《MOS场效应晶体管》PPT课件
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10
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类
二、MOSFET的基本工作原理
栅源电压对沟道的影响
11
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类
二、MOSFET的基本工作原理
漏源电压对沟道的影响
12
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类
三、MOSFET的分类
类型
衬底 S、D区 沟道载流子
VDS IDS方向 阈值电压
5
6
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类 一、MOSFET的基本结构
7
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类
8
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类
二、MOSFET的基本工作原理
MOSFET的基本工作原理是基于半导体的“表面场效应”
当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠 背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S 间形成电流。
q(Vs 2F ) kT A
当Vs
2F
2kT q
ln
NA ni
时，ns
p
0 p
NA
半导体表面能带弯曲至表面势等于两
倍费米势时，半导体表面呈现强反型状态。
17
§7.2 MOSFET的阈值电压 一、MOSFET的阈值电压表达式
ns
n
0 p
e
qVs
kT
ni2
p
0 p
e qVs
kT
n e q(Vs F ) kT i
微电子器件原理
第七章 MOS场效应晶体管
第七章 MOS场效应晶体管
§7.1 基本工作原理和分类 §7.2 阈值电压 §7.3 I-V特性和直流特性曲线 §7.4 击穿特性 §7.5 频率特性 §7.6 功率特性和功率MOSFET结构 §7.7 开关特性 §7.8 温度特性 §7.9 短沟道和窄沟道效应
Qox Cox
VT
Vms
Qox Cox
QBmax Cox
2F
栅源电压： ✓抵消金-半之间接触电势差 ✓补偿氧化层中电荷 ✓建立耗尽层电荷（感应结） ✓提供反型的2倍费米势
VTn
Vms
Qox Cox
qN A xd max Cox
2kT q
ln
NA ni
VTp
Vms
Qox Cox
qN D xd max Cox
当栅极加有电压0＜VGS＜VT时，通过栅 极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型 半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负 离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动， 但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极 沟通，所以不足以形成漏极电流ID。
9
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类 二、MOSFET的基本工作原理
14
§7.2 MOSFET的阈值电压
一、MOSFET的阈值电压表达式 MOSFET的阈值电压 VT
是栅极下面的半导体表面呈 现强反型，从而出现导电沟 道时所加的栅源电压。
1.MOS结构中的电荷分布 2.强反型条件 3.理想MOS结构的阈值电压 4.实际MOS结构的阈值电压
QG Qox Qn QB 0
理想MOS结构的阈值电压
QG Qox Qn QB 0
QG QB max 0
19
§7.2 MOSFET的阈值电压 一、MOSFET的阈值电压表达式
3.理想MOS结构的阈值电压
VT
QBmax Cox
2F
VG Vox Vs 强反型时：
Vox
QG Cox
QBmax Cox
Vs 2F
VBS
1
]} 2
2kT q
ln
NA ni
Vms
ຫໍສະໝຸດ Baidu
23
§7.2 MOSFET的阈值电压 二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析
1.偏置电压的影响 234...栅功衬电函底容数杂C差质oxΦ浓m度s 的影响 5.氧化膜中电荷的影响
Ec
qVD
2
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类 一、MOSFET的基本结构 二、MOSFET的基本工作原理 三、MOSFET的分类
3
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类 一、MOSFET的基本结构
N沟道增强型MOSFET结构示意图
4
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类 一、MOSFET的基本结构
p e0 q(Vs 2F ) kT p
N e q(Vs 2F ) kT A
p
0 p
nieqF
kT
NA
18
§7.2 MOSFET的阈值电压 一、MOSFET的阈值电压表达式
3.理想MOS结构的阈值电压
表面耗尽层 反型层载流子的屏蔽作用 场感应结 理想MOS结构
• 忽略氧化层中电荷的影响 • 不计金属-半导体功函数差
QBmax qN A xd max
qN
A[
2 0Vs
qN A
1
]2
qN
A[
4 0 kT
q2 N A
ln
N
A
]
1 2
ni
1
[40qN AF ] 2
C ox
0 ox
tox
20
21
§7.2 MOSFET的阈值电压
一、MOSFET的阈值电压表达式
4.实际MOS结构的阈值电压
•平带电压VFB
VFB
Vms
15
§7.2 MOSFET的阈值电压
一、MOSFET的阈值电压表达式
2.强反型条件
强反型：是指半导体表面积累的少数载流子的浓度达到和超过体内多子 浓度的状态 表面势：半导体表面的电势VS
ns
n e(EF Ei ) i
kT
p0p
n e(Ei EF ) i
kT
当(EF Ei )s (Ei EF )V 时，ns p0p
定义费米势： F
(Ei
EF )体内 q
p0p
nieqF
kT
NA
F
kT q
ln
NA ni
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§7.2 MOSFET的阈值电压
一、MOSFET的阈值电压表达式
2.强反型条件
ns
n
0 p
e
qVs
kT
ni2
p
0 p
e qVs
kT
n e q(Vs F ) kT i
p e N e 0 q(Vs 2F ) kT p
电路符号
n沟MOSFET
耗尽型
增强型
p型 n+区 电子
>0 由D→S
VT<0
VT>0
D
D
G
BG
B
S
S
p沟MOSFET
耗尽型
增强型
n型 p+区 空穴
<0 由S→D
VT>0
VT<0
D
D
G
BG
B
S
S
13
§7.2 MOSFET的阈值电压 一、MOSFET的阈值电压表达式 二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析 三、关于反型程度划分的讨论
2kT q
ln
ND ni
22
§7.2 MOSFET的阈值电压
二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析
1、VDS
2、VBS
1.偏置电压的影响 234...栅功衬电函底容数杂C差质oxΦ浓m度s 的影响 5.氧化膜中电荷的影响
●
●
●
●
●
●
●
●
●
VTn
Qox Cox
1 Cox
{2 0qN A[Vs
V ( y)
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类
二、MOSFET的基本工作原理
栅源电压对沟道的影响
11
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类
二、MOSFET的基本工作原理
漏源电压对沟道的影响
12
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类
三、MOSFET的分类
类型
衬底 S、D区 沟道载流子
VDS IDS方向 阈值电压
5
6
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类 一、MOSFET的基本结构
7
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类
8
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类
二、MOSFET的基本工作原理
MOSFET的基本工作原理是基于半导体的“表面场效应”
当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠 背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S 间形成电流。
q(Vs 2F ) kT A
当Vs
2F
2kT q
ln
NA ni
时，ns
p
0 p
NA
半导体表面能带弯曲至表面势等于两
倍费米势时，半导体表面呈现强反型状态。
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§7.2 MOSFET的阈值电压 一、MOSFET的阈值电压表达式
ns
n
0 p
e
qVs
kT
ni2
p
0 p
e qVs
kT
n e q(Vs F ) kT i
微电子器件原理
第七章 MOS场效应晶体管
第七章 MOS场效应晶体管
§7.1 基本工作原理和分类 §7.2 阈值电压 §7.3 I-V特性和直流特性曲线 §7.4 击穿特性 §7.5 频率特性 §7.6 功率特性和功率MOSFET结构 §7.7 开关特性 §7.8 温度特性 §7.9 短沟道和窄沟道效应
Qox Cox
VT
Vms
Qox Cox
QBmax Cox
2F
栅源电压： ✓抵消金-半之间接触电势差 ✓补偿氧化层中电荷 ✓建立耗尽层电荷（感应结） ✓提供反型的2倍费米势
VTn
Vms
Qox Cox
qN A xd max Cox
2kT q
ln
NA ni
VTp
Vms
Qox Cox
qN D xd max Cox
当栅极加有电压0＜VGS＜VT时，通过栅 极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型 半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负 离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动， 但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极 沟通，所以不足以形成漏极电流ID。
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§7.1 MOSFET基本工作原理和分类 二、MOSFET的基本工作原理
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§7.2 MOSFET的阈值电压
一、MOSFET的阈值电压表达式 MOSFET的阈值电压 VT
是栅极下面的半导体表面呈 现强反型，从而出现导电沟 道时所加的栅源电压。
1.MOS结构中的电荷分布 2.强反型条件 3.理想MOS结构的阈值电压 4.实际MOS结构的阈值电压
QG Qox Qn QB 0
理想MOS结构的阈值电压
QG Qox Qn QB 0
QG QB max 0
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§7.2 MOSFET的阈值电压 一、MOSFET的阈值电压表达式
3.理想MOS结构的阈值电压
VT
QBmax Cox
2F
VG Vox Vs 强反型时：
Vox
QG Cox
QBmax Cox
Vs 2F
VBS
1
]} 2
2kT q
ln
NA ni
Vms
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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§7.2 MOSFET的阈值电压 二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析
1.偏置电压的影响 234...栅功衬电函底容数杂C差质oxΦ浓m度s 的影响 5.氧化膜中电荷的影响
Ec
qVD
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§7.1 MOSFET基本工作原理和分类 一、MOSFET的基本结构 二、MOSFET的基本工作原理 三、MOSFET的分类
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§7.1 MOSFET基本工作原理和分类 一、MOSFET的基本结构
N沟道增强型MOSFET结构示意图
4
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类 一、MOSFET的基本结构
p e0 q(Vs 2F ) kT p
N e q(Vs 2F ) kT A
p
0 p
nieqF
kT
NA
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§7.2 MOSFET的阈值电压 一、MOSFET的阈值电压表达式
3.理想MOS结构的阈值电压
表面耗尽层 反型层载流子的屏蔽作用 场感应结 理想MOS结构
• 忽略氧化层中电荷的影响 • 不计金属-半导体功函数差
QBmax qN A xd max
qN
A[
2 0Vs
qN A
1
]2
qN
A[
4 0 kT
q2 N A
ln
N
A
]
1 2
ni
1
[40qN AF ] 2
C ox
0 ox
tox
20
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§7.2 MOSFET的阈值电压
一、MOSFET的阈值电压表达式
4.实际MOS结构的阈值电压
•平带电压VFB
VFB
Vms
15
§7.2 MOSFET的阈值电压
一、MOSFET的阈值电压表达式
2.强反型条件
强反型：是指半导体表面积累的少数载流子的浓度达到和超过体内多子 浓度的状态 表面势：半导体表面的电势VS
ns
n e(EF Ei ) i
kT
p0p
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当(EF Ei )s (Ei EF )V 时，ns p0p
定义费米势： F
(Ei
EF )体内 q
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kT
NA
F
kT q
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§7.2 MOSFET的阈值电压
一、MOSFET的阈值电压表达式
2.强反型条件
ns
n
0 p
e
qVs
kT
ni2
p
0 p
e qVs
kT
n e q(Vs F ) kT i
p e N e 0 q(Vs 2F ) kT p
电路符号
n沟MOSFET
耗尽型
增强型
p型 n+区 电子
>0 由D→S
VT<0
VT>0
D
D
G
BG
B
S
S
p沟MOSFET
耗尽型
增强型
n型 p+区 空穴
<0 由S→D
VT>0
VT<0
D
D
G
BG
B
S
S
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§7.2 MOSFET的阈值电压 一、MOSFET的阈值电压表达式 二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析 三、关于反型程度划分的讨论
2kT q
ln
ND ni
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§7.2 MOSFET的阈值电压
二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析
1、VDS
2、VBS
1.偏置电压的影响 234...栅功衬电函底容数杂C差质oxΦ浓m度s 的影响 5.氧化膜中电荷的影响
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Qox Cox
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