外部偏置下的MOS系统

【外部偏置下的MOS系统】外部偏置下的MOS系统现在，我们把注意力转向外加电压偏置下MOS结构的电特性。我们知道两端MOS结构就等效为平板电容器。设衬底电压为VB=0，令栅极电压为控制参数。根据VG的极性和幅值，可以观察到MOS系统的三个不同工作区：积聚区、耗尽区和反型区。平板电容器VVG(栅极电压)VB=0设衬底电压为VB=0，令栅极电压为控制参数。根据VG的极性和幅值，可以观察到MOS系统的三个不同工作区：积聚区、耗尽区和反型区。如果栅极外加负电压VG,MOS结构等效为平板电容，下面的电压高，上面的电压低，则内建电场由下面指向上面，下面的平板上带正电，上面的平板上带负电。下面的平板就相当于半导体衬底和氧化层的交界处，在这里，p型衬底的空穴被吸引到半导体-氧化层交界处，表面附近的多数载流子浓度比衬底的均衡空穴浓度大，这种情况叫做表面载流子积聚。外部偏置下的MOS系统EEEE空穴带正电荷电子带负电荷在表面处空穴积聚本体表面从能带图上来看，p型半导体衬底能带分为表面能带和本体能带，在表面处，由于空穴积聚，表面空穴浓度高于本体空穴浓度，费米能级与价带很接近，因此价带向上弯曲，其他能带也一起向上弯曲。这就是工作在积聚区的MOS结构的剖面图和能带图。由于表面外加负的栅极偏置，表面空穴密度增大时，随着负电荷的电子进入衬底更深处，电子（少数载流子）浓度减少。外部偏置下的MOS系统EE在表面处耗尽本体表面现在考虑栅极上加一个小正偏置电压VG的情况。因为衬底偏置为0,等效的平板电容中上面的电压高，下面的电压低，则内建电场由上面指向下面，上面的平板上带正电，下面的平板上带负电。下面的平板就相当于半导体衬底和氧化层的交界处，在这里，多数载流子（即空穴）由于正的栅极偏置电压作用被排斥返回衬底，并且这些空穴会留下固定的带负电荷的受主离子，在表面附近形成了耗尽区。注意，在这种偏置条件下，半导体-氧化物交界区域几乎没有可运动的载流子。从能带图上来看，p型半导体衬底能带分为表面能带和本体能带，在表面处，没有可运动的载流子，费米能级与本征费米能级很接近，因此本征费米能级向下弯曲，其他能带也一起向下弯曲。这就是工作在耗尽区的MOS结构的剖面图和能带图。可以发现，表面耗尽区的厚度xd为表面电势s的函数。假设在平行于表面的水平薄层中的运动空穴电荷为：用转移面电荷dQ乘以到表面的距离xd所需要的表面电势改变量可由泊松方程求出：对上式沿垂直尺寸（垂直于表面）积分，得到：从而，耗尽区深度为：并且，仅仅由固定受主离子组成的耗尽区电荷密度为：不久我们会看到，这个耗尽区电荷量对分析阈值电压很重要。外部偏置下的MOS系统可以发现，表面耗尽区的厚度为表面电势的函数。假设在平行于表面的水平薄层中的运动空穴电荷为：用转移面电荷dQ乘以到表面的距离xd所需要的表面电势改变量可由泊松方程求出：对上式沿垂直尺寸（垂直于表面）积分，得到：从而，耗尽区深度为：并且，仅仅由固定受主离子组成的耗尽区电荷密度为：不久我们会看到，这个耗尽区电荷量对分析阈值电压很重要。外部偏置下的MOS系统EEEE空穴带正电荷电子带负电荷吸引到表面的电子本体表面n型p型反型区下面考虑正栅极偏置进一步增大。因为衬底偏置为0,等效的平板电容中上面的电压高，下面的电压低，则内建电场由上面指向下面，上面的平板上带大量正电，下面的平板上带大量负电。下面的平板就相当于半导体衬底和氧化层的交界处，在这里，多数载流子（即空穴）由于正的栅极偏置电压作用被排斥返回衬底，少数载流子（电子）从本体吸引到表面，在表面处电子浓度比空穴浓度大。从能带图上来看，p型半导体衬底能带分为表面能带和本体能带，在表面处，电子浓度比空穴浓度大，能带向下弯曲的程度也会增大，使得费米能级位于导带和本征费米能级之间，于是这个区域的衬底半导体变成n型。由正栅极偏置在表面附近产生的n型区域称为反型层，并且这种情况称为表面反型。这就是工作在反型区的MOS结构的剖面图和能带图。表面带有大量运动电荷浓度的薄反型层可以用来在MOS晶体管的两个电极间传导电流。当表面运动电子密度等于本体（p型）衬底中的空穴密度时，表面就称之为反型。这种情况要求表面电势和本体费米电势ϕF大小相等，极性相反。一旦表面反型，任何栅极电压的增大都会导致表面运动电子浓度的增大，而不是耗尽深度的增大。外部偏置下的MOS系统表面带有大量运动电荷浓度的薄反型层可以用来在MOS晶体管的两个电极间传导电流。当表面运动电子密度等于本体（p型）衬底中的空穴密度时，表面就称之为反型。这种情况要求表面电势和本体费米电势ϕF大小相等，极性相反。一旦表面反型，任何栅极电压的增大都会导致表面运动电子浓度的增大，而不是耗尽深度的增大，因而，若耗尽区深度在表面反型时达到最大耗尽深度xdm，则它将不再随栅极电压升高而改变。利用反向条件，在表面反型时的最大耗尽区深度可得：

外加栅极偏置电压产生的传导性的表面反型层是MOS晶体管电流传导的必然现象。因而，若耗尽区