晶體管原理總結(jié)2

InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--1--第三章雙極結(jié)型晶體管--Ⅱ.晶體管的頻率特性5)

共基極高頻小信號(hào)短路電流放大系數(shù)與截止頻率

為極低頻或直流小信號(hào)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)。（1）信號(hào)延遲時(shí)間τec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(shí)間。InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--2--（2）截止角頻率、截止頻率

（下降了3dB）時(shí)的角頻率、頻率分別稱為截止角頻率、截止頻率。定義：第三章雙極結(jié)型晶體管--Ⅱ.晶體管的頻率特性6)

共發(fā)射極高頻小信號(hào)電流放大系數(shù)與特征頻率（1）定義：集電結(jié)對(duì)高頻小信號(hào)短路（vbc=0,VBC<0）條件下的ic與ib之比為共射極高頻小信號(hào)短路電流放大系數(shù)InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--3--第三章雙極結(jié)型晶體管--Ⅱ.晶體管的頻率特性極低頻或直流小信號(hào)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(shí)的角頻率、頻率分別稱為的截止角頻率、截止頻率．

*截止角頻率、與截止頻率

定義:又，InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--4--即：第三章雙極結(jié)型晶體管--Ⅱ.晶體管的頻率特性

<500MHz時(shí)，Wb較大，各項(xiàng)中為主，則

>500MHz時(shí)，Wb較小，只占中很小一部分，可忽略

比截止頻率低的多InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--5--（２）晶體管的特征頻率增一倍降一半，或改變10lg2-1=-3dB，功率正比于電（倍頻程）流的平方，則功率增益降1/4,或改變20lg2-1=-6dB時(shí)的頻率，稱晶體管的特征頻率fT第三章雙極結(jié)型晶體管--Ⅱ.晶體管的頻率特性f<<fβ時(shí),與f無(wú)關(guān)高頻晶體管的工作頻率一般在的范圍此時(shí)，又稱為增益帶寬積，與無(wú)關(guān)。f>>fβ時(shí),InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--6--其中，，IE

或IC,

fT，IE或IC很大時(shí)，τe

的影響很小，可略去；大注入時(shí)，基區(qū)擴(kuò)展，τb

增加更多，集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)減小，勢(shì)壘區(qū)延遲τd減小的少一些，故IC

很大時(shí)，fT

隨IC

增加而下降。第三章雙極結(jié)型晶體管--Ⅱ.晶體管的頻率特性（4）提高特征頻率的途徑一般高頻管中，四個(gè)時(shí)間常數(shù)以最長(zhǎng)，減小是提高的主要途徑減小減小減?。?）電流對(duì)fT

的影響InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--7--當(dāng)晶體管用于小信號(hào)高頻放大時(shí)，小信號(hào)電流、電壓之間的關(guān)系是線性方程，其系數(shù)不隨信號(hào)大小變化的常數(shù)，這些系數(shù)稱為電路參數(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(hào)電流電壓方程為:--表示發(fā)射結(jié)擴(kuò)散電容和勢(shì)壘電容并聯(lián):集電極增量輸出電阻--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。InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--8--將晶體管等效為一個(gè)線性二端口網(wǎng)絡(luò)如下圖:第三章雙極結(jié)型晶體管--2.晶體管的頻率特性1CrESCTECDeY12VCY21VeCDCCTCrCS本征Y參數(shù)等效電路共基極Y參數(shù)等效電路InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--9--功率增益：晶體管對(duì)信號(hào)功率的放大能力.最高振蕩頻率

：晶體管對(duì)信號(hào)功率放大能力的極限.第三章雙極結(jié)型晶體管--Ⅱ.晶體管的頻率特性1)最大功率增益接有負(fù)載阻抗ZL的共射極高頻等效電路圖BIbrbb’B’reEZLCCTCIc最大輸出功率:輸入功率:Pin=rbb’×Ib2最大功率增益：5.高頻功率增益和最高振蕩頻率InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--10--2)最高振蕩頻率晶體管的高頻優(yōu)值

:與頻率平方的積第三章雙極結(jié)型晶體管--Ⅱ.晶體管的頻率特性：下降到1時(shí)的頻率頻率達(dá)幾千兆赫以上時(shí)，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.3)

提高功率增益的途徑

（1）提高fT2）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InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--11--大注入效應(yīng)第三章雙極結(jié)型晶體管1)基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)大注入時(shí)，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)。2)自建電場(chǎng)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(chǎng)，稱大注入自建電場(chǎng)?？昭▌?dòng)態(tài)平衡時(shí)：第三節(jié)晶體管的功率特性

InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--12--積分:第三章雙極結(jié)型晶體管--Ш.晶體管的功率特性基區(qū)少子電流：3)基區(qū)渡越時(shí)間與輸運(yùn)系數(shù)發(fā)射結(jié)注入基區(qū)電子(少子)流:InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--13--基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)基區(qū)渡越時(shí)間適用于基區(qū)任意注入強(qiáng)度與任意雜質(zhì)分布對(duì)于基區(qū)小注入并且均勻摻雜第三章雙極結(jié)型晶體管--Ш.晶體管的功率特性大注入時(shí)InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--14--與緩變基區(qū)小注入時(shí)相比：時(shí)，兩式相等則對(duì)于緩變基區(qū)晶體管，時(shí)，大注入使時(shí)，大注入使大注入時(shí):無(wú)論基區(qū)是否均勻摻雜，基區(qū)少子形式完全由擴(kuò)散電流構(gòu)成，與均勻基區(qū)小注入相同，只擴(kuò)散系數(shù)DB擴(kuò)大了一倍，即Webster效應(yīng)第三章雙極結(jié)型晶體管--Ш.晶體管的功率特性InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--15--第三章雙極結(jié)型晶體管--Ш.晶體管的功率特性發(fā)射結(jié)注入基區(qū)電子流:同理，從基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的少子空穴流：4）注入水準(zhǔn)對(duì)電流放大系數(shù)的影響InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--16--*小注入：得*小電流時(shí)β下降，是基極電流中發(fā)射結(jié)勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流比例增大所致第三章雙極結(jié)型晶體管--Ш.晶體管的功率特性則注入效率：*大注入：得InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--17--有效基區(qū)擴(kuò)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(kuò)展的現(xiàn)象，也稱為克爾克（Kirk）效應(yīng)。 當(dāng)少子電子以有限速度經(jīng)過(guò)集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)時(shí)，電流很大時(shí)，對(duì)空間電荷有改變，從而改變勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)分布。勢(shì)壘區(qū)中輕摻雜N-一側(cè)中泊松方程:1）注入電流對(duì)集電結(jié)電場(chǎng)分布的影響第三章雙極結(jié)型晶體管--Ш.晶體管的功率特性*集電結(jié)勢(shì)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(shí)JC記為JCH，稱強(qiáng)電場(chǎng)下的臨界電流密度.InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--18--2）強(qiáng)電場(chǎng)下的基區(qū)縱向擴(kuò)散單邊突變結(jié)第三章雙極結(jié)型晶體管--Ш.晶體管的功率特性基區(qū)擴(kuò)展量：InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--19--3）弱電場(chǎng)下的基區(qū)縱向擴(kuò)展在電流密度下JC，N-區(qū)域上未耗盡區(qū)d1上的壓降V1為:弱電場(chǎng)下的臨界(pn結(jié)電壓為零)電流密度為：集電結(jié)正偏，主要降在區(qū)域內(nèi)的電阻上第三章雙極結(jié)型晶體管--Ш.晶體管的功率特性條件:VCB較低,WC較大N-InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--20--4）基區(qū)擴(kuò)展對(duì)的影響

當(dāng)JCL<JCH時(shí)

基區(qū)縱向擴(kuò)展時(shí)，基區(qū)集電結(jié)勢(shì)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(kuò)散，使基區(qū)有效面積變大。第三章雙極結(jié)型晶體管--Ш.晶體管的功率特性基區(qū)橫向擴(kuò)展：InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--21--晶體管工作在大電流狀態(tài)時(shí)，較大的基極電流流過(guò)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

。第三章雙極結(jié)型晶體管--Ш.晶體管的功率特性1)集邊效應(yīng)3.

發(fā)射結(jié)電流集邊效應(yīng)①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(shí)發(fā)射極電流：InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--22--第三章雙極結(jié)型晶體管--Ш.晶體管的功率特性設(shè)發(fā)射極條很寬,有邊界條件:

②IB(y)的表達(dá)式：③其中:

InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--23--第三章雙極結(jié)型晶體管--Ш.晶體管的功率特性大注入時(shí)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.2)發(fā)射極有效條寬3)電流集邊效應(yīng)對(duì)及rbb’的影響InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--24--第三章雙極結(jié)型晶體管--Ш.晶體管的功率特性4)發(fā)射極單位長(zhǎng)度的電流容量—單位發(fā)射極長(zhǎng)度內(nèi)不發(fā)生大注入效應(yīng)和基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)的最大電流。記為i0(1)要防止大注入效應(yīng)的開關(guān)管i0<5A/cm;一般放大管i0:0.5～1.5A/cm;線性放大管i0<0.5A/cm(2)對(duì)于高頻大功率外延管高頻大功率管i0:～0.4A/cm5)發(fā)射極金屬條最大長(zhǎng)度InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--25--晶體管的熱學(xué)性質(zhì)*大功率管輸出功率受兩方面限制：a.電學(xué)參數(shù)b.熱學(xué)參數(shù)1)

耗散功率晶體管工作時(shí)，電流通過(guò)發(fā)射結(jié)、集電結(jié)、體串聯(lián)電阻都會(huì)產(chǎn)生功率耗散,總耗散功率：第三章雙極結(jié)型晶體管--Ш.晶體管的功率特性電路輸出功率：：轉(zhuǎn)換效率，主要決定于管子在電路中工作情況*結(jié)溫升高，使反向飽和電流、，pn結(jié)正向電壓，會(huì)使管擊穿InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--26--2)

結(jié)溫與熱阻最高結(jié)溫：晶體管能正常、長(zhǎng)期可靠工作的pn結(jié)溫度。第三章雙極結(jié)型晶體管--Ш.晶體管的功率特性單位時(shí)間內(nèi)從集電結(jié)傳導(dǎo)到周圍環(huán)境的熱能ＰＴd與溫差成正比：類同電路中歐姆定律最大允許耗散功率：熱平衡時(shí)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱能與傳遞的熱能相等，即：對(duì)于大功率管，提高的措施:（１）

降低內(nèi)電阻；（２）外加有良好導(dǎo)熱性和大的表面積的散熱片；（３）風(fēng)冷、水冷、油冷等InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--27--

1)

晶體管的二次擊穿晶體管工作在最大耗散功率范圍內(nèi)時(shí)，仍可能發(fā)生擊穿而被燒毀，一般認(rèn)為，這是由于晶體管的二次擊穿所引起的，是功率管毀壞的主要原因。第三章雙極結(jié)型晶體管--Ш.晶體管的功率特性A(,)雪崩擊穿：一次擊穿、非破壞性的二次擊穿：出現(xiàn)明顯的負(fù)阻現(xiàn)象、不可恢復(fù)性損壞分別為二次擊穿臨界電流、臨界電壓、臨界功率主要原因:正向(電流集中型)二次擊穿和反向(雪崩擊穿型)二次擊穿5.

晶體管的安全工作區(qū)InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--28--2）晶體管的安全工作區(qū)SOA定義：指晶體管能安全可靠的工作，并具有較長(zhǎng)壽命的工作范圍。第三章雙極結(jié)型晶體管--Ш.晶體管的功率特性功率晶體管直流安全工作區(qū)InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--29--第四節(jié)晶體管的開關(guān)特性晶體管的靜態(tài)特性/直流開關(guān)特性開關(guān)電路中,晶體管共射連接應(yīng)用最廣。第三章雙極結(jié)型晶體管*e(t)=+EB時(shí)，導(dǎo)通*e(t)=-EB時(shí)，兩結(jié)均反偏，截止1)晶體管的開關(guān)作用InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--30--非飽和開關(guān)：以放大區(qū)作為導(dǎo)通狀態(tài)的開關(guān)飽和開關(guān)：以飽和區(qū)作為導(dǎo)通狀態(tài)的開關(guān)，接近理想開關(guān)晶體管的開關(guān)作用：通過(guò)基極來(lái)控制信號(hào)，使晶體管在導(dǎo)通與截止間轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)。第三章雙極結(jié)型晶體管--Ⅳ晶體管的開關(guān)特性2)

飽和區(qū)特性在飽和區(qū)工作的晶體管可以看作是正向、倒向兩個(gè)狀態(tài)管的合成結(jié)果。正向臨界飽和，倒向管無(wú)電流飽和時(shí)，不變，InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--31--3)

驅(qū)動(dòng)電流與飽和深度臨界飽和時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流，集電極電流飽和時(shí)，過(guò)驅(qū)動(dòng)電流飽和深度過(guò)驅(qū)動(dòng)電流作用：維持超量?jī)?chǔ)存電荷BCE基區(qū)/集電區(qū)超量?jī)?chǔ)存電荷第三章雙極結(jié)型晶體管--Ⅳ晶體管的開關(guān)特性InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--32--晶體管的開關(guān)過(guò)程/（晶體管的瞬態(tài)開關(guān)特性）與開關(guān)參數(shù)EBC截止飽和飽和放大放大和截止三種工作狀態(tài)下基區(qū)、集電區(qū)的少子分布第三章雙極結(jié)型晶體管--Ⅳ晶體管的開關(guān)特性*開關(guān)晶體管的輸出波形在時(shí)間上并不和輸入的脈沖信號(hào)完全一致,而有一個(gè)延遲過(guò)程，稱為過(guò)渡過(guò)程。InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--33--：延遲時(shí)間：上升時(shí)間：儲(chǔ)存時(shí)間：下降時(shí)間：開啟時(shí)間：關(guān)斷時(shí)間晶體管對(duì)脈沖信號(hào)的過(guò)渡過(guò)程第三章雙極結(jié)型晶體管--Ⅳ晶體管的開關(guān)特性InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--34--第三章雙極結(jié)型晶體管--Ⅳ晶體管的開關(guān)特性1)

延遲時(shí)間發(fā)射結(jié)集電結(jié)定義--勢(shì)壘電容平均值：其中對(duì)于突變結(jié)

m=對(duì)于緩變結(jié)m=InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--35--2）上升過(guò)程

（4）Ib1中的一部分補(bǔ)充基區(qū)復(fù)合損失并向發(fā)射區(qū)注入少子在放大區(qū)此值為:上升過(guò)程是驅(qū)動(dòng)電流Ib1對(duì)下面幾種電荷充電所需的時(shí)間:第三章雙極結(jié)型晶體管--Ⅳ晶體管的開關(guān)特性（1）當(dāng)VBE>0.6V，基區(qū)存儲(chǔ)的少子電荷為：基極電流的一部分用來(lái)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(dāng)于對(duì)CDE的充電。（2）VBE的微增，即Ib1中的一部分對(duì)CTE充電：（3），則Ib1中的一部分對(duì)CTC充電：InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--36--綜上所述，驅(qū)動(dòng)電流Ib1：當(dāng)t=0時(shí)，iC=0，則有：當(dāng)t=tr

時(shí)，iC(tr)=ICS，則得第三章雙極結(jié)型晶體管--Ⅳ晶體管的開關(guān)特性3）存儲(chǔ)時(shí)間ts過(guò)驅(qū)動(dòng)電流使微增，在基區(qū)、集電區(qū)引進(jìn)了超量?jī)?chǔ)存電荷與一般有InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--37--當(dāng)輸入回路的正脈沖消失后，輸入回路存在一個(gè)較大反向基極電流，即只要、還在，集電結(jié)上就有正電壓，而遠(yuǎn)大于兩個(gè)結(jié)上的正電壓，故維持在不變。第三章雙極結(jié)型晶體管--Ⅳ晶體管的開關(guān)特性其間，基極上有兩個(gè)電流①流入，維持不變。②流出在存儲(chǔ)時(shí)間期間，Q'C滿足以下的微分方程，即InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--38--根據(jù)邊界條件Q'C(0)=τC(Ib1-IBS)、Q'C(ts)=0，可得：4）下降時(shí)間設(shè)-Ib不變，分別用（-Ib2)和（-tf）代替前式中的Ib1，tr得：第三章雙極結(jié)型晶體管--Ⅳ晶體管的開關(guān)特性提高開關(guān)速度的措施（1）降低集電區(qū)少子壽命（2）提高，但會(huì)使擊穿電壓降低。（3）采用較薄的外延層使（4）采用肖特基鉗位二極管來(lái)阻止晶體管進(jìn)入飽和。（5）減小結(jié)面積以減小結(jié)電容。InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--39--噪聲:無(wú)規(guī)則變化的電流或電壓,但有其統(tǒng)計(jì)規(guī)律。第三章雙極結(jié)型晶體管*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(wú)規(guī)則起伏。主要有三種噪聲源:（1）熱噪聲:半導(dǎo)體材料體內(nèi)載流子熱運(yùn)動(dòng)的起伏而產(chǎn)生的。（2）散粒噪聲:通過(guò)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:與表面現(xiàn)象有關(guān)。InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--40--引言1.晶體管按工作原理分類:第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管1)雙極型晶體管2)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Fieldeffecttransistor:FET)*20世紀(jì)三十年代:利林費(fèi)爾德-場(chǎng)效應(yīng)思想---通過(guò)加在半導(dǎo)體表面上的垂直電場(chǎng)來(lái)調(diào)制半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。*1962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(diǎn)來(lái)劃分

1)結(jié)型柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)2)肖特基勢(shì)壘柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)3)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(IGFET)InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--41--3.與雙極型晶體管相比,FET的優(yōu)點(diǎn):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(qiáng)第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管--引言4.JFET和MESFETInstituteofMicroelectronicsCircuit&System--42--第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)和分類1)結(jié)構(gòu)第一節(jié)MOSFET的基本特性2)

工作原理InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--43--3)

輸出特性(1)OA段: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(dòng);分立器件中有的溝道電流是垂直方向流動(dòng)的,稱為縱向MOSFET。第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性(2)AB段:過(guò)渡區(qū),溝道壓降影響溝道電阻(3)BC段:飽和區(qū),VDS>VDsat,之后溝道有效長(zhǎng)度隨VDS增大而縮短,稱為有效溝道長(zhǎng)度調(diào)變效應(yīng).(4)CD段:擊穿區(qū),VDS≥BVDS非飽和區(qū)4)MOSFET類型*N溝道增強(qiáng)型、耗盡型,P溝道增強(qiáng)型、耗盡型InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--44--又稱開啟電壓，是使柵下的襯底表面開始發(fā)生強(qiáng)反型時(shí)的柵極電壓,記為VT。第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性MOSFET的閾值電壓1)MOS結(jié)構(gòu)的閾電壓(1)功函數(shù)Wm=E0–(EF)mWmE0(EF)mWs=E0–(EF)sWsE0(EF)sECEVInstituteofMicroelectronicsCircuit&System--45--①金半功函數(shù)差為零;②柵氧化層內(nèi)有效電荷面密度為零;③柵氧化層與半導(dǎo)體界面處不存在界面態(tài)。第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性(2)理想MOS結(jié)構(gòu)InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--46--（3）實(shí)際MOS結(jié)構(gòu)與平帶電壓第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性通常有,使半導(dǎo)體一側(cè)帶負(fù)電荷,類同VG>0,能帶在表面向下彎曲,數(shù)量為:定義:從表面到體內(nèi)平衡處的電勢(shì)差,為表面勢(shì)

,即

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(qiáng)反型時(shí),柵極電壓VG即閾電壓VT:（4）實(shí)際MOS結(jié)構(gòu)的閾電壓VT耗盡區(qū)中電離受主電荷面密度反型層電荷面密度InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--47--2)MOSFET的閾電壓（1）有效柵極電壓為（2）（3）強(qiáng)反型時(shí)表面勢(shì)，增為（4）強(qiáng)反型時(shí)溝道下耗盡區(qū)厚度則耗盡區(qū)中電離受主電荷面密度第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性P襯底InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--48--3）影響VT

的幾個(gè)因素（1）柵電容（2）襯底費(fèi)米勢(shì)

（3）金－半功函數(shù)差令稱為P型襯底體因子。取VS=0、VB=0則有第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性一般器件摻雜范圍內(nèi),摻雜影響最大的是QA,故可以通過(guò)摻雜對(duì)QA的影響來(lái)改變VT.強(qiáng)反型后（4）襯底雜質(zhì)濃度N（5）柵氧化層中Qox影響Qox的因素:①制造工藝②晶面③氧化以后的工藝InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--49--襯底偏置效應(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.第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性（6）襯底偏置電壓的影響空間電荷面密度隨偏壓增大而增大.物理意義InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--50--MOSFET的伏安特性假設(shè)：①溝道內(nèi)電壓降忽略不計(jì)②擴(kuò)散電流忽略不計(jì)③溝道內(nèi)μ＝c④緩變溝道近似⑤強(qiáng)反型近似⑥柵氧化層內(nèi)有效電荷面密度為常數(shù)第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性1)非飽和區(qū)（1）漏電流的一般表達(dá)式忽略擴(kuò)散電流，則溝道內(nèi)電子電流密度為---溝道電子電荷面密度InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--51--（2）溝道電子電荷面密度Qn與漏電流第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性襯底表面強(qiáng)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(shì)和耗盡區(qū)寬都不再變化。---MOSFET增益因子InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--52--對(duì)于p－MOSFET:飽和漏極電壓第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性飽和漏極電流2）飽和區(qū)ID近似不變,但略有增加。InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--53--（1）有效溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)：VDS>VDsat,溝道有效長(zhǎng)度隨VDS增大而縮短的現(xiàn)象。第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性VDS=VDsat時(shí),V(L)=VDsat,夾斷點(diǎn)電勢(shì)VDsat,溝道壓降也是VDsat夾斷點(diǎn)處柵溝電壓為VGS-VDsat=VT。VDS>VDsat時(shí),溝道中各點(diǎn)電勢(shì)均上升,V(y)=VDsat位置左移,夾斷點(diǎn)左移,有效溝道壓降不變VDsat=VGS-VT,夾斷點(diǎn)處柵溝電壓為VGS-VDsat=VT。溝道長(zhǎng)度調(diào)制量：InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--54--襯底低摻雜時(shí)，漏－襯耗盡層隨VDS增大而展寬很快，寬度可與溝道長(zhǎng)相比擬，這時(shí)，起始于漏區(qū)的電力線不再全部終止于擴(kuò)展到襯底中的耗盡層空間電荷上，即有一大部分穿過(guò)耗盡區(qū)終止于溝道區(qū)的可動(dòng)電荷上，靜電耦合。（2）漏區(qū)靜電場(chǎng)對(duì)溝道區(qū)的反饋?zhàn)饔靡r底中等摻雜以上時(shí)，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(shí)，以漏區(qū)－溝道耦合作用為主。第四章場(chǎng)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:3)

亞閾區(qū)VGS≤VT,ID≠0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(shí)，半導(dǎo)體表面處于本征狀態(tài)，這時(shí)柵源電壓稱本征電壓。InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--55--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(shí)有很小的ID。第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性此時(shí)IDsub主要由溝道擴(kuò)散電流引起，忽略漂移電流。--溝道有效厚度--高斯定律--溝道下耗盡層電容InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--56--第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性4）擊穿區(qū)VDS超過(guò)一定值時(shí)，IDS迅速上升,稱漏源擊穿。此時(shí)為漏源擊穿電壓BVDS。(1)之一--漏極雪崩擊穿：源襯相連時(shí)，VDS對(duì)漏pn結(jié)呈反向電壓，VDS增加到一定程度時(shí)漏pn結(jié)會(huì)雪崩擊穿。實(shí)際漏結(jié)擊穿電壓比理論值要低。實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)襯底電阻率較大時(shí),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。亞閾區(qū)柵源電壓擺幅S:表征亞閾區(qū)中VGS對(duì)IDsub的控制能力.InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--57--之二--漏源穿通擊穿電壓（VPT）L較短，ρ襯較高時(shí)，漏襯間尚未雪崩擊穿，但漏pn結(jié)耗盡區(qū)已擴(kuò)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(jìn)入溝道，被強(qiáng)電場(chǎng)掃入漏區(qū)，形成較大的ID。一維狀態(tài)：類同雙極型管基區(qū)穿通，但那里NB>NC，不易基區(qū)穿通，這里反之。

（2）柵源擊穿電壓BVGS取決于柵氧化層和溫度

VGS超過(guò)一定值（BVGS）時(shí)，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(chǎng):時(shí)，EB與TOX無(wú)關(guān)，BVGS與TOX成正比。MOS電容的兩個(gè)特點(diǎn)：一.絕緣電阻非常高；二.電容量很小。第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--58--MOSFET直流參數(shù)與溫度特性1）閾值電壓VT第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性(3)

在-55?C~125?C時(shí)，VT與T成線性關(guān)系(2)

VBS的引入使減小(1)InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--59--2）飽和漏極電流IDSS

對(duì)于耗盡型MOSFET，VGS=0（導(dǎo)通），VDS足夠大時(shí)的漏電流飽和值稱為飽和漏極電流IDSS。截止漏極電流--增強(qiáng)型MOSFET，VGS=0，VDS≠0時(shí)，源漏區(qū)之間電流ID≠0,這個(gè)電流叫截止漏極電流。第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性N-MOSFET在非飽和區(qū):<0---(VGS-VT)(1)較小時(shí),有正的溫度系數(shù);(2)較大時(shí)有負(fù)的溫度系數(shù);(3)適當(dāng)?shù)墓ぷ鳁l件使溫度系數(shù)為零.InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--60--3）通導(dǎo)電阻Ron當(dāng)MOSFET工作在非飽和區(qū)且VDS很小時(shí)，輸出特性曲線是直線，漏源電壓VDS與漏極電流ID的比值稱為通導(dǎo)電阻Ron

。4）柵極電流IG定義：在外加電壓的作用下，流過(guò)柵極與溝道之間的電流。IG很小，通常小于10-14A

，所以MOSFET有很高的輸入電阻。第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--61--MOSFET的交流小信號(hào)參數(shù)1）跨導(dǎo)gm

——漏源電壓VDS一定時(shí)，漏電流的微分增量與柵源電壓微分增量之比。它表示VGS對(duì)ID的控制能力，是MOSFET轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率。標(biāo)志電壓放大能力。非飽和區(qū)：飽和區(qū)：（與VDS無(wú)關(guān)）為提高飽和區(qū)跨導(dǎo)----從電路使用角度和器件設(shè)計(jì)角度考慮。第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管--1.MOSFET的基本特性2）漏源電導(dǎo)gds漏源電導(dǎo)是MOSFET的輸出特性曲線的斜率，它反映了MOSFET的漏極電流ID隨漏源電壓VDS的變化而變化的情況。

InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--62--以N溝道MOSFET為例---非飽和區(qū)的漏源電導(dǎo)為：當(dāng)VDS=VDsat

時(shí)：(1)有效溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)對(duì)的影響：當(dāng)溝道長(zhǎng)度L較短時(shí)，溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)較顯著，這時(shí)飽和區(qū)漏源電導(dǎo)將很大。第四章