半导体物理器件6课件

第六章MOS场效应晶体管●理想MOS结构的表面空间电荷区●理想MOS电容器●沟道电导与阈值电压●实际MOS的电容－电压特性●MOS场效应晶体管●等效电路和频率响应●场效应晶体管的类型●影响阈值电压的因素引言1960年Kahng和Alalla应用热氧化硅结构制造出第一只MOSFET

。Lilienfeld和Heil于1930年代初就提出了表面场效应晶体管原理。1940年代末Shockley和Pearson进行了深入研究。MOSFET是大规模集成电路中的主流器件。其它叫法：绝缘栅场效应晶体管（IGFET）、金属－绝缘体－半导体场效应晶体管（MISFET）、金属－氧化物－半导体晶体管（MOST）等。6.1理想MOS结构的表面空间电荷区6.1.1半导体表面空间电荷区1、理想MOS结构基于以下假设（1）在氧化物中或在氧化物和半导体之间的界面上不存在电荷。（2）金属和半导体之间的功函数差为零，如绘于图6-2b中的情形。〔由于假设（1）、（2），在无偏压时半导体能带是平直的。〕（3）SiO2层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过。因此，即使有外加电压，表面空间电荷区也处于热平衡状态，这使得整个表面空间电荷区中费米能级为常数。这些假设在以后将被取消而接近实际的MOS结构。

6.1理想MOS结构的表面空间电荷区图6-3加上电压时MOS结构内的电位分布

6.1理想MOS结构的表面空间电荷区6.1.2载流子的积累、耗尽和反型1、载流子的积累(负电压)紧靠硅表面的多数载流子浓度大于体内热平衡多数载流子浓度时，称为载流子积累现象。单位面积下的空间电荷：－空间电荷区在半导体内部的边界亦即空间电荷区宽度6.1理想MOS结构的表面空间电荷区1、载流子的积累图6-4几种偏压情况的能带和电荷分布（a），（b）小的，（c）大的6.1理想MOS结构的表面空间电荷区6.1.3反型和强反型条件反型条件：强反型条件：－出现强反型时的表面势（6-17）（6-18）表面势等于体内费米势时，半导体表面开始发生反型。当表面电子浓度等于体内平衡多子空穴浓度时，半导体表面形成强反型层。6.1理想MOS结构的表面空间电荷区6.1.3反型和强反型条件图6-5强反型时的能带图6.1理想MOS结构的表面空间电荷区6.1.3反型和强反型条件得到强反型时相应的感生PN结耗尽层宽度为：（6-19）（6-20）（6-21）（6-52）电离受主：总表面空间电荷：－反型层中单位面积下的可动电荷，即沟道电荷：6.2理想MOS电容器一、MOS系统的电容MOS系统的电容效应，微分电容：（6-22）1、MOS电容定义微分电容C与外加偏压的关系称为MOS系统的电容—电压特性。（6-23）MOS电容有氧化层电容和半导体表面空间电荷区电容串联而成。2、绝缘层单位面积电容（6-29）6.2理想MOS电容器3、导体表面空间电荷区单位面积电容（6-25）4、归一化电容（6-26）（6-28）6.2理想MOS电容器二、MOS的C-V特性电容随偏压的变化图6-7P型半导体MOS的C-V特性6.2理想MOS电容器3、耗尽区（

）（6-43）（6-42）氧化层电容，代入（6-2）式中有（6-44）（6-5）（6-6）把（6-4）（6-5）代入（6-44）式解出6.2理想MOS电容器（6-45）（6-46）归一化电容随着外加偏压的增加而减小4、反型区（

）（6-47）6.2理想MOS电容器●学习要求掌握理想系统的电容—电压特性，对图6.7作出正确分析。导出公式（6－45）、（6-46）

。6.3沟道电导与阈值电压2、阈值电压第二项表示要用一部分电压为半导体表面提供达到强反型时所需要的表面势。第一项表示在形成强反型时，要用一部分电压去支撑空间电荷；定义为形成强反型所需要的最小栅电压。当出现强反型时（6-54）（6-55）沟道电荷受到偏压控制，这正是MOSFET工作的基础。阈值电压：6.3沟道电导与阈值电压●学习要求掌握概念：沟道电导、阈值电压。导出沟道电导公式（6-53）。导出阈值电压公式（6-54）。说明阈值电压的物理意义。6.4实际MOS的电容－电压特性6.4.1功函数差的影响6.4实际MOS的电容－电压特性6.4.1功函数差的影响6.4实际MOS的电容－电压特性6.4.1功函数差的影响在室温下，硅的修正功函数：（6-57）起着有效电压的作用。实际系统的电容C作为的函数，与理想MOS系统C的作为的函数，在形式上应该是一样的。6.4实际MOS的电容－电压特性克服硅－二氧化硅界面电荷和二氧化硅中电荷影响所需要的平带电压：如果氧化层中正电荷连续分布，电荷体密度为，则（6-58）（6-59）(6-60)总的平带电压6.4实际MOS的电容－电压特性（6-61）其中（6-64）称为有效面电荷。实际硅－二氧化硅系统：6.4实际MOS的电容－电压特性6.4.3实际MOS阈值电压和C-V曲线平带电压（6-65）（6-66）阈值电压第一项是，为消除半导体和金属的功函数差的影响，金属电极相对于半导体所需要加的外加电压；第二项是为了把绝缘层中正电荷发出的电力线全部吸引到金属电极一侧所需要加的外加电压；第三项是支撑出现强反型时的体电荷所需要的外加电压；第四项是开始出现强反型层时，半导体表面所需的表面势。6.4实际MOS的电容－电压特性●学习要求画出铝－二氧化硅－硅系统的能带图。根据能带图说明（6-56）了解在二氧化硅、二氧化硅－硅界面系统存在的电荷及其主要性质。了解平带电压公式（6-58）、（6-64）。掌握实际阈值电压的公式及各项的意义。6.5MOS场效应晶体管6.5.1基本结构和工作过程图6-15MOSFET的工作状态和输出特性：（a）低漏电压时6.5MOS场效应晶体管6.5.1基本结构和工作过程图6-15MOSFET的工作状态和输出特性：（b）开始饱和6.5MOS场效应晶体管6.5.1基本结构和工作过程图6-15MOSFET的工作状态和输出特性：（c）饱和之后6.5MOS场效应晶体管6.5.2静态特性图6-16N沟道MOS晶体管6.5MOS场效应晶体管6.5.2静态特性1、线性区在下面的分析中，采用如下主要假设：（1）忽略源区和漏区体电阻和电极接触电阻；（2）沟道内掺杂均匀；（3）载流子在反型层内的迁移率为常数；（4）长沟道近似和渐近沟道近似，即假设垂直电场和水平电路是互相独立的。6.5MOS场效应晶体管1、线性区感应沟道电荷：（6-68）（6-69）（6-70）（6-67）漂移电子电流（6-70）式称为萨支唐（C.T.Sah）方程。是描述MOSFET非饱和区直流特性的基本方程。6.5MOS场效应晶体管例题：采用6.4节例题中的MOS结构作为一个MOSFET。已知下列参数：，。计算和时的。解：由于在6.3节中给出将此值代入（6-70）并令得将代入上式6.5MOS场效应晶体管考虑到沟道电压的作用于是6.5MOS场效应晶体管图6-17式（6-70）和式（6-72）的比较

6.5MOS场效应晶体管2、饱和区假设在L点发生夹断，则（6-73）（6-74）把式（6-73）代入式（6-70）得此式在开始饱和时是有效的。超过这一点，漏极电流可看作是常数。6.5MOS场效应晶体管2、饱和区图6-18N沟道MOSFET的电流电压特性6.5MOS场效应晶体管●学习要求画出结构示意图说明了MOS场效应晶体管工作原理。导出萨支唐方程（6-70）。导出漏电流修正为公式（6-72）。说明夹断条件（6-73）的物理意义。导出饱和区I－V特性公式（6-74）。6.6等效电路和频率响应（6-76）（6-75）1、线性导纳（6-77）对式（6-70）求导数，得导纳线性区的电阻，称为开态电阻，或导通电阻，可用下式表示6.6等效电路和频率响应1、线性导纳图6-19MOSFET中沟道导纳与的对应关系6.6等效电路和频率响应2、跨导（6-79）（6-78）（6-80）在假设为常数时才成立，饱和区跨导的表示式和线性区导纳的相同

线性区：对式（6-70）求导饱和区：对式（6-74）求导6.6等效电路和频率响应（6-81）3、饱和区的漏极电阻饱和区漏极电阻可以用作图法从漏极特性中求得。图6-20MOS晶体管的小讯号等效电路。6.6等效电路和频率响应栅极电容：截止频率：（6-82）为了提高工作频率或工作速度，沟道长度要短，载流子迁移率要高。4、截止频率定义为输出电流和输入电流之比为1时的频率，即当器件输出短路时，器件不能够放大输入信号时的频率。6.6等效电路和频率响应●学习要求理解交流小信号参数并导出公式（6-76）、（6-79）、（6-80）线性导纳、导通电阻、线性区跨导、饱和区跨导、饱和区的漏极电阻和栅极电容。了解交流等效电路图6-20。了解截止频率，指出提高工作频率或工作速度的途径。6.8MOS场效应晶体管的类型按照反型层类型的不同，MOSFET可分四种不同的基本类型N沟MOSFET：若在零栅压下沟道电导很小，栅极必须加上正向电压才能形成沟道，那么，这种器件就是增强型N沟MOSFET。若在零偏压下已存在N型沟道，为了减小沟道电导，栅极必须加负电压以耗尽沟道载流子，这样的器件是耗尽型N沟M