外部偏置下的MOS系統(tǒng)

【外部偏置下的MOS系統(tǒng)】外部偏置下的MOS系統(tǒng)現(xiàn)在，我們把注意力轉(zhuǎn)向外加電壓偏置下MOS結(jié)構(gòu)的電特性。我們知道兩端MOS結(jié)構(gòu)就等效為平板電容器。設(shè)襯底電壓為VB=0，令柵極電壓為控制參數(shù)。根據(jù)VG的極性和幅值，可以觀察到MOS系統(tǒng)的三個(gè)不同工作區(qū)：積聚區(qū)、耗盡區(qū)和反型區(qū)。平板電容器VVG(柵極電壓)VB=0設(shè)襯底電壓為VB=0，令柵極電壓為控制參數(shù)。根據(jù)VG的極性和幅值，可以觀察到MOS系統(tǒng)的三個(gè)不同工作區(qū)：積聚區(qū)、耗盡區(qū)和反型區(qū)。如果柵極外加負(fù)電壓VG,MOS結(jié)構(gòu)等效為平板電容，下面的電壓高，上面的電壓低，則內(nèi)建電場由下面指向上面，下面的平板上帶正電，上面的平板上帶負(fù)電。下面的平板就相當(dāng)于半導(dǎo)體襯底和氧化層的交界處，在這里，p型襯底的空穴被吸引到半導(dǎo)體-氧化層交界處，表面附近的多數(shù)載流子濃度比襯底的均衡空穴濃度大，這種情況叫做表面載流子積聚。外部偏置下的MOS系統(tǒng)EEEE空穴帶正電荷電子帶負(fù)電荷在表面處空穴積聚本體表面從能帶圖上來看，p型半導(dǎo)體襯底能帶分為表面能帶和本體能帶，在表面處，由于空穴積聚，表面空穴濃度高于本體空穴濃度，費(fèi)米能級與價(jià)帶很接近，因此價(jià)帶向上彎曲，其他能帶也一起向上彎曲。這就是工作在積聚區(qū)的MOS結(jié)構(gòu)的剖面圖和能帶圖。由于表面外加負(fù)的柵極偏置，表面空穴密度增大時(shí)，隨著負(fù)電荷的電子進(jìn)入襯底更深處，電子（少數(shù)載流子）濃度減少。外部偏置下的MOS系統(tǒng)EE在表面處耗盡本體表面現(xiàn)在考慮柵極上加一個(gè)小正偏置電壓VG的情況。因?yàn)橐r底偏置為0,等效的平板電容中上面的電壓高，下面的電壓低，則內(nèi)建電場由上面指向下面，上面的平板上帶正電，下面的平板上帶負(fù)電。下面的平板就相當(dāng)于半導(dǎo)體襯底和氧化層的交界處，在這里，多數(shù)載流子（即空穴）由于正的柵極偏置電壓作用被排斥返回襯底，并且這些空穴會(huì)留下固定的帶負(fù)電荷的受主離子，在表面附近形成了耗盡區(qū)。注意，在這種偏置條件下，半導(dǎo)體-氧化物交界區(qū)域幾乎沒有可運(yùn)動(dòng)的載流子。從能帶圖上來看，p型半導(dǎo)體襯底能帶分為表面能帶和本體能帶，在表面處，沒有可運(yùn)動(dòng)的載流子，費(fèi)米能級與本征費(fèi)米能級很接近，因此本征費(fèi)米能級向下彎曲，其他能帶也一起向下彎曲。這就是工作在耗盡區(qū)的MOS結(jié)構(gòu)的剖面圖和能帶圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，表面耗盡區(qū)的厚度xd為表面電勢s的函數(shù)。假設(shè)在平行于表面的水平薄層中的運(yùn)動(dòng)空穴電荷為：用轉(zhuǎn)移面電荷dQ乘以到表面的距離xd所需要的表面電勢改變量可由泊松方程求出：對上式沿垂直尺寸（垂直于表面）積分，得到：從而，耗盡區(qū)深度為：并且，僅僅由固定受主離子組成的耗盡區(qū)電荷密度為：不久我們會(huì)看到，這個(gè)耗盡區(qū)電荷量對分析閾值電壓很重要。外部偏置下的MOS系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)，表面耗盡區(qū)的厚度為表面電勢的函數(shù)。假設(shè)在平行于表面的水平薄層中的運(yùn)動(dòng)空穴電荷為：用轉(zhuǎn)移面電荷dQ乘以到表面的距離xd所需要的表面電勢改變量可由泊松方程求出：對上式沿垂直尺寸（垂直于表面）積分，得到：從而，耗盡區(qū)深度為：并且，僅僅由固定受主離子組成的耗盡區(qū)電荷密度為：不久我們會(huì)看到，這個(gè)耗盡區(qū)電荷量對分析閾值電壓很重要。外部偏置下的MOS系統(tǒng)EEEE空穴帶正電荷電子帶負(fù)電荷吸引到表面的電子本體表面n型p型反型區(qū)下面考慮正柵極偏置進(jìn)一步增大。因?yàn)橐r底偏置為0,等效的平板電容中上面的電壓高，下面的電壓低，則內(nèi)建電場由上面指向下面，上面的平板上帶大量正電，下面的平板上帶大量負(fù)電。下面的平板就相當(dāng)于半導(dǎo)體襯底和氧化層的交界處，在這里，多數(shù)載流子（即空穴）由于正的柵極偏置電壓作用被排斥返回襯底，少數(shù)載流子（電子）從本體吸引到表面，在表面處電子濃度比空穴濃度大。從能帶圖上來看，p型半導(dǎo)體襯底能帶分為表面能帶和本體能帶，在表面處，電子濃度比空穴濃度大，能帶向下彎曲的程度也會(huì)增大，使得費(fèi)米能級位于導(dǎo)帶和本征費(fèi)米能級之間，于是這個(gè)區(qū)域的襯底半導(dǎo)體變成n型。由正柵極偏置在表面附近產(chǎn)生的n型區(qū)域稱為反型層，并且這種情況稱為表面反型。這就是工作在反型區(qū)的MOS結(jié)構(gòu)的剖面圖和能帶圖。表面帶有大量運(yùn)動(dòng)電荷濃度的薄反型層可以用來在MOS晶體管的兩個(gè)電極間傳導(dǎo)電流。當(dāng)表面運(yùn)動(dòng)電子密度等于本體（p型）襯底中的空穴密度時(shí)，表面就稱之為反型。這種情況要求表面電勢和本體費(fèi)米電勢?F大小相等，極性相反。一旦表面反型，任何柵極電壓的增大都會(huì)導(dǎo)致表面運(yùn)動(dòng)電子濃度的增大，而不是耗盡深度的增大。外部偏置下的MOS系統(tǒng)表面帶有大量運(yùn)動(dòng)電荷濃度的薄反型層可以用來在MOS晶體管的兩個(gè)電極間傳導(dǎo)電流。當(dāng)表面運(yùn)動(dòng)電子密度等于本體（p型）襯底中的空穴密度時(shí)，表面就稱之為反型。這種情況要求表面電勢和本體費(fèi)米電勢?F大小相等，極性相反。一旦表面反型，任何柵極電壓的增大都會(huì)導(dǎo)致表面運(yùn)動(dòng)電子濃度的增大，而不是耗盡深度的增大，因而，若耗盡區(qū)深度在表面反型時(shí)達(dá)到最大耗盡深度xdm，則它將不再隨柵極電壓升高而改變。利用反向條件，在表面反型時(shí)的最大耗盡區(qū)深度可得：

外加?xùn)艠O偏置電壓產(chǎn)生的傳導(dǎo)性的表面反型層是MOS晶體管電流傳導(dǎo)的必然現(xiàn)象。因而，若耗盡區(qū)