现代集成电路器件电子学-MOSFET
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(4) VT < 0 时称为增强型（常关型），VT > 0 时称为耗尽型
（常开型）。
8.1.4 MOSFET 的输出特性
输出特性曲线：VGS > VT 且恒定时的 VDS ~ ID 曲线。可分为 以下 4 段：
① 线性区 VDS 很小时，沟道近似为一个阻值与 VDS 无关的 固定电阻， 这时 ID 与 VDS 成线性关系，如图中的 OA 段所示。
④ 击穿区 当 VDS 继续增大到 BVDS 时，漏结发生雪崩击穿，或者漏源 间发生穿通，ID 急剧增大，如图中的 CD 段所示。
以 VGS 作为参变量，可得到不同 VGS 下的 VDS ~ ID 曲线族，
这就是 MOSFET 的 输出特性曲线。
将各曲线的夹断点用虚线连接起来，虚线左侧为非饱和区，
② 过渡区
随着 VDS 增大，漏附近的沟道变薄，沟道电阻增大，曲线 逐渐下弯。当 VDS 增大到 VDsat ( 饱和漏源电压 ) 时，漏端处的 可动电子消失，这称为沟道被 夹断，如图中的 AB 段所示。 线性区与过渡区统称为 非饱和区，有时也统称为 线性区。
③ 饱和区
当 VDS > VDsat 后，沟道夹断点左移，漏附近只剩下耗尽区。 这时 ID 几乎与 VDS 无关而保持常数 IDsat ，曲线为水平直线，如 图中的 BC 段所示。 实际上 ID 随 VDS 的增大而略有增大，曲线略向上翘。
虚线右侧为饱和区。
4 种类型 MOSFET 的特性曲线小结
8.2 MOSFET 的阈电压
定义1：使栅下的硅表面处开始发生强反型时的栅电压称为 阈电压（或 开启电压），记为 VT 。 定义2：当硅表面处的少子浓度达到或超过体内的平衡多子 浓度时，称为表面发生了 强反型 。 在推导阈电压的表达式时可近似地采用一维分析，即认为 衬底表面下耗尽区及沟道内的空间电荷完全由栅极电压产生的 纵向电场所决定，而与漏极电压产生的横向电场无关。
关于 QA 的进一步推导在以后进行。
8.2.2 MOSFET 的阈电压
1、阈电压一般表达式的导出
MOSFET 与 MOS 结构的不同之处是： a) 栅与衬底之间的外加电压由 VG 变为 (VG -VB) ，因此有效 栅电压由 (VG -VFB ) 变为 (VG -VB - VFB ) 。 b) 有反向电压 (VS -VB )加在反型层的 PN 结上，使 强反型开 始时的表面势 S,inv 由 2FP 变为 ( 2FP + VS -VB )。
QS QA (2FP ) VOX 注意电荷符号！！ COX COX QOX 再将 VFB MS 和上式代入 VT = VFB + VOX + 2FP 中， COX
可得 MOS 结构的阈电压为
QOX QA (2FP ) VT MS 2FP COX COX
b) 衬底费米势 FB
TOX
OX
QOX
TOX
OX
QAD 2FB
1 FB Ei EF q
kT N A FP ln 0 ( N 沟) q ni
FN
kT N D ln 0 ( P 沟) q ni
ຫໍສະໝຸດ Baidu
FB 与掺杂浓度有关，但影响不大。室温下，当掺杂浓度为
1 2
QAD
QD qN D xd ( 4qN D sFN ) 0, ( P 沟)
1 2
由于 FB 与掺杂浓度 N 的关系不大，故可近似地得到
场效应晶体管（FET）的分类
结型栅场效应晶体管（J FET） 肖特基势垒栅场效应晶体管（MESFET） 绝缘栅场效应晶体管（IGFET 或 MOSFET） 根据沟道导电类型的不同，每类 FET 又可分为 N 沟道器件
和 P 沟道器件。
JFET 和 MESFET 的工作原理相同。以 JFET 为例，用低掺 杂的半导体作为导电沟道，在半导体的一侧或两侧制作 PN 结，
2q N A s 2FP VS VB
QA (S,inv ) COX 2q N A s COX
1 2
1 2
1 2
2FP VS VB
1 2
1 2
K 2FP VS VB
1 2
2q N A s 式中， K
因此 MOSFET 的阈电压一般表达式为
VT VB VFB
QA (S,inv ) COX
S,inv
2 s xp xd Vbi qN A
1 2
以下推导 QA 的表达式。对于均匀掺杂的衬底，
2 sS,inv QA (S,inv ) q N A xd q N A qN A
4、实际 MOS 结构当 VG = VT 时的能带图 要使表面发生强反型，应使表面处的 EF - EiS = qFP ，这时 能带总的弯曲量是 2qFP ，表面势为 S = S,inv = 2FP 。
外加栅电压超过 VFB 的部分（VG -VFB）称为 有效栅电压。 有效栅电压可分为两部分：降在氧化层上的 VOX 与降在硅表面 附近的表面电势 S ，即 VG – VFB = VOX + S 表面势 S 使能带发生弯曲。表面发生强反型时能带的弯曲 量是 2qFP ，表面势为 2FP ，于是可得 VT – VFB = VOX + 2FP VT = VFB + VOX + 2FP
称为 P 型衬底的费米势。
2、实际 MOS 结构（MS < 0，QOX > 0）当 VG = 0 时的能带图
qS
上图中，S 称为 表面势，即从硅表面处到硅体内平衡处的 电势差，等于能带弯曲量除以 q 。弯曲量怎么表示？
3、实际 MOS 结构当 VG = VFB 时的能带图
QOX 当 VG VFB MS 时，可以使能带恢复为平带状态， COX 这时 S = 0，硅表面呈电中性。VFB 称为 平带电压。COX 代表单 位面积的栅氧化层电容，COX OX ，TOX 代表栅氧化层厚度。 TOX
式中，
FN
1 kT N D Ei EF ln 0 q q ni
称为 N 型衬底的费米势。
2q N D s K
COX
1 2
FN 与 FP 可以统一写为 FB，代表 衬底费米势。
2、影响阈电压的因素 当 VS = 0 ，VB = 0 时，N 沟道与 P 沟道 MOSFET 的阈电压 可统一写为（栅电容和耗尽层电容近似）
VT MS
TOX
OX
QOX
TOX
OX
QAD 2FB
a) 栅氧化层厚度 TOX
一般来说，当 TOX 减薄时， |VT | 是减小的。 早期 MOSFET 的 TOX 的典型值约为 150 nm ，目前高性能 MOSFET 的 TOX 可达 10 nm 以下。
VT MS
8.2.1 MOS 结构的阈电压
本小节推导 P 型衬底 MOS 结构的阈电压。
1、理想 MOS 结构（金属与半导体间的功函数差 MS = 0 ， 栅氧化层中的电荷面密度 QOX = 0 ）当 VG = 0 时的能带图
1 kT N A ln 0 上图中， FP Ei EF q q ni
并加上反向电压。利用 PN 结势垒区宽度随反向电压而变化的特
点来控制导电沟道的截面积，从而控制沟道的导电能力。两种 FET 的不同之处是，J FET 利用 PN 结作为控制栅，而 MESFET 则是利用金- 半结（肖特基势垒结）来作为控制栅。 IGFET 的工作原理略有不同，利用电场能来控制半导体的 表面状态，从而控制沟道的导电能力。
所以 MOSFET 是通过改变 VGS 来控制沟道的导电性，从而 控制漏极电流 ID ，是一种电压控制型器件。
转移特性曲线：VDS 恒定时的 VGS ~ ID 曲线。MOSFET 的
转移特性反映了栅源电压 VGS 对漏极电流 ID 的控制能力。
N 沟道 MOSFET 当
VT > 0 时，称为 增强型 ，为 常关型 。
J FET 的基本结构与工作原理
源、漏
利用 PN 结势垒区宽度随反向电压而变化的特点来控制导电 沟道的截面积，从而控制沟道的导电能力。
MESFET 的基本结构与工作原理
利用金 - 半结（肖特基势垒结）来作为控制栅。
8.1 MOSFET 基础
8.1.1 MOSFET 的结构
绝缘栅场效应晶体管按其早期器件的纵向结构又被称为 “金属 -氧化物-半导体场效应晶体管”，简称为 MOSFET ， 但现在这种器件的栅电极实际不一定是金属，绝缘栅也不一定 是氧化物，但仍被习惯地称为 MOSFET。
当 VS = 0 ，VB = 0 时，
1 QOX VT MS K 2FP 2 2FP COX
这与前面得到的 MOS 结构的阈电压表达式相同。
同理，P 沟道 MOSFET 当 VS = 0 ，VB = 0 时的阈电压为
1 QOX VT MS K 2FN 2 2FN COX
MOSFET 的立体结构
沟道
N 沟道 MOSFET 的剖面图
P 型衬底
8.1.2 MOSFET 的工作原理
当 VGS < VT（称为 阈电压 ）时， N+ 型的源区与漏区之间 隔着 P 型区，且漏结反偏，故无漏极电流。当 VGS >VT 时，栅 下的 P 型硅表面发生 强反型 ，形成连通源、漏区的 N 型 沟道， 在 VDS 作用下产生漏极电流 ID 。对于恒定的 VDS ，VGS 越大 ， 沟道中的电子就越多，沟道电阻就越小，ID 就越大。
1015 cm-3 时， FB 约为 0.3 V 。
VT MS
c) 功函数差 MS
TOX
OX
QOX
TOX
OX
QAD 2FB
MS 与金属种类、半导体导电类型及掺杂浓度有关。对于
Al ~ Si 系统，
MS =
- 0.6 V ～ - 1.0 V ( N 沟 ) - 0.6 V ～ - 0.2 V ( P 沟 ) （见图 4-15）
VT < 0 时，称为 耗尽型 ，为 常开型 。
ID ID
VGS
VGS
0
VT
VT
0
8.1.3 MOSFET 的类型
P 沟道 MOSFET 的特性与 N 沟道 MOSFET 相对称，即
(1) 衬底为 N 型，源漏区为 P+ 型。
(2) VGS 、VDS 的极性以及 ID 的方向均与 N 沟道相反。
(3) 沟道中的可动载流子为空穴。
COX
，称为 体因子。
于是可得 N 沟道 MOSFET 的阈电压为
VT VB VFB K 2FP VS VB 2FP VS VB
1 QOX MS K 2FP VS VB 2 2FP VS COX
1 2
注意上式中，通常 VS > 0，VB < 0 。
第 8 章 MOS场效应晶体管
场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）是另一类
重要的微电子器件。这是一种电压控制型多子导电器件，又称
为单极型晶体管。与双极型晶体管相比，有以下优点： ① 输入阻抗高； ② 温度稳定性好； ③ 噪声小；
④ 大电流特性好；
⑤ 无少子存储效应，开关速度高； ⑥ 制造工艺简单； ⑦ 各管之间存在天然隔离，适宜于制作 VLSI 。
当 N = 1015 cm-3 时，
MS =
- 0.9 V ( N 沟 ) - 0.3 V ( P 沟 )
VT MS
TOX
OX
QOX
TOX
OX
QAD 2FB
d) 耗尽区电离杂质电荷面密度 QAD
QA qN A xd (4qN A sFP ) 0, ( N 沟)
上式中， VOX
QS QM , QM 和 QS 分别代表金属一侧的 COX COX
电荷面密度和半导体一侧的电荷面密度，而 QS 又是耗尽层电荷 QA 与反型层电荷 Qn 之和。 QM
COX
-Qn -QA
P
-QS
作为近似，在强反型刚开始时，可以忽略 Qn 。QA 是 S 的 函数，在开始强反型时，QA ( S ) = QA ( 2FP ) ，故得
（常开型）。
8.1.4 MOSFET 的输出特性
输出特性曲线：VGS > VT 且恒定时的 VDS ~ ID 曲线。可分为 以下 4 段：
① 线性区 VDS 很小时，沟道近似为一个阻值与 VDS 无关的 固定电阻， 这时 ID 与 VDS 成线性关系，如图中的 OA 段所示。
④ 击穿区 当 VDS 继续增大到 BVDS 时，漏结发生雪崩击穿，或者漏源 间发生穿通，ID 急剧增大，如图中的 CD 段所示。
以 VGS 作为参变量，可得到不同 VGS 下的 VDS ~ ID 曲线族，
这就是 MOSFET 的 输出特性曲线。
将各曲线的夹断点用虚线连接起来，虚线左侧为非饱和区，
② 过渡区
随着 VDS 增大，漏附近的沟道变薄，沟道电阻增大，曲线 逐渐下弯。当 VDS 增大到 VDsat ( 饱和漏源电压 ) 时，漏端处的 可动电子消失，这称为沟道被 夹断，如图中的 AB 段所示。 线性区与过渡区统称为 非饱和区，有时也统称为 线性区。
③ 饱和区
当 VDS > VDsat 后，沟道夹断点左移，漏附近只剩下耗尽区。 这时 ID 几乎与 VDS 无关而保持常数 IDsat ，曲线为水平直线，如 图中的 BC 段所示。 实际上 ID 随 VDS 的增大而略有增大，曲线略向上翘。
虚线右侧为饱和区。
4 种类型 MOSFET 的特性曲线小结
8.2 MOSFET 的阈电压
定义1：使栅下的硅表面处开始发生强反型时的栅电压称为 阈电压（或 开启电压），记为 VT 。 定义2：当硅表面处的少子浓度达到或超过体内的平衡多子 浓度时，称为表面发生了 强反型 。 在推导阈电压的表达式时可近似地采用一维分析，即认为 衬底表面下耗尽区及沟道内的空间电荷完全由栅极电压产生的 纵向电场所决定，而与漏极电压产生的横向电场无关。
关于 QA 的进一步推导在以后进行。
8.2.2 MOSFET 的阈电压
1、阈电压一般表达式的导出
MOSFET 与 MOS 结构的不同之处是： a) 栅与衬底之间的外加电压由 VG 变为 (VG -VB) ，因此有效 栅电压由 (VG -VFB ) 变为 (VG -VB - VFB ) 。 b) 有反向电压 (VS -VB )加在反型层的 PN 结上，使 强反型开 始时的表面势 S,inv 由 2FP 变为 ( 2FP + VS -VB )。
QS QA (2FP ) VOX 注意电荷符号！！ COX COX QOX 再将 VFB MS 和上式代入 VT = VFB + VOX + 2FP 中， COX
可得 MOS 结构的阈电压为
QOX QA (2FP ) VT MS 2FP COX COX
b) 衬底费米势 FB
TOX
OX
QOX
TOX
OX
QAD 2FB
1 FB Ei EF q
kT N A FP ln 0 ( N 沟) q ni
FN
kT N D ln 0 ( P 沟) q ni
ຫໍສະໝຸດ Baidu
FB 与掺杂浓度有关，但影响不大。室温下，当掺杂浓度为
1 2
QAD
QD qN D xd ( 4qN D sFN ) 0, ( P 沟)
1 2
由于 FB 与掺杂浓度 N 的关系不大，故可近似地得到
场效应晶体管（FET）的分类
结型栅场效应晶体管（J FET） 肖特基势垒栅场效应晶体管（MESFET） 绝缘栅场效应晶体管（IGFET 或 MOSFET） 根据沟道导电类型的不同，每类 FET 又可分为 N 沟道器件
和 P 沟道器件。
JFET 和 MESFET 的工作原理相同。以 JFET 为例，用低掺 杂的半导体作为导电沟道，在半导体的一侧或两侧制作 PN 结，
2q N A s 2FP VS VB
QA (S,inv ) COX 2q N A s COX
1 2
1 2
1 2
2FP VS VB
1 2
1 2
K 2FP VS VB
1 2
2q N A s 式中， K
因此 MOSFET 的阈电压一般表达式为
VT VB VFB
QA (S,inv ) COX
S,inv
2 s xp xd Vbi qN A
1 2
以下推导 QA 的表达式。对于均匀掺杂的衬底，
2 sS,inv QA (S,inv ) q N A xd q N A qN A
4、实际 MOS 结构当 VG = VT 时的能带图 要使表面发生强反型，应使表面处的 EF - EiS = qFP ，这时 能带总的弯曲量是 2qFP ，表面势为 S = S,inv = 2FP 。
外加栅电压超过 VFB 的部分（VG -VFB）称为 有效栅电压。 有效栅电压可分为两部分：降在氧化层上的 VOX 与降在硅表面 附近的表面电势 S ，即 VG – VFB = VOX + S 表面势 S 使能带发生弯曲。表面发生强反型时能带的弯曲 量是 2qFP ，表面势为 2FP ，于是可得 VT – VFB = VOX + 2FP VT = VFB + VOX + 2FP
称为 P 型衬底的费米势。
2、实际 MOS 结构（MS < 0，QOX > 0）当 VG = 0 时的能带图
qS
上图中，S 称为 表面势，即从硅表面处到硅体内平衡处的 电势差，等于能带弯曲量除以 q 。弯曲量怎么表示？
3、实际 MOS 结构当 VG = VFB 时的能带图
QOX 当 VG VFB MS 时，可以使能带恢复为平带状态， COX 这时 S = 0，硅表面呈电中性。VFB 称为 平带电压。COX 代表单 位面积的栅氧化层电容，COX OX ，TOX 代表栅氧化层厚度。 TOX
式中，
FN
1 kT N D Ei EF ln 0 q q ni
称为 N 型衬底的费米势。
2q N D s K
COX
1 2
FN 与 FP 可以统一写为 FB，代表 衬底费米势。
2、影响阈电压的因素 当 VS = 0 ，VB = 0 时，N 沟道与 P 沟道 MOSFET 的阈电压 可统一写为（栅电容和耗尽层电容近似）
VT MS
TOX
OX
QOX
TOX
OX
QAD 2FB
a) 栅氧化层厚度 TOX
一般来说，当 TOX 减薄时， |VT | 是减小的。 早期 MOSFET 的 TOX 的典型值约为 150 nm ，目前高性能 MOSFET 的 TOX 可达 10 nm 以下。
VT MS
8.2.1 MOS 结构的阈电压
本小节推导 P 型衬底 MOS 结构的阈电压。
1、理想 MOS 结构（金属与半导体间的功函数差 MS = 0 ， 栅氧化层中的电荷面密度 QOX = 0 ）当 VG = 0 时的能带图
1 kT N A ln 0 上图中， FP Ei EF q q ni
并加上反向电压。利用 PN 结势垒区宽度随反向电压而变化的特
点来控制导电沟道的截面积，从而控制沟道的导电能力。两种 FET 的不同之处是，J FET 利用 PN 结作为控制栅，而 MESFET 则是利用金- 半结（肖特基势垒结）来作为控制栅。 IGFET 的工作原理略有不同，利用电场能来控制半导体的 表面状态，从而控制沟道的导电能力。
所以 MOSFET 是通过改变 VGS 来控制沟道的导电性，从而 控制漏极电流 ID ，是一种电压控制型器件。
转移特性曲线：VDS 恒定时的 VGS ~ ID 曲线。MOSFET 的
转移特性反映了栅源电压 VGS 对漏极电流 ID 的控制能力。
N 沟道 MOSFET 当
VT > 0 时，称为 增强型 ，为 常关型 。
J FET 的基本结构与工作原理
源、漏
利用 PN 结势垒区宽度随反向电压而变化的特点来控制导电 沟道的截面积，从而控制沟道的导电能力。
MESFET 的基本结构与工作原理
利用金 - 半结（肖特基势垒结）来作为控制栅。
8.1 MOSFET 基础
8.1.1 MOSFET 的结构
绝缘栅场效应晶体管按其早期器件的纵向结构又被称为 “金属 -氧化物-半导体场效应晶体管”，简称为 MOSFET ， 但现在这种器件的栅电极实际不一定是金属，绝缘栅也不一定 是氧化物，但仍被习惯地称为 MOSFET。
当 VS = 0 ，VB = 0 时，
1 QOX VT MS K 2FP 2 2FP COX
这与前面得到的 MOS 结构的阈电压表达式相同。
同理，P 沟道 MOSFET 当 VS = 0 ，VB = 0 时的阈电压为
1 QOX VT MS K 2FN 2 2FN COX
MOSFET 的立体结构
沟道
N 沟道 MOSFET 的剖面图
P 型衬底
8.1.2 MOSFET 的工作原理
当 VGS < VT（称为 阈电压 ）时， N+ 型的源区与漏区之间 隔着 P 型区，且漏结反偏，故无漏极电流。当 VGS >VT 时，栅 下的 P 型硅表面发生 强反型 ，形成连通源、漏区的 N 型 沟道， 在 VDS 作用下产生漏极电流 ID 。对于恒定的 VDS ，VGS 越大 ， 沟道中的电子就越多，沟道电阻就越小，ID 就越大。
1015 cm-3 时， FB 约为 0.3 V 。
VT MS
c) 功函数差 MS
TOX
OX
QOX
TOX
OX
QAD 2FB
MS 与金属种类、半导体导电类型及掺杂浓度有关。对于
Al ~ Si 系统，
MS =
- 0.6 V ～ - 1.0 V ( N 沟 ) - 0.6 V ～ - 0.2 V ( P 沟 ) （见图 4-15）
VT < 0 时，称为 耗尽型 ，为 常开型 。
ID ID
VGS
VGS
0
VT
VT
0
8.1.3 MOSFET 的类型
P 沟道 MOSFET 的特性与 N 沟道 MOSFET 相对称，即
(1) 衬底为 N 型，源漏区为 P+ 型。
(2) VGS 、VDS 的极性以及 ID 的方向均与 N 沟道相反。
(3) 沟道中的可动载流子为空穴。
COX
，称为 体因子。
于是可得 N 沟道 MOSFET 的阈电压为
VT VB VFB K 2FP VS VB 2FP VS VB
1 QOX MS K 2FP VS VB 2 2FP VS COX
1 2
注意上式中，通常 VS > 0，VB < 0 。
第 8 章 MOS场效应晶体管
场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）是另一类
重要的微电子器件。这是一种电压控制型多子导电器件，又称
为单极型晶体管。与双极型晶体管相比，有以下优点： ① 输入阻抗高； ② 温度稳定性好； ③ 噪声小；
④ 大电流特性好；
⑤ 无少子存储效应，开关速度高； ⑥ 制造工艺简单； ⑦ 各管之间存在天然隔离，适宜于制作 VLSI 。
当 N = 1015 cm-3 时，
MS =
- 0.9 V ( N 沟 ) - 0.3 V ( P 沟 )
VT MS
TOX
OX
QOX
TOX
OX
QAD 2FB
d) 耗尽区电离杂质电荷面密度 QAD
QA qN A xd (4qN A sFP ) 0, ( N 沟)
上式中， VOX
QS QM , QM 和 QS 分别代表金属一侧的 COX COX
电荷面密度和半导体一侧的电荷面密度，而 QS 又是耗尽层电荷 QA 与反型层电荷 Qn 之和。 QM
COX
-Qn -QA
P
-QS
作为近似，在强反型刚开始时，可以忽略 Qn 。QA 是 S 的 函数，在开始强反型时，QA ( S ) = QA ( 2FP ) ，故得