晶体管原理-C32讲解.ppt

半导体器件原理 2009.06.22 引 言 1. 晶体管按工作原理分类: 第四章 场效应晶体管 1) 双极型晶体管 2) 场效应晶体管(Field effect transistor: FET) *20世纪三十年代:利林费尔德-场效应思想 ---通过加在半导体表面上的垂直电场来调制半导体的电导率 *1962年前后:Si平面工艺和外延技术发展;表面态密度大大降低 2. FET按结构和工艺特点来划分 1) 结型栅场效应晶体管(JFET) 2) 肖特基势垒栅场效应晶体管(MESFET) 3) 绝缘栅场效应晶体管(IGFET) 1 Institute of Microelectronics Circuit 2) 功耗小; 3) 噪声系数小; 4) 温度稳定性好; 5) 抗辐射能力强 第四章 场效应晶体管 --引 言 4. JFET和MESFET 2 Institute of Microelectronics Circuit 分立器件 中有的沟道电流是垂直方向流动的,称为纵向MOSFET 第四章 场效应晶体管 --1.MOSFET的基本特性 (2)AB段: 过渡区,沟道压降影响沟 道电阻 (3)BC段: 饱和区,VDSVDsat,之后沟道有效 长度随VDS增大而缩短,称为有效沟道长度 调变效应. (4)CD段: 击穿区,VDS≥BVDS 非 饱 和 区 4)MOSFET类型 * N沟道增强型、耗尽型, P沟道增强型、 耗尽型 4 Institute of Microelectronics Circuit ②栅氧化层内有效电荷面密度为零; ③栅氧化层与半导体界面处不存在界面态。

第四章 场效应晶体管 --1.MOSFET的基本特性 (2)理想MOS结构 6 Institute of Microelectronics Circuit ②倒/负管跨导不同,图形尺寸大小不同; ③倒相管导通时负载管也导通,电路中流过较大电流. v设想: 如果使电路在导通和截止时均能使倒相管与负载管中的一个导通另一 个截止，就能减小静态功耗；同时若跨导都很大，等效电阻小，便能缩短充放 电时间，提高开关速度这便是--- 31 Institute of Microelectronics Circuit ②两管跨导均可较大,使导通等效电阻小些,以缩短开 关时间,并使总功耗很小 v负载管n衬底接高电位﹑倒相管p衬底接低电 位,两衬底之间反偏,自动隔离 v①VGS=0,倒相器处于截止态 ②VGS0,倒相器处于导通态 32 Institute of Microelectronics Circuit (2)亚阈电流一直随VDS增加而增加,VT减小; (3)VGS对IDsub控制能力变弱，使MOSFET难以截止 2）体内DIBL效应 VGSVFB，VDS不太大，源漏区间势垒高度表面的高于 体内,电子从源区注入沟道及在沟道内流动都发生在体内,形成穿通电流。

v以n-MOSFET为例：长沟道的VDS全降 在漏结上 v短沟道时，源于漏的电力线将有一部 分贯穿沟道区终止于源区，使源漏区间 的势垒高度降低，称为漏诱生势垒降低 效应（DIBL） 36 Institute of Microelectronics Circuit (2)外加衬底偏压 v问题：穿通电流受VGS控制弱；VDS很大时将导致穿通击穿 v热载流子：能量比费米能级大几个 kT 以上的载流子 (1)横向电场Ey足够大时, 沟道电子在纵 向电场作用下注入到栅氧化层中;A (3)耗尽区内热激发产生电子-空穴对;C (2)漏区附近强电场Ey使高能电子碰撞电 离产生电子-空穴对; B 短沟道MOSFET中产生IG的原因 37 Institute of Microelectronics Circuit (2)跨导gm下降; (3)亚阈电流IDsub增大 (1)双扩散D-MOSFT; (2)采用偏置栅结构; (3)埋沟结构 v产生沟道热电子的原因是漏区附近极高的横向电场的存在抑制热 电子效应的措施: v 沟道长度越短,热电子效应越严重 v IG的出现表征着热电子效应的存在,且IG的大小可用来衡量热电子效 应的大小。

38 Institute of Microelectronics Circuit ②沟道横向电场强度不变; ③耗尽区内电荷面密度不变; 第四章 场效应晶体管 --3.微电子器件的发展方向 ⑤阈电压 VT’=VT/K; ⑥最高工作频率 fT’=KfT; ⑦功耗 缩小1/K2; ⑧门延迟 缩小1/K; v优点:面积小、速度快、功耗低 ④跨导不变; 40 Institute of Microelectronics Circuit & System 半导体器件原理 2009.06.22 2.MEMS技术 第四章 场效应晶体管 --3.微电子器件的发展方向 Ø 21世纪微电子的核心技术：系统级芯片（SOC） Ø MEMS概念 ： MEMS(Micro-electro-mechanical systems) 即微电子 机械系统 是微电子技术与机械、光学等领域的结合，是微型SOC系统 与其它MEMS的通信/接口(光 /电/磁) 力 光 声 温度 化学 其它 传 感 器 执 行 器 运动 能量 信息 其它 模拟信 号处理 数字信 号处理 模拟信 号处理 41 Institute of Microelectronics Circuit & System 半导体器件原理 2009.06.22 第三章 双极结型晶体管 --3.微电子器件的发展方向 Ø MEMS技术的特点：3个M概括，即小尺寸（miniaturization）、多 样化(multiplicity)、微电子(microelectronics) (1) 光学领域 MEMS在光技术领域中的应用较广泛，已经形成MEMS技术中的 一个重要分支技术即微光机电系统（MOEMS: micro-opto- electro-mechanical systems）； Ø MEMS技术与不同的技术相结合，便会产生一种新型的MEMS器件。

(2) 运输与航空航天 大量MEMS传感器的使用可以实现汽车的智能驾驶及无人 驾驶在航天方面，运用MEMS技术的微卫星和纳米卫星的研制应运而生； (3) 科学仪器 具有智能化、多功能化、高灵敏度优势的MEMS技术，给科学仪 器带来巨大的变革，产生了各种微小型MEMS专用仪器； 42 Institute of Microelectronics Circuit & System 半导体器件原理 2009.06.22 (4) RF MEMS器件：利用MEMS技术制作的射频器件，可以提高器件 功率效率，与传统的IC技术兼容，使得单片集成成为可能，并且 具有体积小、重量轻、成本低、性能优越等优点. 第三章 双极结型晶体管 --3.微电子器件的发展方向 vRF MEMS开关与现有的半导体FET或PIN 二极管开关相比，其优点是 ： （1）减少了开关动作中的电阻损耗，功耗 仅为纳焦耳数量级； （2）有很高的隔离度； （3）改善了开关的互调失真和开关的负载 能力； （4）RF MEMS开关可以做在多种衬底上 43 Institute of Microelectronics Circuit & System 半导体器件原理 2009.06.22 第三章 双极结型晶体管 --3.微电子器件的发展方向 Ø 概念 ：生物芯片（Biochip）--计算机芯片。

由于最初的生物芯片的 主要目标是用于DNA序列的测定、基因表达谱鉴定和基因突变的检测 和分析，所以又被称为基因芯片（Genechip）或DNA芯片 Ø 由来---今后医疗手段的发展方向，将由现在的治疗医疗向将来的预 防医疗转变，同时实现早期发现、早期诊断和早期治疗 3. 生物芯片技术 Ø 芯片分析实际上也是传感器分析的组合 44 Institute of Microelectronics Circuit & System 半导体器件原理 2009.06.22 第三章 双极结型晶体管 --3.微电子器件的发展方向 Ø 生物芯片技术被誉为21世纪生命科学的支撑技术，是半导体技术和 生物技术联姻的结果，使生命科学及医学工作者可以在方寸之上进 行和完成一系列实验程序，被称为“微缩芯片实验室” 45 Institute of Microelectronics Circuit & System 。