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2022年4月20日星期三1场效应晶体管（场效应管）利用多数载流子的漂移运动形成电流。 场效应管FET(Field Effect Transistor)结型场效应管JFET绝缘栅场效应管IGFET双极型晶体管主要是利用基区非平衡少数载流子的扩散运动形成电流。第1页/共90页2022年4月20日星期三2JFET：利用栅源电压（ 输入电压）对耗尽层厚度的控制来改变导电沟道的宽度，从而实现对漏极电流（输出电流）的控制。IGFET：利用栅源电压（ 输入电压）对半导体表面感生电荷量的控制来改变导电沟道的宽度，从而实现对漏极电流（输出电流）的控制。FET输入电压输出电流第2页/共90页2022年4月20日星期三3N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)分类：第3页/共90页2022年4月20日星期三431 结型场效应管 311 结型场效应管的结构及工作原理N型沟道PPDGSDSG(a)N沟道JFET图31结型场效应管的结构示意图及其表示符号Gate栅极Source源极Drain 漏极箭头方向表示栅源间PN结若加正向偏置电压时栅极电流的实际流动方向ID实际流向结型场效应三极管的结构.avi第4页/共90页2022年4月20日星期三5P型沟道NNDGSDSG(b)P沟道JFET图31结型场效应管的结构示意图及其表示符号ID实际流向第5页/共90页2022年4月20日星期三6DGSDGS(a) N型沟道PPN型沟道源极栅极漏极DGS(b) P型沟道NNP型沟道源极栅极漏极DGS(c) N沟道(d) P沟道图3-1 结型场效应管的结构示意图和符号 第6页/共90页2022年4月20日星期三7工作原理 N型沟道DGS(a) UGS0PPID0N型沟道DGS(b) UGS0PPID0UGSDGS(c) UGS UPPPID0UGS图 4-2 当UDS=0时UGS对导电沟道的影响示意1. UGS对导电沟道的影响 第7页/共90页2022年4月20日星期三8NDGSPP(a) UGS =0，沟道最宽图32栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图第8页/共90页2022年4月20日星期三9(b) UGS负压增大，沟道变窄DSPPUGS图32栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图横向电场作用：UGS PN结耗尽层宽度 沟道宽度第9页/共90页2022年4月20日星期三10(c) UGS负压进一步增大，沟道夹断图32栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图DSPPUGSUGSoff夹断电压第10页/共90页2022年4月20日星期三11图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线 (a)转移特性曲线；(b)输出特性曲线 uGS/V012312345IDSSUGSoffiD/mA(a)第11页/共90页2022年4月20日星期三122. ID与UDS、UGS之间的关系 NDGS(a) UGS0, UDG| UP|UDSIDUGSNDGSUDSUGSIDPPPPISIS(b) UGS0 , UDG| UP| 预夹断DGSUDSUGSIDPPIS(c) UGSUP , UDG| UP| 夹断图 3-3 UDS对导电沟道和ID的影响 第12页/共90页2022年4月20日星期三13312 结型场效应管的特性曲线一、转移特性曲线2)1 (GSoffGSDSSDUuIiCuGSDDSufi)(式中：IDSS饱和电流，表示uGS=0时的iD值； UGSoff夹断电压，表示uGS=UGSoff时iD为零。恒流区中：uGS0，iD0第13页/共90页2022年4月20日星期三142. 转移特性曲线 常数DSUGSDUfI)(iD / mA654321uGS / VUDS 4VUP 4 V01234IDSS图4- 5 N沟道结型场效应管的转移特性曲线 21PGSDSSDUUII第14页/共90页2022年4月20日星期三15 根据工作情况, 输出特性可划分为4个区域, 即: 可变电阻区、 恒流区、击穿区和截止区。 第15页/共90页2022年4月20日星期三16二、输出特性曲线 1. 可变电阻区iD的大小同时受uGS 和uDS的控制。栅、漏间电压uGDUGSoff（或uDSUGSoff预夹断前所对应的区域。uGS0，uDS0第16页/共90页2022年4月20日星期三17图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线 (a)转移特性曲线；(b)输出特性曲线 1234iD/mA01020uDS/V可变电阻区恒截止区2V1.5V1VUDSUGSUGSoff515流区击穿区UGS0V(b)UGSoff0.5V第17页/共90页2022年4月20日星期三18 当uDS很小时， uDS对沟道的影响可以忽略，沟道的宽度及相应的电阻值仅受uGS的控制。输出特性可近似为一组直线，此时，JFET可看成一个受uGS控制的可变线性电阻器（称为JFET的输出电阻）；当uDS较大时， uDS对沟道的影响就不能忽略，致使输出特性曲线呈弯曲状。第18页/共90页2022年4月20日星期三192.恒流区iD的大小几乎不受uDS的控制。预夹断后所对应的区域。栅、漏间电压uGDuGS-UGSoff）栅、源间电压uGSUGSoff第19页/共90页2022年4月20日星期三20(1)当UGSoffuGS0时，uGS变化，曲线平移，iD与uGS符合平方律关系， uGS对iD的控制能力很强。(2) uGS固定，uDS增大，iD增大极小。第20页/共90页2022年4月20日星期三214.击穿区随着uDS增大，靠近漏区的PN结反偏电压 uDG(=uDS-uGS)也随之增大。 当UGSUGSoff时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区。3. 截止区第21页/共90页2022年4月20日星期三22 图34 uDS对导电沟道的影响DGS(a)UDSID0UGSDGS(b)UDSUGS沟道局部夹断IDIDSSPPPP截止区（恒流区）饱和区且临界饱和区可变电阻区)()()()()(offGSGSoffGSGSoffGSDSGSoffGSDSGSoffGSDSGSuuuuuuuuuuuuuGD(2V)S(0V)-4-5-6-7.5VuoffGS7)(设第22页/共90页2022年4月20日星期三23综上分析可知 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电， 所以场效应管也称为单极型三极管。 JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制 预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于饱和。 JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因 此iG0，输入电阻很高。第23页/共90页2022年4月20日星期三2432 绝缘栅场效应管(IGFET)栅极与沟道之间隔了一层很薄的绝缘体，其阻抗比JFET的反偏PN结的阻抗更大。功耗低，集成度高。绝缘体一般为二氧化硅（SiO2），这种IGFET称为金属氧化物半导体场效应管，用符号MOSFET表示（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。此外，还有以氮化硅为绝缘体的MNSFET等。一、简介第24页/共90页2022年4月20日星期三25(a)源极栅极漏极氧化层(SiO2)BWP型衬底NNL耗尽层A1层SGD图35绝缘栅(金属-氧化物-半导体)场效应管结构示意图 (a)立体图；(b)剖面图 第25页/共90页2022年4月20日星期三26MOSFETN沟道P沟道增强型N-EMOSFET耗尽型增强型耗尽型N-DMOSFETP-EMOSFETP-DMOSFET二、分类第26页/共90页2022年4月20日星期三27321 绝缘栅场效应管的结构322 N沟道增强型MOSFET (Enhancement NMOSFET)一、导电沟道的形成及工作原理第27页/共90页2022年4月20日星期三28图36N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号B(b)NUDS导电沟道P型衬底UGSNDGS(c)B第28页/共90页2022年4月20日星期三29二、转移特性(1)当uGSUGSth时，iD 0，二者符合平方律关系。2)(2GSthGSoxnDUuLWCui2)(GSthGSUukiD0第29页/共90页2022年4月20日星期三30 式中：UGSth开启电压(或阈值电压)； n沟道电子运动的迁移率； Cox单位面积栅极电容； W沟道宽度； L沟道长度(见图35(a)； W/LMOS管的宽长比。 在MOS集成电路设计中，宽长比是一个极为重要的参数。 第30页/共90页2022年4月20日星期三31iD0)(VuGSGSthU(a).转移特征曲线:第31页/共90页2022年4月20日星期三32三、输出特性(1)截止区uDS0uGSUGSthuGDUGSth（或uDSUGSthuGDuGS-UGSth）第34页/共90页2022年4月20日星期三35GD(1V)S(0V)432.51.5设VuGSth2截止区（恒流区）饱和区且临界饱和区可变电阻区GSthGSGSthGSGSthDSGSGSthDSGSGSthDSGSuuuuuuuuuuuuu第35页/共90页2022年4月20日星期三36323 N沟道耗尽型 MOSFET (Depletion NMOSFET)20)1 (GSoffGSDDUuIi式中： ID0表示uGS=0时所对应的漏极电流。 )(220GSoffoxnDULWCuI第36页/共90页2022年4月20日星期三37iDuGSUGSoff0(a)ID0图310N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号第37页/共90页2022年4月20日星期三38图310N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号1234iD/mA01020uDS/V0V515(b)UGS 3V6V3VGSoffGSDSUuu第38页/共90页2022年4月20日星期三39图310N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号(c)DGSB第39页/共90页2022年4月20日星期三40324各种类型MOS管的符号及特性对比DGSDGSN沟道P沟道结型FET图311各种场效应管的符号对比第40页/共90页2022年4月20日星期三41DSGBDSGBDSGBDSGBN沟道P沟道增强型N沟道P沟道耗尽型MOSFET图311各种场效应管的符号对比第41页/共90页2022年4月20日星期三42iDuGSUGSoff0IDSSID0UGSth结型P沟耗尽型P沟增强型P沟MOS耗尽型N沟增强型N沟MOS结型N沟图312各种场效应管的转移特性和输出特性对比(a)转移特性N沟道：0DiP沟道：0Di第42页/共90页2022年4月20日星期三43图312各种场效应管的转移特性和输出特性对比uDSiD0线性可变电阻区012345601231233456789结型P 沟耗尽型MOSP沟345601201231233456789结型N沟耗尽型 增强型MOS N沟UGS/VUGS/V增强型(b)输出特性N沟道：0DiP沟道：0Di)(GSthGSoffGSDSuuuu第43页/共90页2022年4月20日星期三4433 场效应管的参数和小信号模型 331 场效应管的主要参数一、直流参数1. 结型场效应管和耗尽型MOSFET的主要参数 (1)饱和漏极电流IDSS(ID0)： (2)夹断电压UGSoff：当栅源电压uGS=UGSoff时，iD=0。IDSS指的是对应uGS=0时的漏极电流。 2.增强型MOSFET的主要参数对增强型MOSFET来说，主要参数有开启电压UGSth。第44页/共90页2022年4月20日星期三453.输入电阻RGS对结型场效应管，RGS在1081012之间。对MOS管，RGS在10101015之间。通常认为RGS 。 二、极限参数(1)栅源击穿电压U(BR)GSO。(2)漏源击穿电压U(BR)DSO。(3)最大功耗PDM：PDM=IDUDS第45页/共90页2022年4月20日星期三46DGSDGSN沟道P 沟道结型FET图311各种场效应管的符号对比DSGBDSGBDSGBDSGBN沟 道P沟 道增 强 型N沟 道P沟 道耗 尽 型MOSFET第46页/共90页2022年4月20日星期三47三、交流参数1跨导gm)/(VmdudigCuGSDmDS对JFET和耗尽型MOS管，电流方程为2)1 (GSoffGSDSSDUuIi那么，对应工作点Q的gm为式中，IDQ为直流工作点电流。DSSDQGSoffDSSGSoffGSGSoffDSSQGSDmIIUIUuUIdudig2)1 (直流工作点电流IDQ ，gm 。第47页/共90页2022年4月20日星期三4822)()(2GSthgsGSthgsoxnDUukUuLWCui而对增强型MOSFET，其电流方程为那么，对应工作点Q的gm为DQDQoxnmkIILWCug22直流工作点电流IDQ ，gm 。第48页/共90页2022年4月20日星期三492.输出电阻rds GSQuDDSdsdidur 恒流区的rds可以用下式计算：其中，UA为厄尔利电压。DQAdsIUr DSGB第49页/共90页2022年4月20日星期三50DGSDGSN沟道P 沟道结型FET图311各种场效应管的符号对比DSGBDSGBDSGBDSGBN沟 道P沟 道增 强 型N沟 道P沟 道耗 尽 型MOSFET第50页/共90页2022年4月20日星期三51 图38输出特性uDSiD0UGSUA(厄尔利电压)(b)厄尔利电压第51页/共90页2022年4月20日星期三52DSdsGSmDSDSDGSGSDDDSGSDdurdugduuiduuidiuufi1),( 若输入为正弦量，上式可改写为dsdsgsmdUrUgI1通常rds较大，Uds对Id的影响可以忽略，则332 场效应管的低频小信号模型gsmdUgI 第52页/共90页2022年4月20日星期三53rds(a)gmUgsUdsIdDS(b)gmUgsUoIdDS图313 场效应管低频小信号简化模型第53页/共90页2022年4月20日星期三5434 场效应管放大器341 场效应管偏置电路偏置方式自偏压方式混合偏置方式 确定直流工作点方法图解法解析法 适宜 JFET、DMOSFET适宜 JFET、DMOSFET、EMOSFET第54页/共90页2022年4月20日星期三55 图314场效应管偏置方式 (a)自偏压方式； (b)混合偏置方式 RDUDDRS(自偏压电阻)uiRGV(a)RDUDDRS(自偏压电阻)uiRG2(b)RG1(分压式偏置)RDUDDRS(自偏压电阻)uiRGV(a)第55页/共90页2022年4月20日星期三56一、图解法SDGSRiuSDDDGGGGSRiURRRu212 栅源回路直流负载线方程1.对于自偏压方式2.对于混合偏置方式 栅源回路直流负载线方程RDUDDRS(自偏压电阻)uiRGV(a)RDUDDRS(自偏压电阻)uiRG2(b)RG1(分压式偏置)第56页/共90页2022年4月20日星期三57RDUDDRS(自偏压电阻)uiRGV(a)SDGSRiu 栅源回路直流负载线方程1.对于自偏压方式图解法iDuGS0(a)Q1Q2RS1-第57页/共90页2022年4月20日星期三582.对于混合偏置方式图解法iDuGS0(b)Q1Q2Q2Q3Q3RS1-RG1+RG2RG2UDDRDUDDRS(自偏压电阻)uiRG2RG1(分压式偏置)SDDDGGGGSRiURRRu212 栅源回路直流负载线方程第58页/共90页2022年4月20日星期三59解析法SDGSGSoffGSDSSDRiuUUIi2)1 (已知电流方程及栅源直流负载线方程，联立求解即可求得工作点. 例如对于自偏压方式如：第59页/共90页2022年4月20日星期三60UiC2C1RDRG1RSUDD20VRG2150k50k2k10kRL1M(a)Uo.RG31M.C3图316共源放大器电路及其低频小信号等效电路 (a)电路；(b)低频小信号等效电路 342场效应管放大器分析一、共源放大器第60页/共90页2022年4月20日星期三61rdsDSUo.RDRLUi.GRG3RG2RG1(b)gmUgs.图316共源放大器电路及其低频小信号等效电路 (a)电路；(b)低频小信号等效电路第61页/共90页2022年4月20日星期三62式中， ，且一般满足RDRLrds。所以，共源放大器的放大倍数Au为若gm=5mA/V，则Au=50。igsUU)(LDmiouRRgUUArdsDSUo.RDRLUi.GRG3RG2RG1(b)gmUgs.)(LDdsgsmoRRrUgU第62页/共90页2022年4月20日星期三63rdsDSUo.RDRLUi.GRG3RG2RG1(b)gmUgs.kRrRRDdsDo10输入电阻： 输出电阻：MRRRRGGGi0375. 1213第63页/共90页2022年4月20日星期三64例 场效应管放大器电路如图318(a)所示，已知工作点的gm=5mA/V，试画出低频小信号等效电路，并计算增益Au。uiC2C1C3RDuoRG1RG3RS2UDDRG2RS1150k50k2k10k1k1MRL1Mgm2mA/V第64页/共90页2022年4月20日星期三65uiC2C1C3RDuoRG1RG3RS2UDDRG2RS1150k50k2k10k1k1MRL1Mgm2mA/V 图318带电流负反馈的放大电路(a)电路；(b)等效电路；(c)简化等效电路(a)1sgsmgsiRUgUU第65页/共90页2022年4月20日星期三66RS1rdsDSUo.RDRL+-+-Ui.GRG3RG2RG1gmUgs.)(1SdimgsmdRIUgUgI输出电压)(LDdoRRIUiSmmdURggI11 故 3 . 8)(11LmLDSmmiouRgRRRggUUA第66页/共90页2022年4月20日星期三671. 放大倍数Au iLmmdLdimLSdimgsmdiLSdiouURggIRIUgRRIUgUgIURRIUUA1 )()(式中： 故 所以3333106 . 11021106 . 11021LmLmuRgRgA第67页/共90页2022年4月20日星期三68 图318带电流负反馈的放大电路(a)电路；(b)等效电路；(c)简化等效电路gmUgs.DSUo.RS1RDRLrds(b)(c)Uo.RL1gmRS1gmUi.第68页/共90页2022年4月20日星期三69C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRL10kUo.RG31MUi.gm2mA/V图319共漏电路及其等效电路 (a)电路；(b)等效电路二、共漏放大器第69页/共90页2022年4月20日星期三70图319共漏电路及其等效电路 (a)电路；(b)等效电路(b)Uo.RLRSSDId.gmUgs. gmUi Id(RSRL). 第70页/共90页2022年4月20日星期三711. 放大倍数Au )(LdimLSdimgsmdRIUgRRIUgUgI式中： 故 所以3333106 . 11021106 . 11021LmLmuRgRgAC2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRL10kUo.RG31MUi.gm 2mA/ViLSdiouURRIUUA)(iLmmdURggI1第71页/共90页2022年4月20日星期三72C1RG1RSUDD(a)RG2RoIo.Uo.图320计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路 2. 输出电阻RoC2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRL10kUo.RG31MUi.gm 2mA/V第72页/共90页2022年4月20日星期三73图320计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路RS(b)IS.Io.gmUgs. gm( Uo).Uo.RoISRC1RG1RSUDD(a)RG2RoIo.Uo.第73页/共90页2022年4月20日星期三74omomgsmSSoRSRoUgUgUgIRUIIIISS)(由图可见 式中： 所以，输出电阻为 4001021102133mSogRRmSomSooooogRUgRUUIUR1111第74页/共90页2022年4月20日星期三75 3.输入电阻 MRRRRRGGGGi0375. 1213C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRL10kUo.RG31MUi.gm 2mA/V第75页/共90页2022年4月20日星期三76第76页/共90页2022年4月20日星期三77新型半导体MOS器件研究 第77页/共90页2022年4月20日星期三781958年集成电路发明以来,为了提高电子集成系统的性能，降低成本(1)集成电路的特征尺寸不断缩小，制作工艺的加工精度不断提高(2)同时硅片的面积不断增大(3)40多年来，集成电路芯片的发展基本上遵循了摩尔定律，即每隔三年集成度增加4倍，晶体管尺寸按0.7的因子减小。(4) 集成电路芯片的特征尺寸已经从1978年的10m发展到现在的0.130.08m；硅片的直径尺寸也逐渐由2英寸、3英寸、4英寸、6英寸、8英寸发展到12英寸。更新的预测表明,到2016年,MOS的沟道长度将缩小到20nm以下.第78页/共90页2022年4月20日星期三79MOS器件缩小到亚100nm面临许多挑战,有很多问题需要解决:(1)SCE(短沟道效应);(2)DIBL(漏场感应势垒降低)效应; (3)氧化层的可靠性;(对器件的静态功耗产生影响);(4)量子效应;(使栅电容减小);(5)杂质数涨落;(杂质数统计起伏对器件性能影响).第79页/共90页2022年4月20日星期三80SourceDrainTunnelingThermionic emission图7 电子传输方向能带示意图Fig.7 Potential diagram in the direction of electron transport第80页/共90页2022年4月20日星期三81高K栅介质MOS器件(1)随着半导体器件特征尺寸的缩小， SiO2栅氧化层厚度也相应地减薄。这时电子的隧穿电流更趋明显,传统的二氧化硅栅介质已经无法满足半导体器件的要求;(2)寻找高性能的、与半导体制备工艺兼容的高介电常数的绝缘栅介质替代传统的二氧化硅介质，已成为新型MOS器件研究领域的前沿研究课题.第81页/共90页2022年4月20日星期三82第82页/共90页2022年4月20日星期三83平面双栅MOSFET第83页/共90页2022年4月20日星期三84其结构上的特点是: (1)均匀且薄(10 25 nm ) 的硅沟道; (2) 厚的源漏扇出结构, 以减少串联电阻; (3)顶栅和底栅之间能很好地对准, 这一点对于双栅MO SFET 来说很重要, 因为如果顶栅和底栅之间不能很好地对准, 就会产生附加的源漏区覆盖电容, 并减小器件的电流驱动能力。平面双栅器件的优点是: 1)可以更有效地抑制短沟道效应;2)两个栅可以和沟道相互耦合, 以增加互导。一般来说, 双栅MO SFET 器件有两倍于单栅MOSFET 的驱动能力。第84页/共90页2022年4月20日星期三85第85页/共90页2022年4月20日星期三86Fin FET F in FET 是一种高效的自对准双栅器件, Si沟道呈现竖直的“鳍”状, 故称为“FinFET ”。器件的栅在沟道竖直方向的两侧控制沟道。第86页/共90页2022年4月20日星期三87环绕栅MOSFET环绕栅MOSFET 的栅环绕着一个柱形硅条, 硅条截面的形状可以是长方形, 也可以是圆形等。第87页/共90页2022年4月20日星期三88环绕栅FET 的优点是: 1) 沟道是很细的柱形硅条, 环绕栅可以从各个方向来对沟道进行静电控制。研究表明, 这种静电控制可以使环绕栅FET 比双栅MO SFET 有更好的亚阈值特性和短沟道特性;2) 硅膜厚度比较薄的情况下, 在栅上施加电压可以使器件的整个沟道区(表面和内部) 达到全耗尽, 这可以大大提高器件的跨导特性。第88页/共90页2022年4月20日星期三89(1)前面介绍的几种新结构器件, 突破了传统平面MOSFET 的结构, 从平面单栅结构变为立体的双栅或多栅结构, 这样可以提高芯片上器件的集成密度;(2)这些器件一般都有两面栅或多个栅, 因此可以提高栅对沟道的控制, 并提高器件的电流驱动能力, 减少SCE, DIBL 效应。 这些器件很好地克服了传统平面结构MOSFET 的弱点;(3)在未来的几年内, 传统的平面结构MOSFET还会有很强的生命力, 其地位也很难被多栅晶体管所取代。但是, 随着集成电路产业的不断发展, 这些新结构器件会显示出越来越强的竞争力。总结第89页/共90页2022年4月20日星期三模拟电子线路90感谢您的观看。第90页/共90页
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