半导体物理学学习笔记 (4) - MOSFET

学习资料：ppt课件，半导体器件电子书（陈星弼、张庆中）

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场效应晶体管(Field Effect Transistor,简称FET)是另一类重要的微电子器件。这是一种电压控制型多子导电器件,又称为单极型晶体管。与双极型晶体管相比,场效应晶体管有以下优点。
(1)输人阻抗高,这有利于各级间的直接耦合,有利于在大功率晶体管中将各子晶体管并接,有利于输人端与徼波系统的匹配。
(2)温度稳定性好。
(3)噪声较小。
(4)在大电流情况下跨导基本上不下降。
(5)没有少子存储效应,因此开关速度快。
(6)功耗低。
(7)制造工艺简单。
优点
(1)输人阻抗高,这有利于各级间的直接耦合,有利于在大功率晶体管中将各子晶体管并接,有利于输人端与微波系统的匹配。
(2)温度稳定性好。
(3)噪声较小。
(4)在大电流情况下跨导基本上不"下降。
(5)没有少子存储效应,因此开关速度快。
(6)功耗低。
(7)制造工艺简单。
分类
场效应晶体管可分为三大类：结型栅场效应晶体管(JFET),肖特基势垒栅场效应晶体管(MESFET)和绝缘棚场效应晶体管(IGFET)。JFET和MESFET的工作原理相同。以JFET为例,用一个低掺杂的半导体作为导电沟道,在半导体的一个侧面或相对的两侧制作PN结,并加上反向电压。由于PN结的势垒区主要向低掺杂的沟道区扩展,于是可利用反偏PN结的势垒区宽度随反向电压的变化而变化的特点来控制导电沟道的截面积,从而控制沟道的导电能力。这两种FET的不同之处仅在于,JFET是利用PN结作为控制栅,而MESFET则是利用金属–半导体结(即肖特基势垒结)来作为控制栅。IGFET的工作原理则略有不同,它是利用电场能来控制半导体的表面状态,从而控制沟道的导电能力。根据沟道的导电类型的不同,每类FET又可分为N沟道器件和Р沟道器件。JFET和IGFET通常用硅材料制作,而MESFET一般用砷化家材料制作。
IGFET的榻极可以用金属材料制作,金属栅下面的绝缘层可以用SiO₂、Si₃N₄或Al₂O₃制作。当采用SiO₂作为绝缘层时,这种IGFET按其纵向结构被称为“金属–氧化物–半导体”场效应晶体管,简称MOSFET。实际上,现在许多IGFET的栅极材料已不采用金属,例如在大规模集成电路中通常采用多晶硅或金属硅化物作为栅极,绝缘层也不一定是SiO₂,但这种IGFET仍被习惯地称为MOSFET。

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工作原理

在一般的工作条件下,MOSFET的源极和衬底是连接在一起的,而漏区和衬底之间的PN结则处于反向偏置,所以MOSFET在正常工作时,源区、漏区和沟道所构成的有源部分与衬底之间是处于反偏的。这就使整个器件与衬底之间在电学上是完全隔离的,因此制作在同一衬底上的各个器件之间具有天然的隔离。否则的话,如果漏区和衬底之间的PN结处于正向偏置,一方面会破坏器件之间的隔离,另一方面会产生一个流经负载电阻R_L的正向电流。这个电流的大小与输人信号无关,会使晶体管的功耗增大。如果MOSFFET的源极未和衬底连接在一起,也应使源区和衬底之间的PN结处于反向偏置。

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MOSFET的类型

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MOSFET的输出特性

以栅源电压V_GS作为参变量，可以画出对应于不同V_GS值(通常以等差方式增加)的I_D ~ V_DS曲线族,称为MOSFET的输出特性曲线,如图所示。将各条曲线的夹断点用虚线连接起来,得到的是非饱和区与饱和区的分界线。虚线左侧为非饱和区,虚线右侧为饱和区。

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MOSFET的阈电压

阈电压也称为开启电压,是MOSFET的重要参数之一,其定义是使栅下的衬底表面开始发生强反型时的栅极电压，记为V_T。

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MOSFET的击穿电压

1．漏源击穿电压BV_DS

在MOSFET中产生漏源击穿的机理有两种,一是漏PN结的雪崩击穿,二是漏源两区的穿通。
MOSFET的金属栅电极一般覆盖了漏区边缘的一部分。如果金属栅极的电势低于漏区的电势,就会在漏区与金属栅极之间形成一个附加电场,如图所示。这个附加电场使栅极下面漏PN结耗尽区中的电场增大,因面击穿首先在该处发生。MOSFET的这种雪崩击穿是表面的小面积击穿。应该指出,在MOS集成电路中,当N沟道MOSFET处于截止状态时,杨极电压为负值,这将使得 BV_DS有明显的降低。实验表明,当衬底的电阻率大于1·cm时,BV_DS就不再与衬底材料的掺杂浓度有关,而主要由栅极电压的极性、大小和栅氧化层的厚度所决定。

如果MOSFET的沟道长度较短而衬底电阻率较高,则当V_DS增加到某—数值时,虽然漏区与衬底间尚未发生雪崩击穿,但漏PN的耗尽区却已经扩展到与源区相连了,这种现象称为漏源穿通,如图所示。发生漏源穿通后,如果V_DS继续增加,源PN结上会出现正偏,使电子从源区注人沟道。这些电子将被耗尽区内的强电场扫人漏区,从而产生较大的漏极电流。使漏源两区发生穿通的漏源电压称为穿通电压,记为V_pt。

2.栅源击穿电压BV_GS

在使用MOSFET时,栅极上不能外加过高的电压。当栅源电压V_GS超过一定限度时,会使栅氧化层发生击穿,使栅极与栅氧化层下面的衬底出现短路,从而造成永久性的损坏。使栅氧化层发生击穿的概源电压称为栅源击穿电压,记为 BV_GS。
临界电场强度E_B的值一般在5×10⁶~10×10⁶ V/cm之间。对于通常的MOSFET,栅氧化层厚度T_OX大致在100-200 nm之间,其击穿电压的范围如图所示。栅氧化层的质量不同将导致同样厚度下的击穿电压也不同。对于厚度为150 nm的栅氧化层,其击穿电压大约在75~150V的范围内。由于栅氧化层质量的变化范围比较大,所以在设计栅氧化层厚度时至少要考虑50%的安全因子。

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MOSFET的发展方向

从MOSFET过去40年的发展历史及今后的发展趋势来看,其发展方向主要是沟道长度的不断缩短。第一只商业 MOSFET的沟道长度大于20 m,而目前已经缩短到小于0.1 m。这种发展趋势可以用摩尔定律来描述,即 MOS集成电路的集成度每18个月翻一番,最小线宽每6年下降一半。目前预测的最小极限尺寸是25 nm,尽管这种对极限尺寸的预测也在不断下调。
MOSFET的发展过程,就是在不断缩短沟道长度的同时,尽量设法消除或削弱短沟道效应的过程。已经出现了许多种频率和开关特性优良、功耗低和功率容量高的MOSFET结构。

按比例缩小的MOSFET

恒场按比例缩小法则

削弱短沟道效应的方法之一,是当MOSFET的沟道长度缩短时,要求器件的其他各种横向和纵向尺寸,以及电压也按一定的比例缩小,使缩小后的MOSFET的内部电场仍与未缩小的MOSFET相同。如果短沟道效应在未缩小的MOSFET中是不显著的,则在按比例缩小后的MOSFET中也将是不显著的,这样就可在缩短沟道长度的同时不增加短沟道效应。

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双扩散MOSFET

在双极型晶体管中,是利用两次反型杂质扩散的结深之差来精确控制基区宽度的。在双扩散MOSFET(D-MOSFET)中,采用与此相同的工艺来精确控制沟道长度。

SOS-MOSFET