半导体器件物理5孟庆巨ppt课件

随着集成电路设计和制造技术的发展，目前大部 分超大规模集成电路都是 MOS 集成电路。在数字集 成电路，尤其是微处理机和存储器方面， MOS 集成 电路几乎占据了绝对的位置。 此外， MOS 在一些特种器件，如 CCD（电荷耦合器 件）和敏感器件方面应用广泛。
促进MOS晶体管发展主要有以下四大技术： (a)半导体表面的稳定化技术
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式中QB为强反型时表面区的耗尽层电荷密度，Cox为MIS结构 中一绝缘层为电介质的电容器上的单位面积的电容：
COX
0 Si
TOX
三、MOSFET的直流特性
1、阈值电压
• 平带电压VFB 在实际的 MOS 结构中，栅氧化层中往往存在电荷 （ Qfc ），金属 — 半导体功函数差 Vms 也不等于零 （金属和半导体的功函数的定义为真空中静止电 子的能量 E0 和费米能级之差），因此，当 VG ＝ 0 时 半导体表面能带已经发生弯曲。为使能带平直， 需加一定的外加栅压去补偿上述两种因素的影响， 这个外加栅压值称为平带电压，记为VFB
2、MIS结构
（1） 表面空间电荷层和反型层 表面空间电荷层和反型层实际上属于半导体表面 的感生电荷。 MISwk.baidu.com构上加电压后产生感生电荷的四种情况。
以P半导体的MIS结构为例。 • 当栅上加负电压，所产生的感生电荷是被吸引到表面的多子 （空穴），在半导体表面形成积累层。 • 当栅上加正电压，电场的作用使多数载流子被排斥而远离表 面，从而在表面形成由电离受主构成的空间电荷区，形成耗 尽层。此时，虽然有少子（电子）被吸引到表面，但数量很 少。这一阶段，电压的增加只是使更多的空穴被排斥走，负 空间电荷区加宽。 • 随着正电压的加大 , 负电荷区逐渐加宽，同时被吸引到表面 的电子也随着增加。当电压达到某一“阈值”时，吸引到表 面的电子浓度迅速增大，在表面形成一个电子导电层，即反 型层。反型层出现后，再增加电极上的电压，主要是反型层 中的电子增加，由电离受主构成的耗尽层电荷基本不再增加。
MOS场效应晶体管是四端器件。 D(Drain)为漏极，相当c； G(Gate)为栅极，相当b； S(Source)为源极，相当e。
B(substrate),衬底极。
通常接地，有时为了控制电流或由 于电路结构的需要，在衬底和源之 间也加一个小偏压(VBS)。 若栅极材料用金属铝，则称“铝栅”器件；
当表面势达到费米势的 两倍，表面电子的浓度正 好与体内多子空穴的浓度 相同，称为“强反型”。 此时，栅极电压 VG 称为阈 值电压VT。
VG 继续增大，耗尽层电荷 QB 和表面势 Vs ＝ VF 基本不 再变化，只有反型层载流子电荷随电压VG增加而增加。 对于表面反型层中的电子，一边是绝缘层，一边是 导带弯曲形成的一个陡坡（空间电荷区电场形成的 势垒），因此，反型层通常又称沟道。
若栅极材料用高掺杂的多晶硅，则称“硅栅”器件。目前 绝大部分芯片生产厂家是采用“硅栅”工艺。
对NMOS晶体管，源和漏是用浓度很高的N＋杂质扩散 而成。在源、漏之间是受栅电压控制的沟道区，沟 道区长度为L，宽度为W。
对于NMOS，通常漏源之间加偏压后，将电位低 的一端成为源，电位高的一端称为漏，电流方 向由漏端流向源端。
半导体器件物理_5孟庆巨
主要内容
一、MOSFET的基本结构 二、MOSFET的工作原理 三、MOSFET的直流特性曲线 四、MOSFET的种类 五、MOSFET的电容与频率特性 六、MOSFET的技术发展
场效应晶体管（Field Effect Transistor)是 一种电压控制器件，用输入电压控制输出电流 的半导体器件，仅由一种载流子参与导电。从 参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流 子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。
从场效应晶体管的结构来划分，它有三大类。 1.结型场效应晶体管JFET (Junction type Field Effect Transistor)
2.金属半导体场效应晶体管MESFET ( Metal Semiconductor Field Effect Transistor) 3.金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ）
P型半导体的表面反型层由电子构成，称为N沟道。 同理N型半导体的表面反型层由空穴构成，称为 P沟道。
（3）发生强反型时，
能带向下弯曲2qVF，即表面势达到费米势的两倍：
Vs 2VF
施加在栅电极上的电压VG为阈值电压VT：
Q 1 VT 2VF B 2VF (4 0 Si N A qVF ) 2 COX COX
（2） 形成反型层的条件 当VG较小时，表面处的能带 只是略微向下弯曲，使表面费 米能级EF更接近本征费米能级 Ei，空穴浓度减少，电子浓度 增加，但与电离受主的空间电 荷相比仍较少，可忽略。
VG 继续增大，使表面费米能级 EF与本征费米能级 Ei时，表面电 子浓度开始要超过空穴浓度， 表面将从P型转为N型，称为 “弱反型”。发生弱反型时， 电子浓度仍旧很低，并不起显 著的导电作用。
(b)各种栅绝缘膜的实用化
(c)自对准结构MOS工艺
(d) 阈值电压的控制技术
一、 MOSFET的基本结构
1、MOS场效应晶体管的结构
MOSFET 基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在 P 型半 导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两 个高掺杂的 N 型区，从 N 型区引出电极，一个是漏极 D ，一 个是源极 S 。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝 作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。
VFB Vms Q fc COX
• 阈值电压
QB VT VFB 2VF Cox
QB Vms 2VF Cox Cox Q fc
2、MOSFET的电流－电压关系
• MOSFET的放大作用：由于反型层电荷强烈地依赖于 栅压，可利用栅压控制沟道电流，实现放大作用。 • 当MOSFET沟道中有电流流过时，沿沟道方向会产生 压降，使MOS结构处于非平衡状态，N型沟道的厚度、 能带连同其费米能级沿 y 方向均随着电压的变化发 生倾斜。