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1、2.5 JFET与与MESFET器件基础器件基础JFET(Junction-gate Field Effect Transistor)MESFET JFET(Junction-gate Field Effect Transistor)MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)都是都是目前集成电路中广泛使用的半导体器件目前集成电路中广泛使用的半导体器件.JFETJFET可以与可以与BJT(BJT(双极晶体管双极晶体管)兼容兼容,可用作恒流源可用作恒
2、流源及差分放大器等单元电路及差分放大器等单元电路;而而MESFETMESFET是目前是目前GaAs GaAs 微波集成电路广泛采用的器件结构。微波集成电路广泛采用的器件结构。MOSFETMOSFET是靠静电感应电荷控制沟道电荷量是靠静电感应电荷控制沟道电荷量,JFETJFET与与MESFETMESFET依靠势垒的空间电荷区扩展来控依靠势垒的空间电荷区扩展来控制沟道的变化。制沟道的变化。JFETJFET依靠依靠pnpn结空间电荷区控制沟道电荷，结空间电荷区控制沟道电荷，MESFETMESFET是依靠肖基特势垒来控制沟道的变化。是依靠肖基特势垒来控制沟道的变化。2.5.1 器件结与电流控制原理1
3、1 结型场效应晶体管的结构结型场效应晶体管的结构用掺杂在用掺杂在n n型衬底上构成型衬底上构成p+p+区，从而形成一个区，从而形成一个pnpn结。结。上下两个上下两个P P型区联在一起型区联在一起,称为栅极称为栅极(G:grid)(G:grid)。pnpn结下方有一条狭窄的结下方有一条狭窄的N N型区域称为沟道型区域称为沟道(channel)(channel)，其厚度为，其厚度为d d，长度为，长度为L L，宽度为，宽度为WW。沟道两端的欧姆接触分别称为漏极沟道两端的欧姆接触分别称为漏极(D,drain)(D,drain)和源和源极极(S,source)(S,source)。这种结构又称为。这
4、种结构又称为N N沟沟JFETJFET。2 JFET中沟道电流的特点在漏（在漏（D D）极和源（）极和源（S S）极之间加一个电压）极之间加一个电压V VDSDS,就就有电流有电流I IS S流过沟道流过沟道.如果在栅（如果在栅（G G）和源（）和源（S S）极之间加一个反向）极之间加一个反向pn pn 结电压结电压V VGSGS，将使沟道区中的空间电荷区之间的，将使沟道区中的空间电荷区之间的距离逐步变小距离逐步变小,由于栅区为由于栅区为P P+,杂质浓度比沟道区杂质浓度比沟道区高得多，故高得多，故PNPN结空间电荷区向沟道区扩展结空间电荷区向沟道区扩展,使沟使沟道区变窄道区变窄.从而实现电压
5、控制源漏电流的目的。从而实现电压控制源漏电流的目的。综上所述：1 JFET1 JFET是压控器件是压控器件.2 JFET2 JFET工作时工作时,栅源是反偏电压栅源是反偏电压,控制电流很小控制电流很小,因因此是用小输入功率控制大的输出功率此是用小输入功率控制大的输出功率.3 I3 ID D是在沟道中电场作用下多数载流子漂移电流是在沟道中电场作用下多数载流子漂移电流,又称为单极器件又称为单极器件.1 V1 VGSGS=0=0情况下的源漏特性情况下的源漏特性 一般源极接地。由于栅区为一般源极接地。由于栅区为P P+,可以认为栅区等电位可以认为栅区等电位.2 V2 VGSGS 场效应晶体管分为N沟道
6、和P沟道，每一类又分为增强型和耗尽型。1 MOSFET结构示意图MOS器件的表征：沟道长度沟道长度沟道宽度沟道宽度wL2 MOS 结构MOSMOS是采用电场控制感应电荷的方式控制导电沟是采用电场控制感应电荷的方式控制导电沟道道.为了形成电场为了形成电场,在导电沟道区的止面覆盖了一层很在导电沟道区的止面覆盖了一层很薄的二氧化硅层薄的二氧化硅层,称为栅氧化层称为栅氧化层.栅氧化层上覆盖一层金属铝或多晶硅栅氧化层上覆盖一层金属铝或多晶硅,形成栅电极形成栅电极.构成一种金属构成一种金属-氧化物氧化物-半导体结构半导体结构,故称为故称为MOSMOS结结构构.目前栅极大多采用多晶硅目前栅极大多采用多晶硅.
7、2.6.2 MOSFET工作原理（NMOS为例）NMOS工作原理VDS VGS-VT阈值电压：强反型层形成沟道时的栅源电压VT；(表面反型产生的载流子数目等于衬底多子的数目)线性区(Linear region)：VDS=VGS-VT过渡区 ：截止区（Cut off）：VGS VT击穿区：PN结击穿；1 VGS小于等于0的情况:截止区两个背靠背的两个背靠背的PNPN结结,源漏间阻抗很大源漏间阻抗很大,电流近似电流近似为为0 0。对应于直流伏安特性中的截止区。对应于直流伏安特性中的截止区。2 沟道的形成和阈值电压:线性区l（1）导电沟道的形成 图1 P型半导体 (2)(2)、表面电荷减少、表面电荷
8、减少(施加正电压施加正电压)图2 表面电荷减少(3)、形成耗尽层（继续增大正电压）(4)、形成反型层（电压超过一定值VT）表面场效应形成反型层（MOS电容结构）反型层是以电子为载流子的反型层是以电子为载流子的N N型薄层型薄层,就在就在N N+型源型源区和区和N N+型漏区间形成通道称为沟道。型漏区间形成通道称为沟道。V VDSDS V VDS令：K=Cox n 工艺因子 Cox:单位面积电容；n：电子迁移率 N=K(W/L)导电因子则：IDS=N(VGS-VTN)-VDS/2.VDS 线性区的电压-电流方程当工艺一定时，K一定，N与（W/L）有关。（2）饱和区：VDSVGS-VT L S D
9、 VDSVDS-(VGS-VT)VGS-VTV VGSGS-V-VT T不变，不变，V VDSDS增加的电压主要降在增加的电压主要降在L L上，由于上，由于L LL L，电子移动速度主要由反型区的漂移运动决电子移动速度主要由反型区的漂移运动决定。所以，将以定。所以，将以V VGSGS-V-VT T取代线性区电流公式中的取代线性区电流公式中的V VDSDS得得到饱和区的电流到饱和区的电流电压表达式：电压表达式：沟道夹断沟道长度调制效应MOS的电流电压特性（3）截止区：VGS-VT 0 IDS=0 IDS 输出特性曲线VDS 0线性区饱和区|VG5|VG4|VG3|VG2|VG1|VGS-VT11
10、；（5 5）击穿区）击穿区V VDSDS增大到一定程度，使晶体管漏增大到一定程度，使晶体管漏-衬底衬底PNPN结击穿。结击穿。二、二、PMOSPMOS管管IVIV特性特性电流电流-电压表达式：电压表达式：线性区：线性区：I IDSDS=P P(|V(|VDSDS|-|V|-|VTpTp|-|V|-|VDSDS|/2)|V|/2)|VDSDS|饱和区：饱和区：I IDSDS=(=(P P/2)(|V/2)(|VGSGS|-|V|-|VTpTp|)|)衬底偏置（背栅）效应l l如果如果MOSMOS管的源区和衬底电压不一致，就会产生管的源区和衬底电压不一致，就会产生衬底偏置效应，会对阈值电压产生影响
11、：衬底偏置效应，会对阈值电压产生影响：其中：其中：g g 为衬底阈值参数或者体效应系数；为衬底阈值参数或者体效应系数；F F 为强反型层的表面势；为强反型层的表面势；V VBSBS为衬底对源区的电压；为衬底对源区的电压；VTVT0 0为为V VBSBS为为0 0时的阈值电压；时的阈值电压；1.1.衬底掺杂浓度是一个重要的参数，衬底掺杂衬底掺杂浓度是一个重要的参数，衬底掺杂浓度越低，器件的阈值电压将越小浓度越低，器件的阈值电压将越小2.2.栅材料和硅衬底的功函数差的数值对阈值电栅材料和硅衬底的功函数差的数值对阈值电压有影响。压有影响。3.3.栅氧化层厚度决定的单位面积电容的大小，栅氧化层厚度决定
12、的单位面积电容的大小，单位面积栅电容越大，阈值电压将越小，栅氧单位面积栅电容越大，阈值电压将越小，栅氧化层厚度应综合考虑化层厚度应综合考虑一般通过改变衬底掺杂浓度调整器件的阈值电一般通过改变衬底掺杂浓度调整器件的阈值电压压MOS晶体管类别按载流子类型分：按载流子类型分：NMOS:NMOS:也称为也称为N N沟道，载流子为电子。沟道，载流子为电子。PMOS:PMOS:也称为也称为P P沟道，载流子为空穴。沟道，载流子为空穴。按导通类型分：按导通类型分：增强型：增强型：耗尽型：耗尽型：四种四种MOSMOS晶体管：晶体管：N N沟增强型；沟增强型；N N沟耗尽型；沟耗尽型；P P沟增沟增强型；强型；
13、P P沟耗尽型沟耗尽型（1）N沟增强：VDSVGS=VTIDSVGSVTIDS(b)N沟耗尽：VDSVGS=VTIDSVGSVTIDSVGS=0（C）P沟增强（d）P沟耗尽截止区：非饱和区(线性区和过渡区)：饱和区2.6.3 MOSFET伏-安特性有效沟道长度LeffMOS晶体管的跨导为：非饱和状态饱和状态：沟道电阻：特征频率：1.MOS1.MOS阈值电压阈值电压对对NMOSNMOS而言：而言：V VFBFB为平带电压。它表示由于栅极材料和衬底材为平带电压。它表示由于栅极材料和衬底材料间的功函数差以及栅氧化层中固定电荷的影响料间的功函数差以及栅氧化层中固定电荷的影响引起的电压偏移。引起的电压偏
14、移。V VS S为功函数的影响，为功函数的影响，QQSSSS为氧化层固定电荷密度，为氧化层固定电荷密度，C COXOX为单位面积栅氧化层电容（为单位面积栅氧化层电容（MOSMOS电容）电容）2.6.4 MOS管的电压l2 阈值电压和衬底电压的关系l3阈值电压和沟道尺寸的关系随随L L的减小而减小，随的减小而减小，随WW的增大而增大。的增大而增大。MOSFETMOSFET是一种表面型器件，其工作电流沿表面横是一种表面型器件，其工作电流沿表面横向流动，因此其特性和横向尺寸有很强联系。向流动，因此其特性和横向尺寸有很强联系。L L越小，越小，f fT T和和 g gmm均越大，且集成度也越高，因此，
15、减均越大，且集成度也越高，因此，减小尺寸将有益于小尺寸将有益于MOSMOS特性的提高。特性的提高。MOSFETMOSFET是多子器件，没有少数载流子复合和存储，是多子器件，没有少数载流子复合和存储，因此器件速度较高。因此器件速度较高。提高迁移率提高迁移率 n n也将使也将使f fT T和和g gmm提高，采用高迁移率材提高，采用高迁移率材料做晶体管是方向。料做晶体管是方向。MOSMOS晶体管是通过改变外加栅压的大小来控制导电晶体管是通过改变外加栅压的大小来控制导电沟道。沟道。2.6.5 MOS晶体管的特点由于栅源极间有绝缘介质二氧化硅的隔离由于栅源极间有绝缘介质二氧化硅的隔离,因此呈因此呈现纯
16、电容性高输入阻抗。现纯电容性高输入阻抗。由于沟道和衬底之间构成由于沟道和衬底之间构成PNPN结结.为保证只在沟道中为保证只在沟道中有电流流过有电流流过,使用时必然使源区使用时必然使源区,漏区漏区,以及沟道区以及沟道区与衬底之间的与衬底之间的PNPN结处于反偏结处于反偏.这样在同一衬底上形这样在同一衬底上形成的多个成的多个MOSMOS管之间具有自动隔离的效果。管之间具有自动隔离的效果。目前用多晶硅取代铝作栅极材料目前用多晶硅取代铝作栅极材料.多晶硅耐高温多晶硅耐高温,可可形成自对准工艺，掺杂多晶硅又可用途内连线。形成自对准工艺，掺杂多晶硅又可用途内连线。为了克服电阻增大导致的布线延迟为了克服电阻
17、增大导致的布线延迟,又出现了用钨又出现了用钨钼及其硅化物作栅极的材料钼及其硅化物作栅极的材料,其电阻率比多晶硅低其电阻率比多晶硅低两个数量级。两个数量级。2.6.6 MOS 晶体管模型和模型参数L L、W W 沟道长度和宽度沟道长度和宽度VTO VTO 零偏阈值电压零偏阈值电压KPKP跨导系数（跨导系数（u un nC Coxox)GAMMA GAMMA 体效应系数体效应系数PHIPHI费米势费米势LAMBDA LAMBDA 沟道长度调制系数沟道长度调制系数R R（D D，S S）漏和源区串联电阻）漏和源区串联电阻CBCB（D D，S S）零偏）零偏B-DB-D，B-SB-S结电容结电容IS
18、IS 衬底结饱和电流衬底结饱和电流CGSO CGSO 单位沟道宽度栅覆盖电容单位沟道宽度栅覆盖电容CGBO CGBO 单位沟道宽度栅单位沟道宽度栅-衬底覆盖电容衬底覆盖电容PBPB衬底结接触电势衬底结接触电势CJ CJ 衬底结零偏势垒电容衬底结零偏势垒电容MJ MJ 梯度因子，梯度因子，RSHRSH薄层电阻薄层电阻(1)栅自对准工艺在在MOSMOS工工艺艺水水平平中中，在在栅栅氧氧化化层层上上先先利利用用多多晶晶硅硅制制做做栅栅极极，在在形形成成源源漏漏区区进进行行扩扩散散或或进进行行离离子子注注入入时时栅栅极极能能起起到到掩掩膜膜的的作作用用，自自动动保保证证了了栅栅金金属属与与源源漏漏区区的的对对准准问问题题，此此技技术术称为自对准工艺。称为自对准工艺。(2)硅栅结构多多晶晶硅硅栅栅还还可可以以做做互互连连线线,有有利利于于减减小小集集成成电路芯片面积电路芯片面积,提高集成度。提高集成度。2.6.7 硅栅MOS结构和自对准技术特征线宽：特征线宽：0.09 0.09 栅氧厚度：栅氧厚度：1.2nm 1.2nm 沟道长沟道长度：度：50nm50nm300mm300mm硅晶片硅晶片 7 7层铜互连层铜互连MOSFET是单极器件制造简单,体积小,集成度高输入阻抗高,允许很高的扇出可以用做双向开关可以用做储存器件噪声小,功耗小,速度相对较慢2.6.8 高电子迁移率晶体管（HEMT）