FinFET

單晶矽具有準金屬的物理性質，有較弱的導電性，其電導率随溫度的升高而增加，有顯著的半導電性。超純的單晶矽是本征半導體， 基本上不導電。

本征半導體（intrinsic semiconductor）是指完全不含雜質且無晶格缺陷的純淨半導體，一般是指其導電能力主要由材料的本征激發決定的純淨半導體。 典型的本征半導體有矽(Si)、鍺(Ge)及砷化镓(GaAs)等。 本征半導體是指化學成分純淨的半導體，它在物理結構上有多晶體和單晶體兩種形态，制造半導體器件必須使用單晶體。 制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“9個9”。 在制造半導體器件的過程中會進一步提高材料的純度，單晶體不但純度高，在晶格結構上也是沒有缺陷的， 用這樣的單晶體制造的器件才能保證質量。

在矽晶體中摻入微量的A族雜質原子（如磷、砷、銻等），可形成N型半導體，電子（帶負電）是其導電的主要載流子。這是因為這些雜質原子和矽原子形成共價鍵結構時，其外圍五個電子中的四個會留下一個電子不受共價鍵束縛而成為自由電子，于是N型半導體就成為了含電子濃度較高的半導體，其導電性主要是因為自由電子導電

如圖1.1所示

在矽晶體中摻入微量的ⅢA族雜質原子（如硼、铟等），将形成P型半導體，空穴（帶正電）是其導電的主要載流子。這些雜質原子和矽原子形成共價鍵結構時，其外圍隻有三個電子，比矽原子少了一個電子而留下了一個空缺，即空穴。當空穴被其他鄰近的電子補上時， 那補位的電子原先的位置便又留下了一個新的空穴，這個空穴的轉移 可視為正電荷的運動，成為能夠導電的載流子（見圖1.2）。

N型半導體和P型半導體是所有半導體器件的基礎。摻雜的雜質濃度越高，半導體導電性越好，電阻率越低。

在一塊完整的矽片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導體，另一邊形成P型半導體，兩種半導體的交界面附近的區域稱為PN結。

在P型半導體和N型半導體結合後，由于N區内自由電子為多數載流子（多子），空穴幾乎為零，稱之為少數載流子（少子），而P區内空穴為多子，自由電子為少子，在它們的交界處就出現了電子和空穴的濃度梯度。由于存在自由電子和空穴濃度梯度的原因，有一些電子從N區向P區擴散，也有一些空穴從P區向N區擴散。它們擴散的結 果就使P區一邊失去空穴，留下了帶負電的雜質離子，N區一邊失去電子，留下了帶正電的雜質離子。開路中半導體中的離子不能任意移動，因此不參與導電。這些不能移動的帶電離子在P區和N區交界面附近，形成了一個空間電荷區，見圖1.3。空間電荷區的薄厚與摻雜濃度有關。

在空間電荷區形成後，由于正負電荷之間的相互作用，在空間電荷區形成了内建電場，其方向是從帶正電的N區指向帶負電的P區。顯然，這個電場的方向與載流子擴散運動的方向相反，将阻止載流子的進一步擴散。

另一方面，這個電場将使N區的少數載流子空穴向P區漂移，使P區的少數載流子電子向N區漂移，漂移運動的方向正好與擴散運動的方向相反。從N區漂移到P區的空穴補充了原來交界面上P區所失去的空穴，從P區漂移到N區的電子補充了原來交界面上N區所失去的電子，這就使空間電荷減少，内建電場減弱。

因此，漂移運動的結果是使空間電荷區變窄，擴散運動加強。最後，多子的擴散和少子的漂移達到動态平衡。在P型半導體和N型半導體的結合面兩側，留下離子薄層，這個離子薄層形成的空間電荷區稱為PN結。PN結的内建電場方向由N區指向P區。在空間電荷區，由于缺少可移動載流子，所以也稱之為耗盡區。

雙極型晶體管由兩個PN結構成，其中一個PN結稱為發射結，另一個稱為集電結。兩個結之間的一薄層半導體材料稱為基區。接在發射結一端和集電結一端的兩個電極分别稱為發射極和集電極，接在基區上的電極稱為基極見圖1.5。

在應用時，發射結處于正向偏置，集電極處于反向偏置。通過發射結的電流使大量的少數載流子注入到基 區，這些少數載流子靠擴散遷移到集電結而形成集電極電流，隻有極少量的少數載流子在基區内複合而形成基極電流。集電極電流與基極電流之比稱為共發射極電流放大系數。在共發射極電路中，微小的基極電流變化可以控制很大的集電極電流變化，這就是雙極型晶體管的電流放大效應。雙極型晶體管可分為NPN型和PNP型兩類。這種晶體管的工作，同時涉及電子和空穴兩種載流子的流動，因此它被稱為雙極性的，所以也稱雙極性載流子晶體管。因為其需要較大的面積和能耗，制造和設計的成本較高，其重要性已遠不如MOSFET，目前主要用在模拟電路中。

圖1.5 雙極結型晶體管剖面結構示意圖

MOSFET

一塊薄層半導體受橫向電場影響而改變其電阻的現象稱為場效應。利用場效應，使自身具有放大信号功能的器件稱為場效應器件。在這種器件薄層半導體的兩端接兩個電極稱為源和漏。控制橫向電場的電極稱為栅。根據器件栅、源漏以及溝道結構的不同，場效應晶體管可以分為以下幾種：

①采用金屬-絕緣體-半導體的系統構成的金屬氧化物半導體場效應晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor ，MOSFET） ；

②采用PN結構成栅極的結型場效應管 （Junction Field-Effect Transistor，JFET）；

③采用金屬與半導體接觸肖特基勢壘結構成栅極的MESFET場效應晶體管；

④高電子遷移率晶體管（HEMT），這種器件在結構上與MESFET類似，但是在工作機理上卻更接近于MOSFET。

⑤無結金屬-氧化物-半導體場效應晶體管 （Junctionless Field-Effect Transistor，JLFET）；

⑥量子阱場效應晶體管。

一對N溝道和P溝道MOS管以推挽形式（推挽方式可完全獨立産生高低電平，推挽方式為低阻，這樣，才能保證口線上不分走電壓或分走極小的電壓（可忽略），保證輸出與電源相同的高電平，推挽适用于輸出而不适用于輸入，因為若對推挽（低阻）加高電平後，I=U/R，I會很大，将造成口的燒毀。适用于大功率輸出）工作，構成互補的金屬氧化物半導體器件 （ Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）。其組成的反相器基本電路單元所實現一定邏輯功能的集成電路稱為CMOS電路。其特點是：

①靜态功耗低，每門功耗為納瓦級；

②邏輯擺幅大，近似等于電源電壓；

③抗幹擾能力強，直流噪聲容限達邏輯擺幅的35%左右；

④可在較廣泛的電源電壓範圍内工作，便于與其他電路接口；

⑤速度快，門延遲時間達納秒級；

⑥在模拟電路中應用，其性能比NMOS電路好；

⑦與NMOS電路相比，集成度稍低；

⑧有“自鎖效應”，影響電路正常工作。

圖1.8為當代先進CMOS器件結構示意圖

結型場效應晶體管（Junction Field-Effect Transistor，JFET）是在同一塊N型半導體上制作兩個高摻雜的P區，并将它們連接在一起，所引出的電極稱為栅極（G），N型半導體兩端分别引出兩個電極，分别稱為漏極（D）和源極（S），如圖1.11所示。結型場效應晶體管通過栅極電壓改變兩個反偏PN結勢壘的寬度，并因此改變溝道的長度和厚度（栅極電壓使溝道厚度均勻變化，源漏電壓使溝道厚度不均勻變化），進而調節溝道的導電性來實現對輸出電流的控制，是具有放大功能的三端有源器件，也是單極場效應管中最簡單的一種，它可以分N溝道或者P溝道兩種。

1966年，一種金屬-半導體場效應管（Metal-Semiconductor FET， MESFET）被提出并在一年後實現，它在結構上與結型場效應管 （JFET）類似，不過它與後者的區别是這種場效應管并沒有使用PN結作為其栅極，而是采用金屬-半導體接觸所構成的肖特基勢壘結的方式形成栅極，如圖1.12所示，其溝道通常由化合物半導體構成，它的速度比由矽制造的結型場效應管JFET或MOSFET快很多，但是制造成本相對更高。但是金屬-半導體接觸可以在較低溫度下形成，可以采用GaAs襯底材料制造出性能優良的晶體管。

MESFET熱穩定性較差、漏電流較大、邏輯擺幅較小、抗噪聲能力較弱。随着頻率、功率容限以及低噪聲容限需求的增加，砷化镓MESFET已經達到了其設計上的極限，因為滿足這些需求需要更大的飽和電流和更大跨導的短溝道場效應器件。一般可以通過增加溝道摻雜濃度來實現。由于溝道區是對體半導體材料的摻雜而形成的，多數載流子與電離的雜質共同存在。多數載流子受電離雜質散射，從而使載流子遷移率減小，器件性能降低。

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!