學(xué)習(xí)資料：ppt課件，半導(dǎo)體器件電子書（陳星弼、張慶中）

場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Field Effect Transistor,簡(jiǎn)稱FET)是另一類重要的微電子器件。這是一種電壓控制型多子導(dǎo)電器件,又稱為單極型晶體管。與雙極型晶體管相比,場(chǎng)效應(yīng)晶體管有以下優(yōu)點(diǎn)。
(1)輸人阻抗高,這有利于各級(jí)間的直接耦合,有利于在大功率晶體管中將各子晶體管并接,有利于輸人端與徼波系統(tǒng)的匹配。
(2)溫度穩(wěn)定性好。
(3)噪聲較小。
(4)在大電流情況下跨導(dǎo)基本上不下降。
(5)沒(méi)有少子存儲(chǔ)效應(yīng),因此開(kāi)關(guān)速度快。
(6)功耗低。
(7)制造工藝簡(jiǎn)單。
優(yōu)點(diǎn)
(1)輸人阻抗高,這有利于各級(jí)間的直接耦合,有利于在大功率晶體管中將各子晶體管并接,有利于輸人端與微波系統(tǒng)的匹配。
(2)溫度穩(wěn)定性好。
(3)噪聲較小。
(4)在大電流情況下跨導(dǎo)基本上不"下降。
(5)沒(méi)有少子存儲(chǔ)效應(yīng),因此開(kāi)關(guān)速度快。
(6)功耗低。
(7)制造工藝簡(jiǎn)單。
分類
場(chǎng)效應(yīng)晶體管可分為三大類：結(jié)型柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET),肖特基勢(shì)壘柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)和絕緣棚場(chǎng)效應(yīng)晶體管(IGFET)。JFET和MESFET的工作原理相同。以JFET為例,用一個(gè)低摻雜的半導(dǎo)體作為導(dǎo)電溝道,在半導(dǎo)體的一個(gè)側(cè)面或相對(duì)的兩側(cè)制作PN結(jié),并加上反向電壓。由于PN結(jié)的勢(shì)壘區(qū)主要向低摻雜的溝道區(qū)擴(kuò)展,于是可利用反偏PN結(jié)的勢(shì)壘區(qū)寬度隨反向電壓的變化而變化的特點(diǎn)來(lái)控制導(dǎo)電溝道的截面積,從而控制溝道的導(dǎo)電能力。這兩種FET的不同之處僅在于,JFET是利用PN結(jié)作為控制柵,而MESFET則是利用金屬–半導(dǎo)體結(jié)(即肖特基勢(shì)壘結(jié))來(lái)作為控制柵。IGFET的工作原理則略有不同,它是利用電場(chǎng)能來(lái)控制半導(dǎo)體的表面狀態(tài),從而控制溝道的導(dǎo)電能力。根據(jù)溝道的導(dǎo)電類型的不同,每類FET又可分為N溝道器件和Р溝道器件。JFET和IGFET通常用硅材料制作,而MESFET一般用砷化家材料制作。
IGFET的榻極可以用金屬材料制作,金屬柵下面的絕緣層可以用SiO₂、Si₃N₄或Al₂O₃制作。當(dāng)采用SiO₂作為絕緣層時(shí),這種IGFET按其縱向結(jié)構(gòu)被稱為“金屬–氧化物–半導(dǎo)體”場(chǎng)效應(yīng)晶體管,簡(jiǎn)稱MOSFET。實(shí)際上,現(xiàn)在許多IGFET的柵極材料已不采用金屬,例如在大規(guī)模集成電路中通常采用多晶硅或金屬硅化物作為柵極,絕緣層也不一定是SiO₂,但這種IGFET仍被習(xí)慣地稱為MOSFET。

MOSFET的基本結(jié)構(gòu)示意圖

工作原理

在一般的工作條件下,MOSFET的源極和襯底是連接在一起的,而漏區(qū)和襯底之間的PN結(jié)則處于反向偏置,所以MOSFET在正常工作時(shí),源區(qū)、漏區(qū)和溝道所構(gòu)成的有源部分與襯底之間是處于反偏的。這就使整個(gè)器件與襯底之間在電學(xué)上是完全隔離的,因此制作在同一襯底上的各個(gè)器件之間具有天然的隔離。否則的話,如果漏區(qū)和襯底之間的PN結(jié)處于正向偏置,一方面會(huì)破壞器件之間的隔離,另一方面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)流經(jīng)負(fù)載電阻R_L的正向電流。這個(gè)電流的大小與輸人信號(hào)無(wú)關(guān),會(huì)使晶體管的功耗增大。如果MOSFFET的源極未和襯底連接在一起,也應(yīng)使源區(qū)和襯底之間的PN結(jié)處于反向偏置。

MOSFET的類型

MOSFET的輸出特性

MOSFET的閾電壓

閾電壓也稱為開(kāi)啟電壓,是MOSFET的重要參數(shù)之一,其定義是使柵下的襯底表面開(kāi)始發(fā)生強(qiáng)反型時(shí)的柵極電壓，記為V_T。

MOS結(jié)構(gòu)示意圖

N溝道MOSFET

MOSFET的增益因子

漏極電流的精確表達(dá)式

MOSFET的擊穿電壓

1．漏源擊穿電壓BV_DS

在MOSFET中產(chǎn)生漏源擊穿的機(jī)理有兩種,一是漏PN結(jié)的雪崩擊穿,二是漏源兩區(qū)的穿通。
MOSFET的金屬柵電極一般覆蓋了漏區(qū)邊緣的一部分。如果金屬柵極的電勢(shì)低于漏區(qū)的電勢(shì),就會(huì)在漏區(qū)與金屬柵極之間形成一個(gè)附加電場(chǎng),如圖所示。這個(gè)附加電場(chǎng)使柵極下面漏PN結(jié)耗盡區(qū)中的電場(chǎng)增大,因面擊穿首先在該處發(fā)生。MOSFET的這種雪崩擊穿是表面的小面積擊穿。應(yīng)該指出,在MOS集成電路中,當(dāng)N溝道MOSFET處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí),楊極電壓為負(fù)值,這將使得 BV_DS有明顯的降低。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)襯底的電阻率大于1·cm時(shí),BV_DS就不再與襯底材料的摻雜濃度有關(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。

2.柵源擊穿電壓BV_GS

在使用MOSFET時(shí),柵極上不能外加過(guò)高的電壓。當(dāng)柵源電壓V_GS超過(guò)一定限度時(shí),會(huì)使柵氧化層發(fā)生擊穿,使柵極與柵氧化層下面的襯底出現(xiàn)短路,從而造成永久性的損壞。使柵氧化層發(fā)生擊穿的概源電壓稱為柵源擊穿電壓,記為 BV_GS。
臨界電場(chǎng)強(qiáng)度E_B的值一般在5×10⁶~10×10⁶ V/cm之間。對(duì)于通常的MOSFET,柵氧化層厚度T_OX大致在100-200 nm之間,其擊穿電壓的范圍如圖所示。柵氧化層的質(zhì)量不同將導(dǎo)致同樣厚度下的擊穿電壓也不同。對(duì)于厚度為150 nm的柵氧化層,其擊穿電壓大約在75~150V的范圍內(nèi)。由于柵氧化層質(zhì)量的變化范圍比較大,所以在設(shè)計(jì)柵氧化層厚度時(shí)至少要考慮50%的安全因子。

MOSFET的發(fā)展方向

從MOSFET過(guò)去40年的發(fā)展歷史及今后的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,其發(fā)展方向主要是溝道長(zhǎng)度的不斷縮短。第一只商業(yè) MOSFET的溝道長(zhǎng)度大于20 m,而目前已經(jīng)縮短到小于0.1 m。這種發(fā)展趨勢(shì)可以用摩爾定律來(lái)描述,即 MOS集成電路的集成度每18個(gè)月翻一番,最小線寬每6年下降一半。目前預(yù)測(cè)的最小極限尺寸是25 nm,盡管這種對(duì)極限尺寸的預(yù)測(cè)也在不斷下調(diào)。
MOSFET的發(fā)展過(guò)程,就是在不斷縮短溝道長(zhǎng)度的同時(shí),盡量設(shè)法消除或削弱短溝道效應(yīng)的過(guò)程。已經(jīng)出現(xiàn)了許多種頻率和開(kāi)關(guān)特性優(yōu)良、功耗低和功率容量高的MOSFET結(jié)構(gòu)。

按比例縮小的MOSFET

恒場(chǎng)按比例縮小法則

削弱短溝道效應(yīng)的方法之一,是當(dāng)MOSFET的溝道長(zhǎng)度縮短時(shí),要求器件的其他各種橫向和縱向尺寸,以及電壓也按一定的比例縮小,使縮小后的MOSFET的內(nèi)部電場(chǎng)仍與未縮小的MOSFET相同。如果短溝道效應(yīng)在未縮小的MOSFET中是不顯著的,則在按比例縮小后的MOSFET中也將是不顯著的,這樣就可在縮短溝道長(zhǎng)度的同時(shí)不增加短溝道效應(yīng)。

雙擴(kuò)散MOSFET

在雙極型晶體管中,是利用兩次反型雜質(zhì)擴(kuò)散的結(jié)深之差來(lái)精確控制基區(qū)寬度的。在雙擴(kuò)散MOSFET(D-MOSFET)中,采用與此相同的工藝來(lái)精確控制溝道長(zhǎng)度。

SOS-MOSFET