半導(dǎo)體物理器件-Chapter課件

第六章MOS場效應(yīng)晶體管●理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)●理想MOS電容器●溝道電導(dǎo)與閾值電壓●實際MOS的電容－電壓特性●MOS場效應(yīng)晶體管●等效電路和頻率響應(yīng)●場效應(yīng)晶體管的類型●影響閾值電壓的因素第六章MOS場效應(yīng)晶體管●理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)引言1960年Kahng和Alalla應(yīng)用熱氧化硅結(jié)構(gòu)制造出第一只MOSFET

。Lilienfeld和Heil于1930年代初就提出了表面場效應(yīng)晶體管原理。1940年代末Shockley和Pearson進行了深入研究。MOSFET是大規(guī)模集成電路中的主流器件。其它叫法：絕緣柵場效應(yīng)晶體管（IGFET）、金屬－絕緣體－半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MISFET）、金屬－氧化物－半導(dǎo)體晶體管（MOST）等。引言1960年Kahng和Alalla應(yīng)用熱氧化硅結(jié)構(gòu)制造出6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)6.1.1半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)1、理想MOS結(jié)構(gòu)基于以下假設(shè)（1）在氧化物中或在氧化物和半導(dǎo)體之間的界面上不存在電荷。（2）金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差為零，如繪于圖6-2b中的情形?！灿捎诩僭O(shè)（1）、（2），在無偏壓時半導(dǎo)體能帶是平直的?！常?）SiO2層是良好的絕緣體，能阻擋直流電流流過。因此，即使有外加電壓，表面空間電荷區(qū)也處于熱平衡狀態(tài)，這使得整個表面空間電荷區(qū)中費米能級為常數(shù)。這些假設(shè)在以后將被取消而接近實際的MOS結(jié)構(gòu)。

6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)6.1.1半導(dǎo)體表面空6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)2、半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)

每個極板上的感應(yīng)電荷與電場之間滿足如下關(guān)系式中－自由空間的電容率－氧化物的介電常數(shù)－半導(dǎo)體表面的電場－氧化層中的電場－半導(dǎo)體介電常數(shù)外加電壓為跨越氧化層的電壓和表面勢所分?jǐn)偅海?-1）（6-2）6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)2、半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)圖6-3加上電壓時MOS結(jié)構(gòu)內(nèi)的電位分布

6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)圖6-3加上電壓6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)6.1.2載流子的積累、耗盡和反型1、載流子的積累(負(fù)電壓)緊靠硅表面的多數(shù)載流子濃度大于體內(nèi)熱平衡多數(shù)載流子濃度時，稱為載流子積累現(xiàn)象。單位面積下的空間電荷：－空間電荷區(qū)在半導(dǎo)體內(nèi)部的邊界亦即空間電荷區(qū)寬度6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)6.1.2載流子的積累6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)1、載流子的積累圖6-4幾種偏壓情況的能帶和電荷分布（a），（b）小的，（c）大的6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)1、載流子的積累圖6-46.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)2、載流子的耗盡（正電壓）單位面積下的總電荷為：－耗盡層寬度3、載流子的反型載流子類型發(fā)生變化的現(xiàn)象或者說半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型發(fā)生變化的現(xiàn)象6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)2、載流子的耗盡（正電壓6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)6.1.3反型和強反型條件反型條件：強反型條件：－出現(xiàn)強反型時的表面勢（6-17）（6-18）表面勢等于體內(nèi)費米勢時，半導(dǎo)體表面開始發(fā)生反型。當(dāng)表面電子濃度等于體內(nèi)平衡多子空穴濃度時，半導(dǎo)體表面形成強反型層。6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)6.1.3反型和強反型6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)6.1.3反型和強反型條件圖6-5強反型時的能帶圖6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)6.1.3反型和強反型6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)6.1.3反型和強反型條件得到強反型時相應(yīng)的感生PN結(jié)耗盡層寬度為：（6-19）（6-20）（6-21）（6-52）電離受主：總表面空間電荷：－反型層中單位面積下的可動電荷，即溝道電荷：6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)6.1.3反型和強反型●學(xué)習(xí)要求了解理想結(jié)構(gòu)基本假設(shè)及其意義。6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)掌握載流子積累、耗盡和反型和強反型的概念。正確畫出流子積累、耗盡和反型和強反型四種情況的能帶圖。掌握反型和強反型條件?！駥W(xué)習(xí)要求了解理想結(jié)構(gòu)基本假設(shè)及其意義。6.1理想MOS結(jié)6.2理想MOS電容器一、MOS系統(tǒng)的電容MOS系統(tǒng)的電容效應(yīng)，微分電容：（6-22）1、MOS電容定義微分電容C與外加偏壓的關(guān)系稱為MOS系統(tǒng)的電容—電壓特性。（6-23）MOS電容有氧化層電容和半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)電容串聯(lián)而成。2、絕緣層單位面積電容（6-29）6.2理想MOS電容器一、MOS系統(tǒng)的電容MOS系統(tǒng)的電容6.2理想MOS電容器3、導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)單位面積電容（6-25）4、歸一化電容（6-26）（6-28）6.2理想MOS電容器3、導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)單位面積電容（6.2理想MOS電容器二、MOS的C-V特性電容隨偏壓的變化圖6-7P型半導(dǎo)體MOS的C-V特性6.2理想MOS電容器二、MOS的C-V特性電容隨偏壓的變6.2理想MOS電容器1、積累區(qū)（

）MOS系統(tǒng)的電容C基本上等于絕緣體電容。當(dāng)負(fù)偏壓的數(shù)值逐漸減少時，空間電荷區(qū)積累的空穴數(shù)隨之減少，并且隨的變化也逐漸減慢，變小?？傠娙軨也就變小。2、平帶情況（

）（6-40）由摻雜濃度和氧化層厚度確定6.2理想MOS電容器1、積累區(qū)（）MOS系統(tǒng)6.2理想MOS電容器3、耗盡區(qū)（

）（6-43）（6-42）氧化層電容，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電容器3、耗盡區(qū)（）（6-436.2理想MOS電容器（6-45）（6-46）歸一化電容隨著外加偏壓的增加而減小4、反型區(qū)（

）（6-47）6.2理想MOS電容器（6-45）（6-46）歸一化電容6.2理想MOS電容器●學(xué)習(xí)要求掌握理想系統(tǒng)的電容—電壓特性，對圖6.7作出正確分析。導(dǎo)出公式（6－45）、（6-46）

。6.2理想MOS電容器●學(xué)習(xí)要求掌握理想系統(tǒng)的電容—電壓6.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓1、溝道電導(dǎo)在MOS晶體管的柵電極上加一足夠大的正電壓，柵電極下面半導(dǎo)體的表面出現(xiàn)一層反型層，該反型層在源和漏之間提供了一條導(dǎo)電通道，稱之為溝道。溝道電導(dǎo)：（6-51）式中為溝道中的電子濃度。為溝道寬度。（6-52）即為反型層中單位面積下的總的電子電荷。溝道電導(dǎo)為（6-53）6.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓1、溝道電導(dǎo)在MOS晶體管的柵電極6.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓2、閾值電壓第二項表示要用一部分電壓為半導(dǎo)體表面提供達到強反型時所需要的表面勢。第一項表示在形成強反型時，要用一部分電壓去支撐空間電荷；定義為形成強反型所需要的最小柵電壓。當(dāng)出現(xiàn)強反型時（6-54）（6-55）溝道電荷受到偏壓控制，這正是MOSFET工作的基礎(chǔ)。閾值電壓：6.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓2、閾值電壓第二項表示要用一部分電6.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓●學(xué)習(xí)要求掌握概念：溝道電導(dǎo)、閾值電壓。導(dǎo)出溝道電導(dǎo)公式（6-53）。導(dǎo)出閾值電壓公式（6-54）。說明閾值電壓的物理意義。6.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓●學(xué)習(xí)要求掌握概念：溝道電導(dǎo)、閾6.4實際MOS的電容－電壓特性6.4.1功函數(shù)差的影響6.4實際MOS的電容－電壓特性6.4.1功函數(shù)差的影響6.4實際MOS的電容－電壓特性6.4.1功函數(shù)差的影響以鋁電極和P型硅襯底為例。鋁的功函數(shù)比P型硅的小，前者的費米能級比后者的高。接觸前，功函數(shù)差：由于功函數(shù)的不同，鋁—二氧化硅—P型硅MOS系統(tǒng)在沒有外加偏壓的時候，在半導(dǎo)體表面就存在表面勢。因此，欲使能帶平直，即除去功函數(shù)差所帶來的影響，就必須在金屬電極上加一負(fù)電壓。（6-56）這個電壓一部分用來拉平二氧化硅的能帶，一部分用來拉平半導(dǎo)體的能帶，使。因此稱其為平帶電壓。6.4實際MOS的電容－電壓特性6.4.1功函數(shù)差的影響6.4實際MOS的電容－電壓特性6.4.1功函數(shù)差的影響6.4實際MOS的電容－電壓特性6.4.1功函數(shù)差的影響6.4實際MOS的電容－電壓特性6.4.1功函數(shù)差的影響在室溫下，硅的修正功函數(shù)：（6-57）起著有效電壓的作用。實際系統(tǒng)的電容C作為的函數(shù)，與理想MOS系統(tǒng)C的作為的函數(shù)，在形式上應(yīng)該是一樣的。6.4實際MOS的電容－電壓特性6.4.1功函數(shù)差的影響6.4實際MOS的電容－電壓特性6.4.2界面陷阱和氧化物電荷的影響熱平衡時MOS系統(tǒng)除功函數(shù)差之外，還受氧化層電荷和Si-SiO2界面陷阱的影響。界面陷阱電荷氧化物固定電荷氧化物陷阱電荷可動離子電荷6.4實際MOS的電容－電壓特性6.4.2界面陷阱和氧化6.4實際MOS的電容－電壓特性界面陷阱電荷（interfacetrappedcharge）硅（100）面，約，硅（111）面，約。氧化物固定電荷（fixedoxidecharge）位于Si-SiO2界面約3nm的范圍內(nèi)，這些電荷是固定的，正的。（100）面，約為，（111）面，約為，因為（100）面的和較低，故硅

MOSFET一般采用（100）晶面。大都可以通過低溫退火消除。諸如鈉離子和其它堿金屬離子，在高溫和高壓下工作時，它們能在氧化層內(nèi)移動。氧化物陷阱電荷（oxidetrappedcharge）

可動離子電荷（mobileioniccharge）6.4實際MOS的電容－電壓特性界面陷阱電荷（interf6.4實際MOS的電容－電壓特性克服硅－二氧化硅界面電荷和二氧化硅中電荷影響所需要的平帶電壓：如果氧化層中正電荷連續(xù)分布，電荷體密度為，則（6-58）（6-59）(6-60)總的平帶電壓6.4實際MOS的電容－電壓特性克服硅－二氧化硅界面電荷和6.4實際MOS的電容－電壓特性（6-61）其中（6-64）稱為有效面電荷。實際硅－二氧化硅系統(tǒng)：6.4實際MOS的電容－電壓特性（6-61）其中（6-646.4實際MOS的電容－電壓特性6.4.3實際MOS閾值電壓和C-V曲線平帶電壓（6-65）（6-66）閾值電壓第一項是，為消除半導(dǎo)體和金屬的功函數(shù)差的影響，金屬電極相對于半導(dǎo)體所需要加的外加電壓；第二項是為了把絕緣層中正電荷發(fā)出的電力線全部吸引到金屬電極一側(cè)所需要加的外加電壓；第三項是支撐出現(xiàn)強反型時的體電荷所需要的外加電壓；第四項是開始出現(xiàn)強反型層時，半導(dǎo)體表面所需的表面勢。6.4實際MOS的電容－電壓特性6.4.3實際MOS閾值6.4實際MOS的電容－電壓特性●學(xué)習(xí)要求畫出鋁－二氧化硅－硅系統(tǒng)的能帶圖。根據(jù)能帶圖說明（6-56）了解在二氧化硅、二氧化硅－硅界面系統(tǒng)存在的電荷及其主要性質(zhì)。了解平帶電壓公式（6-58）、（6-64）。掌握實際閾值電壓的公式及各項的意義。6.4實際MOS的電容－電壓特性●學(xué)習(xí)要求畫出鋁－二氧化6.5MOS場效應(yīng)晶體管6.5.1基本結(jié)構(gòu)和工作過程圖6-15MOSFET的工作狀態(tài)和輸出特性：（a）低漏電壓時6.5MOS場效應(yīng)晶體管6.5.1基本結(jié)構(gòu)和工作過程圖66.5MOS場效應(yīng)晶體管6.5.1基本結(jié)構(gòu)和工作過程圖6-15MOSFET的工作狀態(tài)和輸出特性：（b）開始飽和6.5MOS場效應(yīng)晶體管6.5.1基本結(jié)構(gòu)和工作過程圖66.5MOS場效應(yīng)晶體管6.5.1基本結(jié)構(gòu)和工作過程圖6-15MOSFET的工作狀態(tài)和輸出特性：（c）飽和之后6.5MOS場效應(yīng)晶體管6.5.1基本結(jié)構(gòu)和工作過程圖66.5MOS場效應(yīng)晶體管6.5.2靜態(tài)特性圖6-16N溝道MOS晶體管6.5MOS場效應(yīng)晶體管6.5.2靜態(tài)特性圖6-16N6.5MOS場效應(yīng)晶體管6.5.2靜態(tài)特性1、線性區(qū)在下面的分析中，采用如下主要假設(shè)：（1）忽略源區(qū)和漏區(qū)體電阻和電極接觸電阻；（2）溝道內(nèi)摻雜均勻；（3）載流子在反型層內(nèi)的遷移率為常數(shù)；（4）長溝道近似和漸近溝道近似，即假設(shè)垂直電場和水平電路是互相獨立的。6.5MOS場效應(yīng)晶體管6.5.2靜態(tài)特性1、線性區(qū)在下6.5MOS場效應(yīng)晶體管1、線性區(qū)感應(yīng)溝道電荷：（6-68）（6-69）（6-70）（6-67）漂移電子電流（6-70）式稱為薩支唐（C.T.Sah）方程。是描述MOSFET非飽和區(qū)直流特性的基本方程。6.5MOS場效應(yīng)晶體管1、線性區(qū)感應(yīng)溝道電荷：（6-686.5MOS場效應(yīng)晶體管例題：采用6.4節(jié)例題中的MOS結(jié)構(gòu)作為一個MOSFET。已知下列參數(shù)：，。計算和時的。解：由于在6.3節(jié)中給出將此值代入（6-70）并令得將代入上式6.5MOS場效應(yīng)晶體管例題：采用6.4節(jié)例題中的MOS6.5MOS場效應(yīng)晶體管考慮到溝道電壓的作用于是6.5MOS場效應(yīng)晶體管考慮到溝道電壓的作用于是6.5MOS場效應(yīng)晶體管圖6-17式（6-70）和式（6-72）的比較

6.5MOS場效應(yīng)晶體管圖6-17式（6-70）和式（66.5MOS場效應(yīng)晶體管2、飽和區(qū)假設(shè)在L點發(fā)生夾斷，則（6-73）（6-74）把式（6-73）代入式（6-70）得此式在開始飽和時是有效的。超過這一點，漏極電流可看作是常數(shù)。6.5MOS場效應(yīng)晶體管2、飽和區(qū)假設(shè)在L點發(fā)生夾斷，6.5MOS場效應(yīng)晶體管2、飽和區(qū)圖6-18N溝道MOSFET的電流電壓特性6.5MOS場效應(yīng)晶體管2、飽和區(qū)圖6-18N溝道MOS6.5MOS場效應(yīng)晶體管●學(xué)習(xí)要求畫出結(jié)構(gòu)示意圖說明了MOS場效應(yīng)晶體管工作原理。導(dǎo)出薩支唐方程（6-70）。導(dǎo)出漏電流修正為公式（6-72）。說明夾斷條件（6-73）的物理意義。導(dǎo)出飽和區(qū)I－V特性公式（6-74）。6.5MOS場效應(yīng)晶體管●學(xué)習(xí)要求畫出結(jié)構(gòu)示意圖說明了M6.6等效電路和頻率響應(yīng)（6-76）（6-75）1、線性導(dǎo)納（6-77）對式（6-70）求導(dǎo)數(shù)，得導(dǎo)納線性區(qū)的電阻，稱為開態(tài)電阻，或?qū)娮瑁捎孟率奖硎?.6等效電路和頻率響應(yīng)（6-76）（6-75）1、線性導(dǎo)6.6等效電路和頻率響應(yīng)1、線性導(dǎo)納圖6-19MOSFET中溝道導(dǎo)納與的對應(yīng)關(guān)系6.6等效電路和頻率響應(yīng)1、線性導(dǎo)納圖6-19MOSFE6.6等效電路和頻率響應(yīng)2、跨導(dǎo)（6-79）（6-78）（6-80）在假設(shè)為常數(shù)時才成立，飽和區(qū)跨導(dǎo)的表示式和線性區(qū)導(dǎo)納的相同

線性區(qū)：對式（6-70）求導(dǎo)飽和區(qū)：對式（6-74）求導(dǎo)6.6等效電路和頻率響應(yīng)2、跨導(dǎo)（6-79）（6-78）（6.6等效電路和頻率響應(yīng)（6-81）3、飽和區(qū)的漏極電阻飽和區(qū)漏極電阻可以用作圖法從漏極特性中求得。圖6-20MOS晶體管的小訊號等效電路。6.6等效電路和頻率響應(yīng)（6-81）3、飽和區(qū)的漏極電阻飽6.6等效電路和頻率響應(yīng)柵極電容：截止頻率：（6-82）為了提高工作頻率或工作速度，溝道長度要短，載流子遷移率要高。4、截止頻率定義為輸出電流和輸入電流之比為1時的頻率，即當(dāng)器件輸出短路時，器件不能夠放大輸入信號時的頻率。6.6等效電路和頻率響應(yīng)柵極電容：截止頻率：（6-82）為6.6等效電路和頻率響應(yīng)●學(xué)習(xí)要求理解交流小信號參數(shù)并導(dǎo)出公式（6-76）、（6-79）、（6-80）線性導(dǎo)納、導(dǎo)通電阻、線性區(qū)跨導(dǎo)、飽和區(qū)跨導(dǎo)、飽和區(qū)的漏極電阻和柵極電容。了解交流等效電路圖6-20。了解截止頻率，指出提高工作頻率或工作速度的途徑。6.6等效電路和頻率響應(yīng)●學(xué)習(xí)要求理解交流小信號參數(shù)并導(dǎo)6.8MOS場效應(yīng)晶體管的類型按照反型層類型的不同，MOSFET可分四種不同的基本類型N溝MOSFET：若在零柵壓下溝道電導(dǎo)很小，柵極必須加上正向電壓才能形成溝道，那么，這種器件就是增強型N溝MOSFET。若在零偏壓下已存在N型溝道，為了減小溝道電導(dǎo)，柵極必須加負(fù)電壓以耗盡溝道載流子，這樣的器件是耗盡型N溝MOSFET。對于增強型N溝器件，要使溝道通過一定的電流，正的柵偏置電壓必須比閾值電壓大。而耗盡型N溝器件，在時，溝道已可流過很大的電流，改變柵壓可以增加或減小溝道電流。P溝MOSFET：P溝增強型、P溝耗盡型把電壓的極性改變一下，上述關(guān)于N溝器件結(jié)論可以很容易地推廣到P溝器件。6.8MOS場效應(yīng)晶體管的類型按照反型層類型的不同，MOS6.8MOS場效應(yīng)晶體管的類型表6.2四種器件的截面、輸出特性和轉(zhuǎn)移特性6.8MOS場效應(yīng)晶體管的類型表6.2四種器件的截面、輸出6.8MOS場效應(yīng)晶體管的類型表6.2四種器件的截面、輸出特性和轉(zhuǎn)移特性6.8MOS場效應(yīng)晶體管的類型表6.2四種器件的截面、輸出第六章MOS場效應(yīng)晶體管●理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)●理想MOS電容器●溝道電導(dǎo)與閾值電壓●實際MOS的電容－電壓特性●MOS場效應(yīng)晶體管●等效電路和頻率響應(yīng)●場效應(yīng)晶體管的類型●影響閾值電壓的因素第六章MOS場效應(yīng)晶體管●理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)引言1960年Kahng和Alalla應(yīng)用熱氧化硅結(jié)構(gòu)制造出第一只MOSFET

。Lilienfeld和Heil于1930年代初就提出了表面場效應(yīng)晶體管原理。1940年代末Shockley和Pearson進行了深入研究。MOSFET是大規(guī)模集成電路中的主流器件。其它叫法：絕緣柵場效應(yīng)晶體管（IGFET）、金屬－絕緣體－半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MISFET）、金屬－氧化物－半導(dǎo)體晶體管（MOST）等。引言1960年Kahng和Alalla應(yīng)用熱氧化硅結(jié)構(gòu)制造出6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)6.1.1半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)1、理想MOS結(jié)構(gòu)基于以下假設(shè)（1）在氧化物中或在氧化物和半導(dǎo)體之間的界面上不存在電荷。（2）金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差為零，如繪于圖6-2b中的情形?！灿捎诩僭O(shè)（1）、（2），在無偏壓時半導(dǎo)體能帶是平直的?！常?）SiO2層是良好的絕緣體，能阻擋直流電流流過。因此，即使有外加電壓，表面空間電荷區(qū)也處于熱平衡狀態(tài)，這使得整個表面空間電荷區(qū)中費米能級為常數(shù)。這些假設(shè)在以后將被取消而接近實際的MOS結(jié)構(gòu)。

6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)6.1.1半導(dǎo)體表面空6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)2、半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)

每個極板上的感應(yīng)電荷與電場之間滿足如下關(guān)系式中－自由空間的電容率－氧化物的介電常數(shù)－半導(dǎo)體表面的電場－氧化層中的電場－半導(dǎo)體介電常數(shù)外加電壓為跨越氧化層的電壓和表面勢所分?jǐn)偅海?-1）（6-2）6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)2、半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)圖6-3加上電壓時MOS結(jié)構(gòu)內(nèi)的電位分布

6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)圖6-3加上電壓6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)6.1.2載流子的積累、耗盡和反型1、載流子的積累(負(fù)電壓)緊靠硅表面的多數(shù)載流子濃度大于體內(nèi)熱平衡多數(shù)載流子濃度時，稱為載流子積累現(xiàn)象。單位面積下的空間電荷：－空間電荷區(qū)在半導(dǎo)體內(nèi)部的邊界亦即空間電荷區(qū)寬度6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)6.1.2載流子的積累6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)1、載流子的積累圖6-4幾種偏壓情況的能帶和電荷分布（a），（b）小的，（c）大的6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)1、載流子的積累圖6-46.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)2、載流子的耗盡（正電壓）單位面積下的總電荷為：－耗盡層寬度3、載流子的反型載流子類型發(fā)生變化的現(xiàn)象或者說半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型發(fā)生變化的現(xiàn)象6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)2、載流子的耗盡（正電壓6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)6.1.3反型和強反型條件反型條件：強反型條件：－出現(xiàn)強反型時的表面勢（6-17）（6-18）表面勢等于體內(nèi)費米勢時，半導(dǎo)體表面開始發(fā)生反型。當(dāng)表面電子濃度等于體內(nèi)平衡多子空穴濃度時，半導(dǎo)體表面形成強反型層。6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)6.1.3反型和強反型6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)6.1.3反型和強反型條件圖6-5強反型時的能帶圖6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)6.1.3反型和強反型6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)6.1.3反型和強反型條件得到強反型時相應(yīng)的感生PN結(jié)耗盡層寬度為：（6-19）（6-20）（6-21）（6-52）電離受主：總表面空間電荷：－反型層中單位面積下的可動電荷，即溝道電荷：6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)6.1.3反型和強反型●學(xué)習(xí)要求了解理想結(jié)構(gòu)基本假設(shè)及其意義。6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)掌握載流子積累、耗盡和反型和強反型的概念。正確畫出流子積累、耗盡和反型和強反型四種情況的能帶圖。掌握反型和強反型條件?！駥W(xué)習(xí)要求了解理想結(jié)構(gòu)基本假設(shè)及其意義。6.1理想MOS結(jié)6.2理想MOS電容器一、MOS系統(tǒng)的電容MOS系統(tǒng)的電容效應(yīng)，微分電容：（6-22）1、MOS電容定義微分電容C與外加偏壓的關(guān)系稱為MOS系統(tǒng)的電容—電壓特性。（6-23）MOS電容有氧化層電容和半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)電容串聯(lián)而成。2、絕緣層單位面積電容（6-29）6.2理想MOS電容器一、MOS系統(tǒng)的電容MOS系統(tǒng)的電容6.2理想MOS電容器3、導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)單位面積電容（6-25）4、歸一化電容（6-26）（6-28）6.2理想MOS電容器3、導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)單位面積電容（6.2理想MOS電容器二、MOS的C-V特性電容隨偏壓的變化圖6-7P型半導(dǎo)體MOS的C-V特性6.2理想MOS電容器二、MOS的C-V特性電容隨偏壓的變6.2理想MOS電容器1、積累區(qū)（

）MOS系統(tǒng)的電容C基本上等于絕緣體電容。當(dāng)負(fù)偏壓的數(shù)值逐漸減少時，空間電荷區(qū)積累的空穴數(shù)隨之減少，并且隨的變化也逐漸減慢，變小?？傠娙軨也就變小。2、平帶情況（

）（6-40）由摻雜濃度和氧化層厚度確定6.2理想MOS電容器1、積累區(qū)（）MOS系統(tǒng)6.2理想MOS電容器3、耗盡區(qū)（

）（6-43）（6-42）氧化層電容，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電容器3、耗盡區(qū)（）（6-436.2理想MOS電容器（6-45）（6-46）歸一化電容隨著外加偏壓的增加而減小4、反型區(qū)（

）（6-47）6.2理想MOS電容器（6-45）（6-46）歸一化電容6.2理想MOS電容器●學(xué)習(xí)要求掌握理想系統(tǒng)的電容—電壓特性，對圖6.7作出正確分析。導(dǎo)出公式（6－45）、（6-46）

。6.2理想MOS電容器●學(xué)習(xí)要求掌握理想系統(tǒng)的電容—電壓6.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓1、溝道電導(dǎo)在MOS晶體管的柵電極上加一足夠大的正電壓，柵電極下面半導(dǎo)體的表面出現(xiàn)一層反型層，該反型層在源和漏之間提供了一條導(dǎo)電通道，稱之為溝道。溝道電導(dǎo)：（6-51）式中為溝道中的電子濃度。為溝道寬度。（6-52）即為反型層中單位面積下的總的電子電荷。溝道電導(dǎo)為（6-53）6.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓1、溝道電導(dǎo)在MOS晶體管的柵電極6.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓2、閾值電壓第二項表示要用一部分電壓為半導(dǎo)體表面提供達到強反型時所需要的表面勢。第一項表示在形成強反型時，要用一部分電壓去支撐空間電荷；定義為形成強反型所需要的最小柵電壓。當(dāng)出現(xiàn)強反型時（6-54）（6-55）溝道電荷受到偏壓控制，這正是MOSFET工作的基礎(chǔ)。閾值電壓：6.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓2、閾值電壓第二項表示要用一部分電6.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓●學(xué)習(xí)要求掌握概念：溝道電導(dǎo)、閾值電壓。導(dǎo)出溝道電導(dǎo)公式（6-53）。導(dǎo)出閾值電壓公式（6-54）。說明閾值電壓的物理意義。6.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓●學(xué)習(xí)要求掌握概念：溝道電導(dǎo)、閾6.4實際MOS的電容－電壓特性6.4.1功函數(shù)差的影響6.4實際MOS的電容－電壓特性6.4.1功函數(shù)差的影響6.4實際MOS的電容－電壓特性6.4.1功函數(shù)差的影響以鋁電極和P型硅襯底為例。鋁的功函數(shù)比P型硅的小，前者的費米能級比后者的高。接觸前，功函數(shù)差：由于功函數(shù)的不同，鋁—二氧化硅—P型硅MOS系統(tǒng)在沒有外加偏壓的時候，在半導(dǎo)體表面就存在表面勢。因此，欲使能帶平直，即除去功函數(shù)差所帶來的影響，就必須在金屬電極上加一負(fù)電壓。（6-56）這個電壓一部分用來拉平二氧化硅的能帶，一部分用來拉平半導(dǎo)體的能帶，使。因此稱其為平帶電壓。6.4實際MOS的電容－電壓特性6.4.1功函數(shù)差的影響6.4實際MOS的電容－電壓特性6.4.1功函數(shù)差的影響6.4實際MOS的電容－電壓特性6.4.1功函數(shù)差的影響6.4實際MOS的電容－電壓特性6.4.1功函數(shù)差的影響在室溫下，硅的修正功函數(shù)：（6-57）起著有效電壓的作用。實際系統(tǒng)的電容C作為的函數(shù)，與理想MOS系統(tǒng)C的作為的函數(shù)，在形式上應(yīng)該是一樣的。6.4實際MOS的電容－電壓特性6.4.1功函數(shù)差的影響6.4實際MOS的電容－電壓特性6.4.2界面陷阱和氧化物電荷的影響熱平衡時MOS系統(tǒng)除功函數(shù)差之外，還受氧化層電荷和Si-SiO2界面陷阱的影響。界面陷阱電荷氧化物固定電荷氧化物陷阱電荷可動離子電荷6.4實際MOS的電容－電壓特性6.4.2界面陷阱和氧化6.4實際MOS的電容－電壓特性界面陷阱電荷（interfacetrappedcharge）硅（100）面，約，硅（111）面，約。氧化物固定電荷（fixedoxidecharge）位于Si-SiO2界面約3nm的范圍內(nèi)，這些電荷是固定的，正的。（100）面，約為，（111）面，約為，因為（100）面的和較低，故硅

MOSFET一般采用（100）晶面。大都可以通過低溫退火消除。諸如鈉離子和其它堿金屬離子，在高溫和高壓下工作時，它們能在氧化層內(nèi)移動。氧化物陷阱電荷（oxidetrappedcharge）

可動離子電荷（mobileioniccharge）6.4實際MOS的電容－電壓特性界面陷阱電荷（interf6.4實際MOS的電容－電壓特性克服硅－二氧化硅界面電荷和二氧化硅中電荷影響所需要的平帶電壓：如果氧化層中正電荷連續(xù)分布，電荷體密度為，則（6-58）（6-59）(6-60)總的平帶電壓6.4實際MOS的電容－電壓特性克服硅－二氧化硅界面電荷和6.4實際MOS的電容－電壓特性（6-61）其中（6-64）稱為有效面電荷。實際硅－二氧化硅系統(tǒng)：6.4實際MOS的電容－電壓特性（6-61）其中（6-646.4實際MOS的電容－電壓特性6.4.3實際MOS閾值電壓和C-V曲線平帶電壓（6-65）（6-66）閾值電壓第一項是，為消除半導(dǎo)體和金屬的功函數(shù)差的影響，金屬電極相對于半導(dǎo)體所需要加的外加電壓；第二項是為了把絕緣層中正電荷發(fā)出的電力線全部吸引到金屬電極一側(cè)所需要加的外加電壓；第三項是支撐出現(xiàn)強反型時的體電荷所需要的外加電壓；第四項是開始出現(xiàn)強反型層時，半導(dǎo)體表面所需的表面勢。6.4實際MOS的電容－電壓特性6.4.3實際MOS閾值6.4實際MOS的電容－電壓特性●學(xué)習(xí)要求畫出鋁－二氧化硅－硅系統(tǒng)的能帶圖。根據(jù)能帶圖說明（6-56）了解在二氧化硅、二氧化硅－硅界面系統(tǒng)存在的電荷及其主要性質(zhì)。了解平帶電壓公式（6-58）、（6-64）。掌握實際閾值電壓的公式及各項的意義。6.4實際MOS的電容－電壓特性●學(xué)習(xí)要求畫出鋁－二氧化6.5MOS場效應(yīng)晶體管6.5.1基本結(jié)構(gòu)和工作過程圖6-15MOSFET的工作狀態(tài)和輸出特性：（a）低漏電壓時6.5MOS場效應(yīng)晶體管6.5.1基本結(jié)構(gòu)和工作過程圖66.5MOS場效應(yīng)晶體管6.5.1基本結(jié)構(gòu)和工作過程圖6-15MOSFET的工作狀態(tài)和輸出特性：（b）開始飽和6.5MOS場效應(yīng)晶體管6.5.1基本結(jié)構(gòu)和工作過程圖66.5MOS場效應(yīng)晶體管6.5.1基本結(jié)構(gòu)和工作過程圖6-15MOSFET的工作狀態(tài)和輸出特性：（c）飽和之后6.5MOS場效應(yīng)晶體管6.5.1基本結(jié)構(gòu)和工作過程圖66.5MOS場效應(yīng)晶體管6.5.2靜態(tài)特性圖6-16N溝道MOS晶體管6.5MOS場效應(yīng)晶體管6.5.2靜態(tài)特性圖6-16N6.5MOS場效應(yīng)晶體管6.5.2靜態(tài)特性1、線性區(qū)在下面的分析中，采用如下主要假設(shè)：（1）忽略源區(qū)和漏區(qū)體電阻和電極接觸電阻；（2）溝道內(nèi)摻雜均勻；（3）載流子在反型層內(nèi)的遷移率為常數(shù)；（4）長溝道近似和漸近溝道近似，即假設(shè)垂直電場和水平電路是互相獨立的。6.5MOS場效應(yīng)晶體管6.5.2靜態(tài)特性1、線性區(qū)在下6.5MOS場效應(yīng)晶體管1、線性區(qū)感應(yīng)溝道電荷：（6-68）（6-69）（6-70）（6-67）漂移電子電流（6-70）式稱為薩支唐（C.T.Sah）方程。是描述MOSFET非飽和區(qū)直流特性的基本方程。6.5MOS場效應(yīng)晶體管1、線性區(qū)感應(yīng)溝道電荷：（6-686.5MOS場效應(yīng)晶體管例題：采用6.4節(jié)例題中的MOS結(jié)構(gòu)作為一個MOSFET。已知下列參數(shù)：，。計算和時的。解：由于在6.3節(jié)中給出將此值代入（6-70）并令得將代入上式6.5MOS場效應(yīng)晶體管例題：采用6.4節(jié)例題中的MOS6.5MOS場效應(yīng)晶體管考慮到溝道電壓的作用于是6.5MOS場效應(yīng)晶體管考慮到溝道電壓的作用于是6.5MOS場效應(yīng)晶體管圖6-17式（6-70）和式（6-72）的比較

6.5MOS場效應(yīng)晶體管圖6-17式（6-70）和式（66.5MOS場效應(yīng)晶體管2、飽和區(qū)假設(shè)在L點發(fā)生夾斷，則（6-73）（6-74）把式（6-73）代入式（6-70）得此式在開