第五章 2 MOSFET

当 VS = 0 ，VB = 0 时，
1 QOX VT MS K 2FP 2 2FP COX
这与前面得到的 MOS 结构的阈值电压表达式相同。
同理， P 沟 MOSFET 的阈电压为
1 QOX VT MS K 2FN 2 2FN COX
式中，
TOX
3、实际 MOS 结构当 VG = VFB 时的能带图 当 VG VFB MS
QOX 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 。
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 = 2FP 。
于是可得 N 沟 MOSFET 的阈值电压为
VT VB VFB K 2FP VS VB 2FP VS VB MS
1 QOX K 2FP VS VB 2 2FP VS COX
1 2
注意上式中，通常 VS > 0，VB < 0 。
1、阈值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 )加在源、漏及反型层的 PN 结上，使 之处于非平衡状态，EFp-EFn = q(VS -VB ) 。 c) 强反型开始时的表面势 S,inv 由 2FP 变为( 2FP + VS -VB )。
③ 饱和区
当 VDS >VD sat 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 ID sat ，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。
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。
MOS 结构的阈值电压
下面推导 P 型衬底 MOS 结构的阈值电压 。
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
b) 衬底费米势 FB
TOX
OX
QOX
TOX
OX
QAD 2FB
FB
kT N A FP ln 0 ( N 沟) q ni
FN
kT N D ln 0 ( P 沟) q ni
FB 与掺杂浓度有关，但影响不大。室温下，当掺杂浓度为
1015 cm-3 时， FB 约为 0.3 V 。
QM QS Q 和 Q 分别代表金属一侧的 , M S 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
上式中， VOX
QA 与反型层电荷 Qn 之和。 QM Qn
QA
作为近似，在刚开始强反型时，可忽略 Qn 。QA 是 S 的
函数，在开始发生强反型时，QA ( S ) = QA ( 2FP ) ，故得：
因此 MOSFET 的阈值电压一般表达式为
QA S,inv VT VB VFB S,inv COX
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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
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)
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QAD
QD qN D xd ( 4qN D sFN ) 0, ( P 沟)
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 沟相反。 (3) 沟道中的可动载流子为空穴。 (4) VT < 0 时称为增强型（常关型），VT > 0 时称为耗尽型 （常开型）。
VOX
再将 VFB MS
QA 2FP COX
QOX 和上式代入 VT = VFB + VOX + 2FP COX
中，可得 MOS 结构的阈电压为
VT MS
QOX QA 2FP 2FP COX COX
关于 QA 的进一步推导在以后进行。
MOSFET 的阈值电压
FN
1 kT N D ( Ei EFn ) ln 0 q q ni
称为 N 型衬底的费米势。 FN 与 FP 可以统一写为 FB ，代表 衬底费米势。
2q N D s K
COX
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2、影响阈值电压的因素 当 VS = 0 ，VB = 0 时 ，N 沟道与 P 沟道 MOSFET 的阈值电 压可统一写为
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 当 VDS 很小时，沟道就象一个阻值与 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。
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。
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 的典型值为 150 nm ，目前高性能 MOSFET 的 TOX 可达 10 nm 以下。
VT MS
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
QOX qS qMS q COX
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 。COX 代表单位面积的栅氧化
层电容， COX
OX ，T 代表栅氧化层厚度。 OX
和 P 沟道器件。
MOSFET 基础
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 。
以 N 沟道 MOSFET 为例，
1 2
由于 FB 与掺杂浓度 N 的关系不大，故可近似地得到
QAD N
1 2
VT MS
TOX
OX
QOX
TOX
OX
QAD 2FB
e) 栅氧化层中的电荷面密度 QOX
QOX 与制造工艺及晶向有关。MOSFET 一般采用（100）
晶面，并在工艺中注意尽量减小 QOX 的引入。在一般工艺条件
下，当 TOX = 150 nm 时，
QOX 1.8V ~ 3.0 V COX
调整阈值电压主要是通过改变掺杂浓度 N（例如离子注入）
和改变栅氧化层厚度 TOX 来实现。
3、衬底偏置效应（体效应） 当 VS = 0 时，可将源极作为电位参考点，这时 VG = 置效应：VT 随 VBS 的变化而变化。 对于 N 沟道 MOSFET ，
变化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 的不同之处仅在于，JFET 是利用 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。 根据沟道导电类型的不同，每类 FET 又可分为 N 沟道器件
P 型衬底
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。 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。
2q NA s (2FP VS VB )
1 2
1 2
1 1 QA S,inv 2q N A s 2FP VS VB 2 K 2FP VS VB 2 COX COX
式中， K
2q N A s
COX
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，称为 体因子。
绝缘栅场效应晶体管
绝缘栅场效应晶体管
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。这种器件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；