密度隨偏壓增大而增大.FpBSFpoxoxmssTVVKCQVV2)2(2/112122/12/100FpBSFpVTVTTVKVVVBSBSGSV0AnOXMQQQ：Q電中性BSVv物理意義物理意義半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelec

39、tronics Circuit & System-50-vMOSFET的伏安特性的伏安特性假設(shè)假設(shè)：溝道內(nèi)電壓降忽略不計 擴散電流忽略不計溝道內(nèi)c 緩變溝道近似強反型近似 柵氧化層內(nèi)有效電荷面密度為常數(shù)第四章第四章 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管-1.MOSFET的基本特性dVQLZIDSVVnnD)(dVQZdyIDSVVnnLD)(01) 非飽和區(qū)非飽和區(qū)（1）漏電流的一般表達式）漏電流的一般表達式忽略擴散電流，則溝道內(nèi)電子電流密度為dydVnqnEqJnynCdydVQZdydVqndxZ：InnbnD)(0積分bnqndxQ0-溝道電子電荷面密度半導(dǎo)體器件原理2009.06.05In

40、stitute of Microelectronics Circuit & System-51-oxAsSDSDFpFBGDCqNVVVVVVI2/122)2(32)(21)(2(2/32/3)2()2(SBFpDBFpVVVV（2）溝道電子電荷面密度）溝道電子電荷面密度Qn與漏電流與漏電流第四章第四章 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管-1.MOSFET的基本特性 襯底表面強反型后,溝道電子的屏蔽使VG增加部分幾乎全落在柵氧化層上，半導(dǎo)體中能帶彎曲程度不再增大，表面勢和耗盡區(qū)寬都不再變化。2/1,)(22)(yVVqNVVCQQQBFpAsinvsFBGoxAsn2/1)(22)(2(yVVq

41、NyVVVCBFpAsFpFBGox)(2,yVVBFpinvsLCZoxn-MOSFET增益因子半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-52-221)(DSDSTGSDVVVVITSBVVV, 0, 0TGSDsatDSDVVVdVdI 02)(2TGSVVIDsat對于pMOSFET:221)(DSDSTGSDVVVVI2)(2TGSVVIDsat飽和漏極電壓第四章第四章 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管-1.MOSFET的基本特性飽和漏極電流TGSDSVVV2）飽和區(qū)飽和區(qū))(/也可以感應(yīng)出電子不可忽

42、略yEVyDSID近似不變,但略有增加。DsatDSVV半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-53-（1）有效溝道長度調(diào)制效應(yīng)有效溝道長度調(diào)制效應(yīng)：VDSVDsat,溝道有效長度隨VDS增大而縮短的現(xiàn)象。第四章第四章 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管-1.MOSFET的基本特性vVDS=VDsat時, V(L)=VDsat,夾斷點電勢夾斷點電勢VDsat,溝道壓降也是VDsat夾斷點處夾斷點處柵溝電壓為柵溝電壓為VGS-VDsat=VT。vVDSVDsat時, 溝道中各點電勢均上升,V(y)=VDsat位

43、置左移,夾斷點左移夾斷點左移,有效溝道壓降不變VDsat=VGS-VT,夾斷點處柵溝電壓為夾斷點處柵溝電壓為VGS-VDsat=VT。21)(2ADsatDSsqNVVL溝道長度調(diào)制量：)/11()(212LLIVVCLZIDsatTGSoxnD半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-54- 襯底低摻雜時，漏襯耗盡層隨VDS增大而展寬很快，寬度可與溝道長相比擬，這時，起始于漏區(qū)的電力線不再全部終止于擴展到襯底中的耗盡層空間電荷上，即有一大部分穿過耗盡區(qū)終止于溝道區(qū)的可動電荷上，靜電耦合。（2）漏區(qū)靜

44、電場對溝道區(qū)的反饋作用漏區(qū)靜電場對溝道區(qū)的反饋作用v襯底中等摻雜以上時，漏電流不飽和的主要原因是有效溝道調(diào)制效應(yīng)。襯底低摻雜時，以漏區(qū)溝道耦合作用為主。 第四章第四章 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管-1.MOSFET的基本特性 漏-溝間存在耦合電容,使單位面積溝道區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的平均電荷密度的增量為:ZLVCQDSdCTAV3) 亞閾區(qū)亞閾區(qū) VGSVT ,ID0本征電壓本征電壓 Vi：外加?xùn)旁措妷菏拱雽?dǎo)體表面附近能帶下彎 時，半導(dǎo)體表面處于本征狀態(tài)，這時柵源電壓稱本征電壓。Fpq半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & Sy

45、stem-55-亞閾漏電流、次開啟電流亞閾漏電流、次開啟電流IDsub：表面處于弱反型狀態(tài)，表面電子濃度介于本征載流子濃度ni和襯底平衡多子濃度nA 之間，有VDS時有很小的ID。LLnnAqDdydnAqDInnDsub)()0(第四章第四章 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管-1.MOSFET的基本特性v此時IDsub主要由溝道擴散電流引起，忽略漂移電流。)exp()0(0kTqnnsp)(exp)(0kTVqnLnDSsp2/12)(sAssAsDNqddQCAsDsqNCqkTqEkTb)()exp(1)exp()2exp()()(2kTqVkTqkTqCqkTLZIDSSFpSDnDsub-溝

46、道有效厚度2/12ssAsAsqNQE-高斯定律-溝道下耗盡層電容半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-56-)exp(1)(exp()(2kTqVnVVkTqCqkTLZIDSTGSDnDsub第四章第四章 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管-1.MOSFET的基本特性4）擊穿區(qū)擊穿區(qū)VDS超過一定值時，IDS迅速上升,稱漏源擊穿。此時為漏源擊穿電壓BVDS。(1)之一之一-漏極雪崩擊穿漏極雪崩擊穿：源襯相連時，VDS對漏pn結(jié)呈反向電壓，VDS增加到一定程度時漏pn結(jié)會雪崩擊穿。 實際漏結(jié)擊穿電壓比理論

47、值要低。v 實驗表明:當襯底電阻率較大時,漏結(jié)擊穿電壓不再與襯底材料摻雜濃度有關(guān),而主要由柵極電壓的極性、大小和柵氧化層的厚度所決定。v亞閾區(qū)柵源電壓擺幅亞閾區(qū)柵源電壓擺幅S: 表征亞閾區(qū)中VGS對IDsub的控制能力.半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-57-之二之二-漏源穿通擊穿電壓（漏源穿通擊穿電壓（VPT） L 較短，襯 較高時，漏襯間尚未雪崩擊穿，但漏 pn 結(jié)耗盡區(qū)已擴展到與源區(qū)相連，稱漏源穿通擊穿（VPT），VDS繼續(xù)，源 pn結(jié)正偏，大量電子進入溝道，被強電場掃入漏區(qū)，形成較大的

48、 ID。 210sd)(2xqNVVbi2PT2VLqNsA一維狀態(tài)：類同雙極型管基區(qū)穿通，但那里NBNC，不易基區(qū)穿通，這里反之。 （2）柵源擊穿電壓柵源擊穿電壓 BVGS取決于柵氧化層和溫度 VGS超過一定值（BVGS）時，柵氧化層擊穿，柵襯短路，造成永久性損壞。氧化層擊穿的臨界電場:21. 0oxBTEnmTox200100)80(nmTox時，EB與TOX無關(guān)，BVGS與TOX成正比。vMOS電容的兩個特點： 一.絕緣電阻非常高；二.電容量很小。第四章第四章 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管-1.MOSFET的基本特性半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microele

49、ctronics Circuit & System-58-MOSFETMOSFET直流參數(shù)與溫度特性直流參數(shù)與溫度特性1）閾值電壓閾值電壓VTFpBSFpASOXOXOXMSSTVVqNCCQVV222121（第四章第四章 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管-1.MOSFET的基本特性ln)2(2)2(22)2(2)2(2221212121VCABSFpOXASFpBSFpOXASTNNNqkVCqNdTdVCqNdTdVqENNNqkTeNNNqkTnNqkTgVCAkTEVCAiAFpg2lnlnln)2/(3) 在-55C 125 C時，VT與T成線性關(guān)系(2) VBS的引入使 減小dTdV)(02溝道ndTdVNNNTAVC(1)半導(dǎo)體器件原理2009.06.05Institute of Microelectronics Circuit & System-59-2 2）飽和漏極電流飽和