《半導體物理與器件》課件-第7章

第7章MOS結構及MOSFET器件7.1理想MOS結構7.2MOSFET基礎習題

MOS結構是當今微電子技術的核心結構。MOS結構指的是金屬(Metal)、氧化物(Oxide)二氧化硅和半導體(

Semiconductor)硅構成的系統(tǒng)，更廣義的說法是金屬(Metal)絕緣體(Insulator)半導體(Semiconductor)結構，即MIS結構。其中用到的絕緣體不一定是二氧化硅。半導體也不一定是硅。由于MIS結構和MOS結構較為相似，在本章中將主要分析

討論MOS結構。

MOS結構也是金屬半導體氧化物場效應晶體管(MOSFET)的核心，在本章中將主要討論MOS結構的能帶圖，定性描述在靜態(tài)偏置下MOS結構的電荷、電場和電容，并討論MOS結構的電容電壓特性。在此基礎上討論MOSFET的工作機理和直流特性。

7.1理想MOS結構

在這一節(jié)中將討論理想MOS結構的情況。

7.1.1MOS結構的構成

MOS結構由三部分組成，即由氧化層、氧化層隔開的金屬和半導體襯底三者共同組成。金屬通?？梢赃x用鋁或者其他金屬，還可以是具有高電導的多晶硅。對于這種結構，通常以理想MOS結構作為對象來討論，如果滿足以下條件，則被稱為理想的MOS結構:

(1)氧化層是非常理想的絕緣層，該層內(nèi)沒有任何電荷且完全不導電;

(2)金屬和半導體之間不存在功函數(shù)差;

(3)半導體本身均勻摻雜且足夠厚。

上述理想MOS結構的假設很接近實際MOS結構，其結構如圖7.1所示。這種假設是為了在剛開始討論這種結構時能最簡單地處理問題，后面將根據(jù)實際MOS結構的情況對理想MOS結構進行逐一修正，使理論分析的結果盡可能與實際相符。圖7.1MOS結構

7.1.2熱平衡時的MOS結構

在描述半導體器件的性能時，能帶圖是不可缺少的。為了和MOS結構外加偏壓時的狀態(tài)相比較，先畫出組成MOS結構的三部分在未加偏壓時各個部分的能帶圖，如圖7.2(a)所示。圖7.2(b)為熱平衡時MOS結構的能帶圖。圖7.2MOS結構不加電壓時的能帶圖

假設這三種物質(zhì)具有共同的真空能級E0

，從圖7.2(a)中可以看出，半導體和絕緣體能帶的差異與前面的討論一致，絕緣體的禁帶寬度要比半導體大得多。按照理想PN結的假設，MOS結構中的金屬和半導體的功函數(shù)相等，絕緣體的費米能級位置也與金屬和半導體相同，如圖7.2(a)所示。

7.1.3外加偏壓時的MOS結構

由于MOS結構實際上就是一個電容，因此當其兩端加上電壓后，相當于金屬和半導體的兩個面上被充電，兩邊所帶的電荷數(shù)量相等，電荷符號相反，保證器件中的電荷總和為零。但是這些電荷在兩邊的分布差別較大，由于金屬這邊電子密度很高，因此電荷只分布在靠近表面約為一個原子層的厚度范圍內(nèi);對于半導體這邊，載流子密度和金屬相比要低很多，電荷只能分布在一定厚度的表面層內(nèi)。通常把在半導體一側有電荷存在的區(qū)域稱為空間電荷區(qū)。

從半導體表面開始的空間電荷區(qū)內(nèi)存在電場，到空間電荷區(qū)的另一端，電場強度減小為零。由于存在電場，在空間電荷區(qū)內(nèi)還存在電勢的變化，并導致電勢能在空間電荷區(qū)內(nèi)逐點

變化，導致了能帶的彎曲。下面針對一種具體的MOS結構分析它在不同的外加偏壓下空間電荷區(qū)內(nèi)的具體變化情況。

假設所討論的是一個由P型半導體構成的MOS結構，分以下三種情況分別討論。

1.多數(shù)載流子堆積狀態(tài)

當半導體一側接正，金屬一側接負時，

P型襯底MOS結構多數(shù)載流子堆積狀態(tài)如圖7.3(a)所示。類似電容器的充電過程，負電荷將出現(xiàn)在金屬一側，正電荷半導體一側出現(xiàn)，半導體的空間電荷區(qū)內(nèi)出現(xiàn)電場。圖7.3P型襯底MOS結構多數(shù)載流子堆積狀態(tài)

從圖7.3(b)中可以看出，由于電場的方向是由半導體體內(nèi)指向半導體表面。沿著電場的方向是電勢減小的方向，乘以電子電量-e，就是電子電勢能增加的方向。故表面處能帶向上彎，而費米能級位置始終沒有彎曲，保持平直，因此越向表面靠近，費米能級EFi和價帶頂Ev之間的距離越近，根據(jù)載流子濃度的計算公式，空穴的濃度也越大。在這種狀態(tài)下，越靠近半導體表面的地方有越多的空穴分布，稱為多數(shù)載流子堆積的狀態(tài)，堆積的空穴主要分布在靠近表面的薄層內(nèi)。

2.多數(shù)載流子耗盡狀態(tài)

當金屬一側接正，半導體一側接負時，

P型襯底MOS結構多數(shù)載流子堆積狀態(tài)如圖7.4(a)所示。此時類似電容器的充電過程，正電荷出現(xiàn)在金屬一側，負電荷出現(xiàn)在半導體一側，產(chǎn)生電場的方向也與圖7.3(a)恰好相反。相應的空間電荷區(qū)的能帶彎曲也與圖7.3(b)相反，能帶向下彎。

從圖7.4(b)可以看出，由于能帶向下彎，同樣費米能級的位置始終沒有彎曲，保持平直，因此越向表面靠近，費米能級EF

和價帶頂Ev

之間的距離越遠，按照空穴濃度的計算公式，靠近表面附近的空穴濃度很小，比體內(nèi)的空穴濃度小得多。這種情況近似為表面附近的多數(shù)載流子幾乎為零，因此也把這種狀態(tài)稱為多數(shù)載流子耗盡狀態(tài)。圖7.4P型襯底MOS結構多數(shù)載流子耗盡狀態(tài)

3.少數(shù)載流子反型狀態(tài)

對MOS結構仍然保持金屬一側接正，半導體一側接負，并對金屬施加更大的正電壓，此時兩側的正負電荷量增加及空間電荷區(qū)內(nèi)存在的電場增強。對應空間電荷區(qū)的寬度更寬，能帶彎曲量更大。如圖7.5所示，由于半導體表面處的能帶進一步向下彎曲，可能出現(xiàn)表面處費米能級位置高于本征費米能級位置的情況，說明此時導帶比價帶更接近費米能級，費米能級位于禁帶的上半部分，也就是說在靠近表面的半導體附近呈現(xiàn)出了N型半導體的特征。這種狀態(tài)稱為少數(shù)載流子反型狀態(tài)，反型的意思是在半導體表面形成一層與半導體襯底導電類型相反的一層，可以把這一層稱為反型層。從圖7.5中可以看出反型層位于近表面處，從反型層到半導體內(nèi)部還有一層耗盡層。圖7.5P型襯底MOS結構加較大正電壓的能帶圖

以上講解的MOS結構中使用的是P型半導體作為襯底。對于用N型半導體作為襯底的MOS結構，也可以按照類似的方法畫出它在三種情況下的能帶圖。

圖7.6為N型襯底MOS結構加兩種電壓時的示意圖，圖中表示出了電荷的分布和電場方向。圖7.7(a)、(b)和(c)分別為N型襯底MOS結構在多數(shù)載流子堆積狀態(tài)、多數(shù)載流子耗盡狀態(tài)和少數(shù)載流子反型狀態(tài)下的能帶圖。圖7.6N型襯底MOS結構加正、負電壓時的示意圖圖7.7N型襯底MOS結構的能帶圖

對于P型襯底的MOS結構，因為電荷在金屬一側只分布在靠近表面幾埃的范圍內(nèi)，求解MOS結構的電勢等變量時，可以只針對MOS結構中的半導體部分求解即可。為了表述方便起見，用?

(x

)表示半導體中x處的電勢值，取x軸垂直半導體表面而指向半導體內(nèi)部，取表面處為x軸的原點。定義半導體內(nèi)部的空間電荷區(qū)邊界處為電勢零點，即x=W(W為空間電荷區(qū)寬度)處電勢為零。只有在有電場的區(qū)域有能帶彎曲，電勢?(x)不為零。對于半導體的表面，即x=0處的電勢定義為?s

，稱為表面勢。表面勢是半導體體內(nèi)的EFi

與表面的EFi的差值，如圖7.8所示。表面勢也是MOS結構空間電荷區(qū)的電勢差。圖7.8P型襯底MOS結構?s和?Fp的定義

由圖7.8可得

由前面的知識可知，?Fp與P型半導體的摻雜濃度有關，有

對于P型襯底的MOS結構來說，?Fp>0，如果MOS結構處于多數(shù)載流子積累，則?s<0，當?s>0時是反型或耗盡。為了找到耗盡和反型的臨界狀態(tài)，定義了一個耗盡反型臨界點，如圖7.9所示。從圖中可以看出，當?s=2?Fp時，表面處的費米能級遠在本征費米能級之上。這樣的能級關系說明，此時表面處反型后的多子(即電子)濃度等于體內(nèi)的多子(即空穴)濃度，這就是耗盡反型臨界點，對應此時MOS結構外加的電壓稱為閾值電壓。當MOS結構外加的電壓大于閾值電壓時，其處于少子反型狀態(tài)。圖7.9P型襯底MOS結構的耗盡反型臨界點的能帶圖

對于P型襯底的MOS結構的多數(shù)載流子耗盡狀態(tài)，與PN結的求解類似，采用泊松方程可以得到MOS結構中半導體一側的電場、電勢及空間電荷區(qū)寬度等參數(shù)的值。采用耗盡近似，有

在確定式(7.5)中的C時，利用x=W處電場為零，其中W表示MOS結構中空間電荷區(qū)的寬度，有

對式(7.6)進行二次積分，并利用x=W處電勢為零的條件，得到

由前面的定義可知在半導體表面，

x=0處的電勢為?s，故在式(7.7)中令x=0得到的就是表面勢?s的表達式，有

變換后得到空間電荷區(qū)寬度的表達式為

前面討論的耗盡反型臨界點是MOS結構所能達到的最大耗盡區(qū)寬度，此時的耗盡區(qū)寬度為

反型層中積累的電子屏蔽了外電場的作用，耗盡層的寬度達到最大

類似地，對于N型襯底的MOS結構，其最大耗盡層寬度為

7.1.4理想MOS結構的電容電壓特性

由于在MOS結構中存在氧化層，因此沒有直流電流，

MOS結構中最常用的特性就是電容電壓特性。與PN結的電容的定義類似，

MOS結構的電容定義為

本節(jié)先討論在理想MOS結構上加一偏壓時，計算外加偏壓變化時器件的電容電壓特性，然后再討論一些實際MOS結構中的因素對器件的電容電壓特性的影響。

MOS電容有三種工作狀態(tài)：多子堆積、多子耗盡和少子反型。P型襯底的MOS電容在加負電壓時為多子空穴堆積狀態(tài)。一個小的電壓變化對應引起的MOS結構中金屬層和空穴堆積層中的電荷變化如圖7.10所示。圖7.10多子堆積下外加電壓變化時微分電荷分布示意圖

從圖7.10可以看出，一個小的微分電壓改變將導致金屬一側和空穴堆積電荷的微分量發(fā)生變化，因為這種電荷的微分變化發(fā)生在氧化層的兩邊，類似于平行板電容器。因此多子堆積時MOS結構的單位面積電容就是氧化層電容，即

式中，

tox

為氧化層的寬度。

圖7.11多子耗盡時外加電壓變化時的微分電荷分布圖7.12MOS結構的等效電路

串聯(lián)總電容隨著空間電荷區(qū)寬度的增加而減小。

當P型襯底的MOS電容施加的正電壓足夠大時，達到耗盡反型臨界點，此時空間電荷區(qū)寬度不變。若反型層內(nèi)的電荷能跟得上MOS電容所加電壓的變化，從圖7.13中可以看出，這時的MOS結構的總電容就是氧化層電容。圖7.13少子反型時外加電壓變化時的微分電荷分布

綜合前面的討論結果，在多子堆積的情況下，

MOS電容的電容值近似為氧化物的電容Cox

，此時從半導體內(nèi)部到表面是導通的，半導體的作用像一個導體，正負電荷聚集在氧化物兩邊，所以MOS結構的總電容就等于氧化物的電容Cox。隨著外加電壓由負變正，

MOS結構變?yōu)楹谋M狀態(tài)，半導體耗盡層的電容依賴于外加電壓，

MOS結構的總電容看做是由氧化層電容和耗盡層電容串聯(lián)組成的，電容值下降。隨著外加正電壓數(shù)值的增加，

MOS結構達到反型狀態(tài)，大量電子聚集在半導體表面，相當于絕緣層兩邊堆積著電荷，

MOS結構的總電容又近似等于絕緣層電容。理想MOS結構的整個C－U特性曲線如圖7.14中實線所示。圖7.14理想MOS結構的電容電壓特性曲線

當外加信號頻率較高時，反型層中電子的產(chǎn)生跟不上外加信號的變化，也就是說反型層中的電子數(shù)量不能隨著外加高頻信號的變化而變化，此時不存在圖7.13所示的電荷分布，反型層中存在的電子對電容沒有貢獻，電荷的分布情況如圖7.15所示。此時，只由耗盡層的電荷變化決定MOS電容，當耗盡層的厚度達到最大值時，電容值就達到最小值并且保持不變，其電容電壓特性曲線如圖7.14中的虛線所示。圖7.15少子反型時高頻電壓變化時的微分電荷分布

在以上的討論中均以P型襯底的MOS結構為例進行，

N型襯底的MOS結構的，情況與P型類似，其電容電壓特性曲線如圖7.16所示。圖7.16N型襯底MOS結構的電容電壓特性曲線

7.1.5金屬與半導體的功函數(shù)差對MOS結構CU特性曲線的影響

在前面的討論中，討論的對象是理想MOS結構，金屬和半導體之間費米能級持平，功函數(shù)差為零。實際中往往所選擇的金屬和半導體的功函數(shù)差并不為零，此時MOS結構的C－U曲線也將受到影響。

仍以P型襯底的MOS結構為例說明，假設P型半導體的功函數(shù)和金屬的功函數(shù)不相等。如果P型半導體的功函數(shù)比金屬的大，則MOS結構一旦形成，電子就將從金屬流向P型半導體，直至金屬和半導體的費米能級統(tǒng)一。此時半導體一側帶負電，金屬表面帶正電，這些局部帶電的區(qū)域?qū)е庐a(chǎn)生電場，其方向是由半導體表面指向半導體體內(nèi)。有電場存在的區(qū)域就有能帶彎曲，與前面的討論類似，半導體表面的能級向下彎。這說明當金屬和半導體之間存在功函數(shù)差時，即便在沒有外加電壓的時候，半導體表面已經(jīng)發(fā)生了能帶彎曲，如圖7.17所示。

為了使半導體表面恢復到平帶狀態(tài)，可以在MOS結構兩端加一電壓，這個電壓稱為平帶電壓。對于前面的假設(P型半導體的功函數(shù)比金屬的大)，當金屬接負，半導體接正時，產(chǎn)生的電場方向剛好和前面由于功函數(shù)差出現(xiàn)的電場方向相反，起到平帶的作用。

平帶電壓的大小由金屬和半導體的功函數(shù)差決定，由于功函數(shù)差導致半導體一側的電勢能比金屬一側的高，其提高的數(shù)值為

為了使半導體的能帶恢復到平帶，抵消由于功函數(shù)差導致的能帶彎曲和內(nèi)建電場，所加的平帶電壓為

平帶電壓的存在對理想MOS結構的電容電壓特性曲線產(chǎn)生影響。相當于將原來理想MOS結構的電容電壓特性曲線中U=0的位置移動到UFB

處，因為UFB是負值，故由于金屬和半導體之間存在功函數(shù)差，導致MOS結構的電容電壓特性曲線向左移動，移動量為UFB

，如圖7.18所示。圖7.17功函數(shù)差對MOS結構半導體表面的影響

如圖7.18所示，先找到理想MOS結構的C－U特性曲線與y軸的交點，做橫軸的平行線，其與實際MOS結構曲線的交點間的距離就是平帶電壓。圖7.18金屬和半導體的功函數(shù)差對MOS結構電容電壓高頻特性曲線的影響(虛線表示理想MOS結構電容電壓高頻特性曲線)

7.1.6氧化層中的電荷對MOS結構CU特性曲線的影響

相比于金屬和半導體的功函數(shù)差對MOS結構C－U特性曲線的影響，氧化層中存在的電荷對MOS結構C－U特性曲線的影響則要大得多。假設氧化層中有一薄層電荷，它的存在將分別在金屬和半導體一側產(chǎn)生感應電荷，如圖7.19所示。圖7.19氧化層中存在電荷及其對半導體能帶的影響

由于這些電荷的存在，半導體表面附近存在電場，電場的方向從半導體表面指向半導體體內(nèi)，導致半導體空間電荷區(qū)的能帶向下彎曲。同前面的討論一樣，為了使半導體的能帶變平，需要外加電壓，其中半導體接正，金屬接負。同時考慮金屬和半導體的功函數(shù)差和氧化層中的電荷后，平帶電壓的公式修正為

式中:Q為氧化層中的電荷;Cox為氧化層電容。如果氧化層中出現(xiàn)的電荷為正，平帶電壓將更大，C－U曲線將進一步向左移動，如圖7.20所示。圖7.20金屬、半導體的功函數(shù)差和氧化層中電荷對MOS結構電容電壓高頻特性曲線的影響(虛線表示理想MOS結構電容電壓高頻特性曲線)

7.2MOSFET基礎

基于MOS結構的MOS電路元件已在半導體器件中成為主流器件。所謂MOSFET，是指金屬氧化物半導體場效應晶體管。在本節(jié)中，將介紹MOSFET的結構、分類、工作機理及直流工作特性。

7.2.1MOSFET的結構和分類

圖7.21是一個典型的MOSFET結構示意圖，它是一個四端口器件?？梢哉J為MOSFET是由一個MOS電容和兩個PN結共同構成的。其中襯底可以是N型半導體，也可以是P型半導體。如果襯底是P型半導體，則源極和漏極就是N+

摻雜;如果襯底是N型半導體，則源極和漏極就是P+

摻雜，圖中的陰影部分表示歐姆接觸。圖7.21典型的MOSFET結構示意圖

使用時，一般源極接地，襯底接地，柵極上施加的電壓用UG

表示，漏極上施加的電壓用UD

表示。實際中存在四種類型的MOSFET，分別是N溝道增強型MOSFET、N溝道耗盡型MOSFET、P溝道增強型MOSFET和P溝道耗盡型MOSFET。這四種類型的MOSFET結構如圖7.22所示。N溝道MOS場效應晶體管是指在P型半導體襯底上形成局部高摻雜的源極和漏極，當柵極上施加足夠強的正電壓時，在MOS結構中的P型半導體反型，從而形成N型導電溝道，當源極和漏極之間加偏置電壓時，電子將從源極流向漏極。圖7.22四種類型的MOSFET

而P溝道MOS場效應晶體管是指在N型半導體襯底上，形成局部高摻雜的源極和漏極，當柵極上施加足夠強的負電壓時，在MOS結構中柵極下方的N型半導體反型，從而形成P型導電溝道，當源極和漏極之間加偏置電壓時，空穴將從源極流向漏極。其中，“增強”是指在MOS場效應管

中當外加柵壓為零時，柵極下面的半導體沒有形成反型，需要外加合適的柵壓才可以使柵極下面的半導體形成反型層，從而將源極和漏極連接起來;“耗盡”是指當柵壓為零時，柵極下面的半導體已經(jīng)形成溝道

因此，從上面的分析可以看出，在MOS場效應管中參與工作的只有一種載流子，在N溝道MOS場效應晶體管中工作的載流子是電子，在P溝道MOS場效應晶體管中工作的載流子是空穴，這一點與PN結不同。要使N溝道MOS場效應晶體管工作，需要加正的柵極電壓，而要使P溝道MOS場效應晶體管工作，需要加負的柵極電壓。

7.2.2MOSFET的工作機理

以N溝道增強型MOSFET為例，簡單分析其工作原理。源極和襯底都接地，當所加的柵極電壓較小，且小于MOS結構的閾值電壓時，漏極電壓較小。在這種情況下，沒有產(chǎn)生電子反型層，源極和漏極之間的區(qū)域應該是空穴耗盡及少量的電子，源極和漏極之間相當于開路，源極和漏極之間的電流為0。隨著柵極上電壓的增加，

MOS結構的狀態(tài)也逐漸由多子耗盡向少子反型過渡，當柵極上所加的電壓等于前面討論的MOS結構的閾值電壓后，半導體表面達到強反型。

此時強反型下的電子在源極和漏極之間形成了導電溝道，導電溝道將源極和漏極連接起來。如果柵極和漏極之間加上電壓，則載流子通過前面形成的導電溝道形成漏電流。因此MOS場效應晶體管的基本工作原理是通過外加柵壓控制漏電流的過程，是電壓控制電流的器件。圖7.23表示了N溝道增強型MOSFET在這兩種情況下的變化。圖7.23N溝道增強型MOSFET

對于圖7.23中討論的N溝道增強型MOSFET來說，在滿足UGS>UT

后，一方面柵極上的電壓越大，反型層中的電子越多，溝道的電阻越小，流過溝道中源漏之間的電流越大;另一方面柵極上的電壓減小，反型層中的電子減小，溝道的電阻增大，流過溝道中源漏之間的電流減小。圖7.24為當UGS

較小時，在不同的UGS

下，

ID

隨UDS變化而呈現(xiàn)出的變化規(guī)律。從圖7.24中呈現(xiàn)出來的規(guī)律和前面的定性分析結果一致。圖7.24當UDS較小時，在三個不同的柵極電壓下，

ID隨UDS變化的曲線

在保證UGS>UT

后，在某一確定的UGS

下，考察ID隨著UDS

的變化規(guī)律，如圖7.25所示。在圖7.25(a)中UDS

的值較小，左邊的圖展示了器件中反型層內(nèi)的電子分布示意圖，右邊的圖是ID

隨UDS的變化曲線，此時反型層的電阻值恒定，曲線近似為斜率一定的直線。在圖7.25(b)中UDS

的值增加，漏端附近的電壓增加，氧化層上的電壓降減小，漏端附近的反型層中電荷密度減小，漏端附近的電阻增加。以上這一過程也可認為是處于反偏狀態(tài)的漏PN結，

隨著外加反向偏壓的增加，耗盡區(qū)增加，導致在漏極附近的溝道變窄。

因此這一變化反映在ID

隨UDS

的變化曲線上表現(xiàn)為ID隨著UDS的增加速率變慢，如圖7.25(b)中的AB段所示。

在圖7.25(c)中UDS

的值增加至UDsat(溝道在漏端處發(fā)生夾斷時的漏源電壓)，漏端附近的反型層中電荷密度減小為零，溝道在漏端一側消失，出現(xiàn)溝道夾斷現(xiàn)象，此時ID

隨著UDS

的變化曲線斜率為0。此時ID

達到最大值，如圖7.

25(c)中BC段所示。當漏電壓進一步增加時，溝道夾斷的部分會加寬，夾斷點向源極發(fā)生移動，電子從源極進入溝道向漏極運動，在到達夾斷點時，進入空間電荷區(qū)，在電場的作用下漂移至漏極。如果假設溝道夾斷導致的溝道長度變化對總的溝道長度影響不大，則此時的漏電流為常數(shù)，如圖7.

25(d)中CD段所示。圖7.25UGS>UT時，MOSFET不同工作區(qū)的示意圖及ID隨UDS變化特性曲線圖7.25UGS>UT時，

MOSFET不同工作區(qū)的示意圖及ID隨UDS變化特性曲線

圖7.26為N溝道增強型MODFET的ID

－UDS

特性曲線，在圖中不同的曲線表示在不同柵壓下的結果。圖中出現(xiàn)的黑點是對應在某一UGS下的UDsat

，黑點以右對應的都是飽和區(qū)。圖7.26N溝道增強型MODFET的IDUDS特性曲線

7.2.3MOSFET的電流－電壓關系

1.閾值電壓

在前面的講述中將MOS場效應管的閾值電壓定義為使MOS結構中半導體的表面勢滿足?s=2?Fp時所加的柵極電壓。由于閾值電壓決定了MOS場效應管是否導通，因此它是MOS場效應