§ 6-8 增強型 MOSFET 基本結構 (n-通道 增強型 MOSFET)： • 轉移曲線 並不由 蕭克萊方程式 所定義。

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1 § 6-8 增強型 MOSFET 基本結構 (n-通道 增強型 MOSFET)： • 轉移曲線 並不由 蕭克萊方程式 所定義。
• ID 保持截止 而直到 VGS 達到某特性值 才導通。(n-通道裝置→VGS >0) 基本結構 (n-通道 增強型 MOSFET)： •空乏型與增強型MOSFETs 結構之 主要差異 － 汲極與源極端子間(n- 型摻雜區域間) 缺乏通道。 •SiO2層 將閘極金屬層 與 汲極至源 極間的區域 隔開，且現在 僅與一 段p-型材料 隔開。 金屬 接點 無通道 n-型摻雜區域 (Sub Strate) 基體 p-型基體 有時內↓ s 矽基板 SS 1

2 § 6-8 增強型 MOSFET 基本操作： (n-通道 增強型 MOSFET) (1)VGS = 0，VDS >0，且SS端接S端
＝⇒n-型區域與p-型基體間形成兩個 逆向偏壓之p-n接面? ＝⇒阻止汲極與源極間電流流通 ＝⇒ ID = 0A (2)VT >VGS >0V，VDS >0V ⇒VG ,VD >VS (G正電位) ⇒①p-型基體之電洞沿著SiO2層邊緣 離開→缺乏電洞之空乏區 ②電子(少數載子)被吸引至正閘極 並靠近SiO2層表面之區域累積 ∴VGS↑→近SiO2層表面電子濃度↑ (3)VGS ≧VT >0V，VDS >0V ⇒電子濃度↑至 感應n-通道 ⇒D -S 間電流流通 ⇒ ID ⇈ 電子被吸引至正閘極 (感應 n-通道) 缺乏p型載子(電洞)區域 絕緣層 電洞被正閘極所排斥 (VGS >0) 註：臨限電壓VGS (Th) 或VT 通道 2

3 § 6-8 增強型 MOSFET 特性： (4)VGS >VT 且固定，VDS↑>0V ⇒ID 終達 飽和值
原因：ID 平坦化 由於 感應通道之D 端通道變窄之 夾止過程。 說明：0 >VDG↑=VDS↑小－VGS(定值)大 ⇒VGD↓> 0 ⇒感應通道電子之吸引力↓ ⇒有效通道寬度↓ ⇒夾止 特性： (n-通道 增強型 MOSFET) •”增強型”名稱由來：因VGS =0V 時通 道不存在，需外加VGS >0V 電壓而“增 強”謂之。 •”增強區 “ 為唯一操作模式。 夾止(開始) p-型基體 空乏區 (VGS >VT 且定值) (VDS↑>0V) 3

4 § 6-8 增強型 MOSFET •VDS sat 與VGS 關係：VDS sat↑＝VGS↑－VT (定值)
•VGS <VT ⇒ID = 0mA (圖VT =2V) •VGS ≧VT 時，ID 與 VGS 之 非線性關係：ID ＝k (VGS－VT )2， 其中，k 項為一常數，是與裝置結構有關。 ID (on)與VGS (on)為裝置特性曲線上某一特殊點。 VDS sat 之軌跡 操 作 區 已知 ID (on)=10mA，VGS (on)=8V 將 VGS =4V 代入 ID = × 10-3 (VGS－2V )2 = × 10-3 (4V－2V )2 = × 10-3 × 4 = 1.11mA 4

5 § 6-8 增強型 MOSFET 轉移 (輸出入關係) 特性曲線： 汲極特性曲線 畫出 轉移曲線
(1) VGS <VT ⇒ ID = 0mA (2) 對 n-通道 (感應)裝置 而言，VGS ≧VT > 0 ⇒ ID > 0 (3) 僅用到 飽和值 (4) 操作區域 被限制於 VDS >VDS sat 圖解法 操 作 區 5

6 § 6-8 增強型 MOSFET 利用 特定 k 與 VT 值 畫出 轉移曲線
∵k = 0.5×10-3；VT = 4V ⇒汲極電流方程式 ID = 0.5×10-3(VGS －4V )2 (a) 在VGS = 0 ~ 4V 畫出 ID = 0mA 之水平線。 (因VGS ≦VT ⇒ID = 0mA) (b) 將 VGS >VT 值 代入 ID 方程式。 (例：VGS = 5V) ID = 0.5×10-3(5V－4V )2 = 0.5mA (c) 代入 其他 VGS = 6V,7V,8V 值 ⇒ID = 2mA,4.5mA,8mA 6

7 § 6-8 增強型 MOSFET p-通道 增強型 MOSFET： (與 n-通道 比 )
(a) 結構相反，即有 n-型基體 且D 與 S 連接處 為 p-型區域。 所有 電壓極性 與 電流方向 均相反。 (b) VGS 之變號 將導致 轉移特性 (對於ID 軸) 鏡像反射。 • VDG (p3)、VDS sat , ID , k (p4) 方程式 仍可適用。 結構 轉移特性曲線 汲極特性曲線 VGS ≦VT 愈負 → ID↑ VGS 愈負 → ID↑ 7

8 § 6-8 增強型 MOSFET 符號： •符號 反映 裝置之真實結構。
•D-S 間 虛線 反映 無偏壓情況下 通道不存在。(此為 空乏型 與 增強型 符號差異) •每種型態的通道 有 兩種符號，此反映某些情況下 基體可外接。 n-通道 p-通道 8

9 § 6-8 增強型 MOSFET 規格表 與 外殼結構：(摩托羅拉 n-通道 增強型 MOSFET) 2N4351 MOSFETs
外殼22-03, 形態2 TO-72 (TO-206AF)      3 汲極 4 外瞉 2 閘極 1 源極 MOSFETs 切換式 n-通道－增強型 9

10 § 6-8 增強型 MOSFET 由 上述資料 可得 經由 ID ＝k (VGS－VT )2 來 給定VGS 得 ID ⇒ 轉移曲線 小
VGS (on) ← 小 由 上述資料 可得 經由 ID ＝k (VGS－VT )2 來 給定VGS 得 ID ⇒ 轉移曲線 10

11 § 增強型 MOSFET 11

12 § 6-8 增強型 MOSFET 例題 6.4：由上述規格表中提供的數據 及 VGS (Th)=3V 之平均臨限電壓，求：
a. MOSFET 之 k 值。 b. 轉移特性曲線。 解： a. b.①在VGS = 0~3V(VT ) ⇒ID = 0mA ②ID ＝k (VGS－VT )2 ＝0.061×10-3(VGS －3V )2 VGS = 5V時， ID ＝0.061×10-3(5V－3V )2 ＝0.061×10-3(4V) =0.244mA ③代入VGS = 8V,10V,12V及14V 得 ID =1.525mA,3mA,4.94mA 及7.38mA 將①~③部份繪製曲線→右圖轉移曲線 ① ② ③ 12

13 § 6-9 MOSFET 之處理 •問題：由於 SiO2 層非常薄，若有足夠靜態電荷累積 而 建立跨於薄層的電位
差 ⇒ 使薄層崩潰 並 建立經過薄層之導通路徑 方法：須使裝置端子短路在一起 且 一直到裝置插入系統中 •當電源導通時 取出或加入裝置 通常會在網路中導致暫態 (電壓或電流之急遽 變化)，因此 安裝時須先關掉電源。 •為保證VGS (max) 在正負極性均不會被超過 (可能由於暫態效應) 的方法 則為 引 進兩個曾納二極體。[如圖] 13

14 § 6-10 VMOS •起因：MOSFET 缺點為 功率較低 (小於1W)。 •結構模式 為 垂直結構。
•操作原理：VDS>0，VG≧0 ⇒ ⅰ.ⅱ.⇒ R⇊ ⇒ 功率消耗 P↓=I2 R↓或 P =I2↑R↓ ⅰ. p-型區域中 產生 感應 n-型通道，通道長度 (p-型區域之垂直高度) 小。 ⅱ. 通道與 n+區域間的 接觸面積 ⇈且 有兩導通路徑 外接源極端點 通道之有效長度 較寬的通道 (基體) •特性： ⅰ.有較低通道電阻及較高 之電流與功率額定。 ⅱ.有正溫度係數，可對抗 熱逃脫之可能性。 (T↑→R↑→ID↓→P↓=ID2↓R) ⅲ.電荷儲存值降低，故有 較快速的切換時間。 14

15 § 6-11 CMOS (互補式 Complementary MOSFET)
•可在同一基體上 建立 p-通道 及 n-通道，故 結構 稱為 互補式。 •特性：具 相當高輸入阻抗、極快切換速度、低消耗功率。 •應用：於 電腦邏輯設計，如 反相器---可作為 開關電晶體。 p-通道 MOSFET n-通道 MOSFET “導通” 時 n-型基體 15

16 § 6-11 CMOS CMOS 反相器 I洩漏 (高) (0-態) 5 V (1-態) (低) off on VT >0= Vi =
p-通道 MOSFET n-通道 (0-態) (1-態) off on VT >0= Vi = 0 V ∥ VT >0 -5V ≅ 5 V I洩漏 (0-態) (高) (低) on off 5 V (1-態) 16

17 § 6-12 MESFETs (金屬-半導體場效電晶體)
•蕭特基障壁 是以置入一金屬 (如: 鎢) 在 n-型通道上 所建立的障壁。 •G-n 表面間 有 較低值的殘餘電容 ⇒ 高頻靈敏性↓ •GaAs材料 可支援更多 高移動率的載子。 •典型通道長度 介於 0.1μm ~ 1μm 之間，可供 高速率應用。 n-通道 空乏型 MESFET： •操作： 1.VG<0 ⇒電子相斥 離開n 吸引進 p ⇒通道中載子數目↓ ∴VG愈負⇒ID↓ 2.VG>0 ⇒電子吸引 進通道 ⇒ID↑ •汲極與轉移特性相似空乏型MOSFET p-型區 改善動作 基體 較濃摻雜的 n-型區 較淡摻雜的 金屬 (鎢) [基本結構] 17

18 § 6-12 MESFETs (金屬-半導體場效電晶體)
[特性] [符號 與 基本偏壓佈置] 18

19 § 6-12 MESFETs (金屬-半導體場效電晶體)
n-通道 增強型 MESFET： •反應與特性 相同於 增強型MOSFET。 •由於 閘極的蕭克萊障壁⇒VT 限制在 0V~0.4V。( 因蕭特基障壁二極體的 “啟通” 電壓 約是0.7V) 結論： •空乏型與增強型MESFET 是製造具有 介於汲極與源極之間的通道，故僅 n- 型MESFETs 具商業可用性。 較濃摻雜的 n-型區 金屬 基體 [結構] [符號] 19

20 § 6-13 摘要表 JFET MOSFET 型式 符號與基本關係式 轉移曲線 輸入電阻與電容 (n-通道) 空乏型 增強型
§ 摘要表 型式 符號與基本關係式 轉移曲線 輸入電阻與電容 JFET (n-通道) IG =0A，ID =IS Ri>100MΩ Ci：(1－10) pF MOSFET 空乏型 Ri>1010Ω 增強型 ID ＝k (VGS－VGS (Th) )2 20

21 § 6-13 摘要表 MESFET 型式 符號與基本關係式 轉移曲線 輸入電阻與電容 空乏型 (n-通道) 增強型
§ 摘要表 型式 符號與基本關係式 轉移曲線 輸入電阻與電容 MESFET 空乏型 (n-通道) IG =0A，ID =IS Ri>1012Ω Ci：(1－5) pF 增強型 ID ＝k (VGS－VGS (Th) )2 21