场效应器件物理原理

场效应器件物理原理第一页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.2C-V特性本节内容理想MOS电容的CV特性氧化层电荷对CV特性影响界面态概念及对CV特性影响第二页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.2C-V特性什么是C-V特性MOS电容C`=dQ/dV=Cox与Cs`的串联器件电容定义:相当于金属电容与半导体电容串联电阻越串越大，电容越串越小第三页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.2C-V特性理想MOS电容C-V特性电容-电压特性测试曲线直流电压：决定器件工作点，调整大小使MOS先后处于堆积、平带、耗尽、本征、反型几种状态交流电压：幅值比较小，不改变半导体的状态测量电源：MOS外加栅压，在直流电压上叠加一交流小信号电压。第四页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.2C-V特性堆积状态加直流负栅压，堆积层电荷能够跟随交流小信号栅压的变化。直观：相当于栅介质平板电容公式：面电荷密度随表面势指数增加。第五页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.2C-V特性平带状态所加负栅压正好等于平带电压VFB，使半导体表面能带无弯曲第六页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.2C-V特性耗尽状态加小的正栅压，表面耗尽层电荷随交流小信号栅压的变化而变化，出现耗尽层电容CSD`C’相当与Cox与Csd’串联第七页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.2C-V特性强反型状态阈值反型点：CV曲线分高低频。原因：和反型层电荷的来源密切相关。第八页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.2C-V特性反型层电荷来源2023/3/14

反型层电荷来源：（热运动产生的少子）1、P衬少子电子通过耗尽层到反型层（扩散+漂移）2、耗尽层中热运动产生电子空穴对，电子漂移到反型层。半导体始终存在热运动过程，不断有电子空穴对的产生复合。热运动：电子从价带激发到导带，电子热运动挣脱共价键束缚的过程交流信号正向变化对应电子产生过程，负向变化对应电子复合过程;少子的产生复合过程需要时间。反型层电荷是否跟得上信号变化与信号变化快慢相关：第九页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.2C-V特性强反型状态(低频)加大的正直流栅压：半导体表面强反型状态交流栅压变化较慢：反型层电荷跟得上栅压的变化直观：相当于栅介质平板电容公式：面电荷密度随表面势指数增加。中反型：近似认为只改变耗尽层电荷到只改变反型层电荷之间的过渡区第十页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.2C-V特性反型状态(高频)加较大的直流正栅压：半导体表面强反型状态交流栅压变化较快：反型层电荷跟不上栅压的变化，只有耗尽层电荷对C有贡献。总电容？交流小信号：耗尽层宽度乃至耗尽层电容随栅压变化微弱。总电容值？第十一页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.2C-V特性

n型与p型的比较p型衬底MOS结构n型衬底MOS结构第十二页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.2C-V特性氧化层电荷的影响-----++例图:因为Qss均为正电荷,需要额外牺牲负电荷来中和界面的正电Q`ss使得S表面处于任状态时与无Q`ss相比VG都左移.但每一状态下的C`并不会发生变化：(例C`FB始终不变)

每个状态VG变，不改变vg对Q`S的作用VG移量相等:

Q`ss不是栅压的函数，栅压改变不影响Q`ss大小---第十三页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.2C-V特性界面陷阱的分类被电子占据（在EFS之下）带负电，不被电子占据（在EFS之上）为中性被电子占据（在EFS之下）为中性，不被电子占据（在EFS之上）带正电（界面陷阱）界面电荷是栅压的函数?栅压会改变半导体表面的EF相对位置界面态：半导体界面处禁带宽度中的电子能态。第十四页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/142023/3/141.2C-V特性

界面陷阱的影响:本征本征态本征态：界面电荷不带电，对C-V曲线无影响禁带中央：CV曲线实虚线重和第十五页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/142023/3/141.2C-V特性

界面陷阱的影响:本征前本征之前：EFi>EF，总有施主态在EFS之上，施主态失去电子界面陷阱带正电。正施主态数量是栅压的函数。C-V曲线左移，左移量随栅压不等------+++本征态---陷阱电荷使得S表面处于本征之前任状态时VG都左移.每一状态下的C`并不会发生变化：(例C`FB始终不变)VG左移量随栅压不等例图:需要额外牺牲三个负电荷来中和界面态的正电第十六页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/142023/3/14本征之后：EFi<EF，总有受主态得到电子，界面陷阱带负电，负受主态数量是栅压的函数。C-V曲线右移，右移量随栅压不等1.2C-V特性

界面陷阱的影响:反型状态+++例图:需要额外牺牲三个正电荷来中和界面态的负电,阈值电压升高++++++___陷阱电荷使得S表面处于本征之后状态时VG右移.每一状态下的C`并不会发生变化：(例C`T不变)VG右移量随栅压不等第十七页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.2C-V特性需掌握内容理想情况CV特性CV特性概念和CV特性测试原理MOS电容在不同半导体表面状态下的特点和公式频率特性高低频情况图形及解释思考：阈值反型点后若直流电压变化快，CV曲线如何？非理想CV曲线氧化层电荷对CV特性影响界面态产生、分类及对CV特性影响第十八页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3

MOSFET原理

本节内容MOSFET基本结构电流电压关系——概念电流电压关系——推导跨导和沟道电导衬底偏置效应第十九页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/142023/3/141.3MOSFET原理MOSFET结构4端器件：S：source提供载流子的终端D：drain收集载流子的终端G：gate,起控制（开关）作用B：body，衬底体区，衬底电极MOSFET:

Metal-Oxide-Semiconductorfield-effecttransistor：

电压控制电流—>场效应晶体管

绝缘栅场效应晶体管（InsulatedGate,IGFET）栅极与其它电极之间是相互绝缘的MIS（Metal-Insulated-Semiconductor）黑（灰）色部分可以理解为两种材料界面或空间电荷区，一般书中不画。第二十页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理

MOSFET结构沟道长度L：栅氧下方源漏之间半导体的长度.沟道宽度W：与沟长垂直的水平方向的源漏区宽度栅氧厚度toxMOS电容：外加VG，氧化层下方半导体表面可能形成反型层，连接SD区，就是MOSFET的导电沟道。第二十一页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/142023/3/141.3MOSFET原理MOSFET分类(1)

n沟道MOSFET：NMOSp沟道MOSFET：PMOS分类方法1：按照沟道载流子的导电类型分沟道电流：VGS>VT，加VDS

NMOS(VDS>0)；PMOS(VDS<0)第二十二页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理

MOSFET分类(2)n沟道增强型MOSFET(E型：Enhancement)零栅压时不存在反型沟道，VTN>0n沟道耗尽型MOSFET(D型：Delption)零栅压时已存在反型沟道，VTN<0问题：不进行专门的N型掺杂，能否形成耗尽型NMOS？？分类方法2：0栅压是否存在反型沟道分第二十三页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/142023/3/141.3MOSFET原理MOSFET分类(3)

p沟道增强型MOSFET零栅压时不存在反型沟道，VTP<0p沟道耗尽型MOSFET零栅压时已存在反型沟道，VTP>0思考：N衬表面若不进行专门的P型掺杂，能否形成耗尽型PMOS?第二十四页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/142023/3/141.3MOSFET原理MOSFET分类(4)四种MOS晶体管N沟增强型；N沟耗尽型；P沟增强型；P沟耗尽型第二十五页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/142023/3/141.3MOSFET原理

VGS的作用VT：MOS电容半导体表面是否强反型的临界电压。强反型层存在-----MOSFET的沟道存在。VT：刚刚产生沟道所需的栅源电压VGSvGS

越大，沟道载流子越多,在相同的vDS作用下，ID越大。第二十六页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/142023/3/141.3MOSFET原理

VDS的作用场感应结：n型沟道和P型衬底。VDS使沟道上压降从源到漏增加，场感应结反偏压增加，耗尽层增厚，栅上电压不变，反型层厚度渐2023/3/14VDS的作用：（VGS>VT） 形成沟道电流：NMOS(VDS>0)PMOS(VDS<0)载流子迁移率为表面迁移率，不等于体内u。对Vox起抵消作用：沟道从源到漏厚度渐沟道x点处沟道电荷Qn`=COX（VGS-Vx-VT）第二十七页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/142023/3/141.3MOSFET原理

IV特性共源连接NMOSFET：输入端：GS,输出端：DS输出特性转移特性偏置特点：VGS>VTN,VDS>0沟道形成形成沟道电流：对VGS起抵消作用：沟道从源到漏厚度渐第二十八页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理

ID随VDS的变化(1)线性区第二十九页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理

ID随VDS的变化(2)过渡区第三十页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理

ID随VDS的变化(3)饱和点沟道夹断点X：反型层电荷密度刚好近似=0

VGX=VT,VXS=VDS(sat)第三十一页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理

ID随VDS的变化(4)饱和区第三十二页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理转移特性曲线n沟道MOSFETp沟道MOSFETVGSVGSVGS

越大，沟道载流子越多，在相同的漏源电压VDS作用下，漏极电流ID越大。反型层形成后，因反型层在G和B间起屏蔽作用，即VGS变，电荷由S和D提供，非衬底。第三十三页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理输出特性曲线四个区：（I）线性区：VGS>VT,VDS<(VGS-VT),可变电阻区（压控电阻）。（II）饱和区：VGS>VT,VDS>(VGS-VT)，恒流区（压控电流源）。

（III）击穿区：反向偏置的漏衬结雪崩倍增而击穿。（IV）截止区:VGS<VT。第三十四页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理输出特性曲线簇n沟增强型n沟耗尽型P沟在第3象限，越负电流越大第三十五页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3

MOSFET原理

需掌握内容MOSFET基本结构、种类、横截面图、符号图MOSFET基本工作原理电流电压关系——定性物理过程输出特性曲线四个区的划分转移特性曲线三个区的划分第三十六页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理

I-V特性:结构模型p型衬底、n型沟道MOSFET0第三十七页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理

I-V特性:基本假设沟道中的电流是由漂移而非扩散产生的栅氧化层中无电流缓变沟道近似（长沟器件），即垂直于沟道方向上的电场变化远大于平行于沟道方向上的电场变化，EX为常数氧化层中的所有电荷均可等效为Si-SiO2界面处的有效电荷密度QSS`沟道中的载流子迁移率与空间座标无关忽略SD区体电阻和金属电极间的接触电阻，VDS完全降在沟道上。第三十八页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/14高斯定理相互抵消E5=E6=0，即使有也相互抵消E3＝0表面所在材料的介电常数某闭合表面沿闭合表面向外法线方向的电场强度该闭合表面所包围区域的总电荷量1.3MOSFET原理

I-V特性:表面电荷第三十九页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理

I-V特性:氧化层电势第四十页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理

I-V特性:反型层电荷与电场氧化层电势半导体表面空间电荷区的单位面积电荷氧化层中垂直于沟道方向的电场反型层单位面积的电荷第四十一页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理

I-V特性:沟道电流电流密度电流强度漏源电流强度不应是x或Vx的函数（电流连续性定律）第四十二页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理

I-V特性:沟道电流漏源电流强度第四十三页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理

I-V特性:线性区与饱和区第四十四页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理

I-V特性:影响漏极电流Id的因素为增益因子，或称几何跨导参数影响漏极电流ID大小的因素（1）沟道的宽长比；（2）载流子（电子或空穴）的迁移率μ；（3）栅氧化层电容；（4）开启电压VT；（5）偏置VGS。第四十五页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理

I-V特性:提高器件ID驱动能力的途径在工作电压范围内，适当提高器件偏置电压VGS材料参数设计参数工艺参数第四十六页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理μ和VT的测试提取方法高场下迁移率随电场上升而下降存在亚阈值电流n沟耗尽型n沟增强型第四十七页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理p沟增强型MOSFET的I-V特性第四十八页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理跨导:模型跨导：VDS一定时，漏电流随VGS变化率。表征FET放大能力的重要参数（晶体管增益），反映了VGS

对ID

的控制能力。单位S(西门子)，一般为几毫西(mS)。第四十九页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理跨导:表达式VGS一定时，饱和区跨导>线性区跨导器件放大应用，一般工作在饱和区。原因？第五十页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理跨导影响因素Ⅰ.VGS较小：β与VGS无关，gms∝VGSⅡ.VGS较大：VGS↑=>表面散射↑=>μ↓=>β↓；gms随VGS↑而↑变缓

Ⅲ.VGS为一较大值：β∝μ∝1/(VGS-VT),gms随VGS↑达到最大

IV.VGS很大：gms随VGS↑而↓第五十一页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理

跨导影响因素:RS、RD的影响

Rs对MOS管跨导影响，gmeffRs降低了跨导（晶体管增益），而且Rs越大，降低程度越大Rs=0,

VGS=V'GS;Rs不等于0,

VGS=V'GS+ID*RS;第五十二页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理跨导:提高途径材料参数设计参数工艺参数在工作电压范围内，适当提高器件偏置电压VGS降低串联电阻RS第五十三页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理（沟道电导）漏导:模型沟道电导（漏导）：VGS一定时，漏电流随VDS的变化率表明线性区导通能力（导通电阻）器件开关应用时，一般工作在线性区。原因？第五十四页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理漏导:影响因素增加线性区沟道电导的途径？非饱和区漏导等于饱和区跨导第五十五页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/142023/3/141.3MOSFET原理漏导:RS,RD影响RS，RD：SD电极间电阻增加，电导下降Rs=0,RD=0，VDS`=VDSRs,RD不等于0,VDS`=VDS-ID*(RS+RD)Rs，RD对MOS管跨导影响，gdeff第五十六页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3

MOSFET原理

需掌握内容电流电压关系—推导理解缓变沟道近似线性区和饱和区IV关系的推导跨导定义、公式和影响因素沟道电导定义、公式和影响因素第五十七页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/141.3MOSFET原理衬底偏置效应(1)≥0必须反偏或零偏IC中衬底电位的接法第五十八页，共六十七页，2022年，8月28日2023/3/142023/3/142023/3/141.3MOSFET原理

衬底偏置效应(2)VSB>0源区电势能=-e(VD+VSB)VSB=0源区电势能=-eVD源衬结能带图：