2022-2023學年高二物理競賽課件：半導體效應晶體管

半導體效應晶體管理想MOS結(jié)構(gòu)：理想結(jié)構(gòu)基于以下假設(shè)：（1）在氧化物中或在氧化物和半導體之間的界面上不存在電荷;（2）金屬和半導體之間的功函數(shù)差為零;（3）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)。載流子積累：隨著外加偏壓的改變，半導體表面的多數(shù)載流子濃度可能大于體內(nèi)熱平衡多數(shù)載流子濃度，這種現(xiàn)象稱為載流子積累。載流子耗盡：在外加偏壓的作用下，半導體表面的多數(shù)載流子濃度大大低于體內(nèi)熱平衡多數(shù)載流子濃度，少數(shù)載流子濃度增加，大于體內(nèi)熱平衡多數(shù)載流子濃度但仍遠遠低于電離雜質(zhì)濃度。與電離雜質(zhì)濃度相比，自由載流子濃度可以忽略，這種現(xiàn)象稱為載流子耗盡。（或：在外加偏壓的作用下，半導體表面自由載流子濃度與電離雜質(zhì)濃度相比可以忽略的現(xiàn)象稱為載流子耗盡。）載流子反型：在外加偏壓的作用下，半導體表面的少數(shù)載流子濃度等于或高于本征載流子濃度的現(xiàn)象稱為載流子反型。溝道電荷：半導體表面反型層中的反型自由載流子電荷。解釋出現(xiàn)反型層以后的電容C與測量頻率有關(guān)的現(xiàn)象。答：所謂電容與測量頻率有關(guān)，就是與交變信號電壓的頻率有關(guān)。在出現(xiàn)反型層以后，特別是在接近強反型時，表面電荷由兩部分所組成：一部分是反型層中的電子電荷，它是由少子的增加引起的。另一部分是耗盡層中的電離受主電荷，它是由于多子空穴的喪失引起的。（6-21）表面電容為考慮是怎樣積累起來的。例如，當MOS上的電壓增加時，反型層中的電子數(shù)目要增多。P型襯底中的電子是少子，由襯底流到表面的電子非常少，因此，反型層中電子數(shù)目的增多，主要依靠耗盡層中電子—空穴對的產(chǎn)生。在反型層中實現(xiàn)電子的積累是需要一個過程的。這個過程的弛豫時間由非平衡載流子的壽命所決定，一般比較長。同樣，當MOS上的電壓減小時，反型層中的電子要減少。電子數(shù)目的減少主要依靠電子和空穴在耗盡層中的復合來實現(xiàn)。如果測量電容的信號頻率比較高，耗盡層中電子—空穴對的產(chǎn)生和復合過程跟不上信號的變化，那么，反型層中的電子電荷也就來不及改變。于是，（6-47）

這樣在高頻情況下，隨著直流偏壓的增加，增大，電容C減小。當表面形成了強反型層時，強反型層中的電子電荷隨直流偏壓的增加而e指數(shù)地增加，對直流偏置電場起屏蔽作用。于是，耗盡層寬度不再改變，達到極大值。這時，MOS系統(tǒng)的電容C要達到極小值。在接近強反型區(qū)，如果測量電容的信號頻率比較低，耗盡層中電子—空穴對的產(chǎn)生與復合過程能夠跟得上信號的變化，這時，反型層中的電子電荷的變化，屏蔽了信號電場，對表面電容的貢獻是主要的，而耗盡層的寬度和電荷基本上不變，因此在這種情況下，表面電容由反型層中電子電荷的變化所決定

在形成強反型以后，隨變化很快，的數(shù)值很大。于是，MOS系統(tǒng)的電容C趨近，即隨著的增加，C經(jīng)過一個極小值，而后迅速增大，最后趨近于。以上說明了MOS系統(tǒng)的C-V關(guān)系隨測量頻率變化的原因。（6-50）MOS結(jié)構(gòu)存在哪些氧化層電荷和界面陷阱電荷？簡述它們的基本屬性。答：它們是：界面陷阱電荷、氧化物固定電荷、氧化物陷阱電荷和可動離子電荷。界面陷阱電荷，在界面上的陷阱，其能級位于硅禁帶之內(nèi)。界面態(tài)密度（即單位面積陷阱數(shù)）和晶面取向有關(guān)。在(100)面界面態(tài)密度比(111)面的約少一個數(shù)量級。氧化物固定電荷位于界面約3nm的范圍內(nèi)，這些電荷是固定的，在表面勢大幅度變化時，它們不能充放電。通常是正的。（100）面的和較低，故MOS結(jié)構(gòu)中硅一般采用（100）晶面。氧化物陷阱電荷，和二氧化硅缺陷有關(guān)。例如，在受到x射線輻射或高能電子轟擊時，就可能產(chǎn)生這類電荷。這些陷阱分布在二氧化硅層內(nèi)。這些和工藝過程有關(guān)的大都可以通過低溫退火消除?？蓜与x子電荷，諸如鈉離子和其它堿金屬離子，器件制造過程中由可動離子沾污引起的。在高溫和高壓下工作時，它們能在氧化層內(nèi)移動。半導體器件在高偏置電壓和高溫條件下工作時的可靠性問題可能和微量的堿金屬離子沾污有關(guān)。在高偏置電壓和高溫條件下，可動離子隨著偏置條件的不同可以在氧化層內(nèi)來回移動，引起C－V曲線沿電壓軸移動。因此，在器件制造過程中要特別注意可動離子沾污問題。寫出實際閾值電壓的表達式并說明各項的物理意義答：式中第一項是為消除半導體和金屬的功函數(shù)差的影響，金屬電極相對于半導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；第三項是當半導體表面開始出現(xiàn)強反型時，半導體空間電荷區(qū)中的電荷與金屬電極的相應電荷在絕緣層上所產(chǎn)生的電壓降，亦即支撐出現(xiàn)強反型時所需要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，半導體表面所需的表面勢，也就是跨在空間電荷區(qū)上的電壓降。是實際閾值電壓，是使MOSFET出現(xiàn)強反型所需的最小柵偏壓?！玻?-66）〕畫出MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖，簡述其工作原理。答：MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖如圖〔6-1〕所示。它是一個四端器件。其結(jié)構(gòu)是在P型硅襯底上形成作為源和漏的兩個區(qū)。氧化物上的金屬電極叫做柵極。通常把源和漏下方區(qū)域稱為場區(qū)，而把柵下區(qū)域稱為有源區(qū)。器件的基本參數(shù)是溝道長度（兩個結(jié)間的距離），溝道寬度Z，氧化層厚度，結(jié)深，以及襯底摻雜濃度等。以源極作為電壓的參考點。當漏極加上正電壓，而柵極未加電壓時，從源極到漏極相當于兩個背靠背的PN結(jié)。從源到漏的電流只不過是反向漏電流。當柵極加上足夠大的正電壓時，中間的MOS結(jié)構(gòu)發(fā)生反型，在兩個區(qū)之間的P型半導體形成一個表面反型層（即導電溝道）。于是源和漏之間能通過N型表面溝道流過電流。這