第6章 MOS场效应晶体管-微电子器件基础教程-郭业才-清华大学出版社
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微电子学概论-ch2MOS场效应晶体管
P
N沟道
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表面空间电荷层和反型层
VG<0
VG<0
－－－－－－－－
－－－－－－－－
P
P
多子被吸引表面
半导体内的变化并不显著
上一页 下一页
OUTLINE
结型场效应晶体管 MIS结构 MOS电容结构 MOSFET
上一页 下一页
电容的含义
•平行板电容器 电容C定义为： C Q A
间被夹断，这时，即
使USD 0V，漏极 D ID
电流ID=0A。
P
G NN
UGS S
USD
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USD 对导电性能的影响
越靠近漏端，PN
结反压越大
G
UGS<VT且USD>0、UGD<VT时 耗尽区的形状
D ID
P
USD
NN
UGS S
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沟道中仍是电阻 特性，但是是非 线性电阻。
上一页 下一页
小结：MOS
• 沟道区(Channel)，沟道长度L • 栅极(Gate) • 源区/源极(Source) • 漏区/漏极(Drain) • NMOS、PMOS、CMOS • 阈值电压Vt，击穿电压 • 特性曲线、转移特性曲线 • 泄漏电流(截止电流)、驱动电流(导通电流)
上一页 下一页
G
D ID P
NN
UGS S
USD=0V时 USD
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UGS越大耗尽区越宽，
沟道越窄，电阻越大。 D
但区当宽度UG有S较限小U，D时存S=，在0V耗导时尽
电沟道。DS间相当于 线I性D 电阻。
P
USD
G NN
N沟道
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表面空间电荷层和反型层
VG<0
VG<0
－－－－－－－－
－－－－－－－－
P
P
多子被吸引表面
半导体内的变化并不显著
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OUTLINE
结型场效应晶体管 MIS结构 MOS电容结构 MOSFET
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电容的含义
•平行板电容器 电容C定义为： C Q A
间被夹断，这时，即
使USD 0V，漏极 D ID
电流ID=0A。
P
G NN
UGS S
USD
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USD 对导电性能的影响
越靠近漏端，PN
结反压越大
G
UGS<VT且USD>0、UGD<VT时 耗尽区的形状
D ID
P
USD
NN
UGS S
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沟道中仍是电阻 特性，但是是非 线性电阻。
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小结：MOS
• 沟道区(Channel)，沟道长度L • 栅极(Gate) • 源区/源极(Source) • 漏区/漏极(Drain) • NMOS、PMOS、CMOS • 阈值电压Vt，击穿电压 • 特性曲线、转移特性曲线 • 泄漏电流(截止电流)、驱动电流(导通电流)
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G
D ID P
NN
UGS S
USD=0V时 USD
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UGS越大耗尽区越宽，
沟道越窄，电阻越大。 D
但区当宽度UG有S较限小U，D时存S=，在0V耗导时尽
电沟道。DS间相当于 线I性D 电阻。
P
USD
G NN
第六章-MOSFET
微电子器件与IC设计
第六章 MOSFET
MOS场效应晶体管
1
引言 一、FET(Field-Effect Transistor)
二、场效应器件类型: 场效应晶体管
结型场效应 晶体管 （JFET）
Junction FET
金属－半导体场 效应晶体管 （MESFET）
Metal-Semiconductor
反型、形成导电沟道时的 栅源电压, 以VT表示
VT VOX VS VFB
VOX : 栅电压VG 降落在 SiO2 绝缘层上的部分 S VS : 栅电压VG 降落在半导体表面的部分 VFB : 平带电压
D G
P-Si 衬底
Eds Ids
30
6.3 MOSFET的阈值电压
6.3.2 平带电压 实际MOS结构: 1、金半的接触电势差 Vms 0 2、二氧化硅绝缘层电荷 Qox 0
COX
COX
COX
OX 0
tOX
栅 电 极
栅 氧 化 层
P型半导体
QG
QO
X
QB Qn
栅氧化 层厚度
35
6.3 MOSFET的阈值电压 6.3.4 理想状态MOSFET的阈值电压
VG Vox VS
VS
2 F
2kT ln q
NA ni
1
VT
QBmax Cox
2F
2 qN A 2F
Cox
D G
S VDS<0
转移特性
输出特性
ID +
VT VGS
-
0
+
VT<0
0
ID
VT>0
VT
VGS
-
第六章 MOSFET
MOS场效应晶体管
1
引言 一、FET(Field-Effect Transistor)
二、场效应器件类型: 场效应晶体管
结型场效应 晶体管 （JFET）
Junction FET
金属－半导体场 效应晶体管 （MESFET）
Metal-Semiconductor
反型、形成导电沟道时的 栅源电压, 以VT表示
VT VOX VS VFB
VOX : 栅电压VG 降落在 SiO2 绝缘层上的部分 S VS : 栅电压VG 降落在半导体表面的部分 VFB : 平带电压
D G
P-Si 衬底
Eds Ids
30
6.3 MOSFET的阈值电压
6.3.2 平带电压 实际MOS结构: 1、金半的接触电势差 Vms 0 2、二氧化硅绝缘层电荷 Qox 0
COX
COX
COX
OX 0
tOX
栅 电 极
栅 氧 化 层
P型半导体
QG
QO
X
QB Qn
栅氧化 层厚度
35
6.3 MOSFET的阈值电压 6.3.4 理想状态MOSFET的阈值电压
VG Vox VS
VS
2 F
2kT ln q
NA ni
1
VT
QBmax Cox
2F
2 qN A 2F
Cox
D G
S VDS<0
转移特性
输出特性
ID +
VT VGS
-
0
+
VT<0
0
ID
VT>0
VT
VGS
-
《MOS场效应晶体管》课件
MOS场效应晶体管的制造工艺
1
制造工艺流程
MOS场效应晶体管的制造过程包括晶圆加工、掺杂、薄膜沉积、光刻和封装等 关键步骤。
2
生产中的注意事项
在MOS场效应晶体管的生产过程中，需要注意材料的纯净度、工艺参数的控制 和设备的精确性，以确保器件的质量和性能。
结束
感谢您的聆听，希望这份课件能够帮助您更好地理解MOS场效应晶体管的重 要性和应用，欢迎进一步探索和学习更多相关知识。
原则和优缺点
两种类型的MOS场效应晶体管在特性、工作模式和应用上存在一些原则和优缺点，需要根 据具体需求选择合适的类型。
MOS场效应晶体管的应用
应用领域
MOS场效应晶体管广泛应用于集成电路、通信、计 算机、消费电子等领域，是现代电子技术的重要组 成部分。
电路中的应用
MOS场效应晶体管在逻辑门、放大器、模拟电路和 功率电子等电路中发挥关键作用，满足不同应用的 要求。
MOS场效应晶体管的特性和工作原理
1 主要特性
2 工作原理
MOS场效应晶体管场效应晶体管通过控制栅极电压来调节 电流，实现信号的放大、开关和调制等功能。
MOS场效应晶体管的分类
分类介绍
MOS场效应晶体管根据栅极与通道之间的结构和电荷输运机制进行分类，主要包括增强型 和耗尽型。
《MOS场效应晶体管》课 件
通过这份课件，您将了解到有关MOS场效应晶体管的重要概念、特性、应用 及制造工艺，欢迎加入我们的学习之旅！
MOS场效应晶体管简介
MOS场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)是一种关键的电子器件，广泛应用于现 代半导体技术中。它由金属、氧化物和半导体材料构成，具有卓越的电子控制能力。
MOS场效应晶体管课件
形，如图6.2 。
必须指出，上述讨论未考虑到反型层中的电子是哪 里来的。若该MOS电容是一个孤立的电容，这些电子只 能依靠共价键的分解来提供，它是一个慢过程，ms级。
2023/12/22
15
MOS电容—测量
若测量电容的方法是逐点测量法—一种慢进 程，那么将测量到这种凹谷曲线。
① ⑤
②
③
④
图 5.2
区，栅极与源极扩散区都存
在着某些交迭，故客观上存
在着Cgs和Cgd。当然，引出 线之间还有杂散电容，可
以计入Cgs和Cgd。
图 5.3
2023/12/22
18
MOS电容的计算
Cg、Cd的值还与所加的电压有关:
1）若Vgs<VT，沟道未建立，MOS管漏源沟道不通。 MOS电容 C = Cox，但C 对Cd无贡献。
2023/12/22
16
MOS电容凹谷特性测量
若测量电容采用高频方法，譬如，扫频方法， 电压变化很快。共价键就来不及瓦解，反型层就 无法及时形成，于是，电容曲线就回到Cox值。 然而，在大部分场合，MOS电容与n+区接在一 起，有大量的电子来源，反型层可以很快形成， 故不论测量频率多高，电压变化多快，电容曲线 都呈凹谷形。
2023/12/22
6
MOSFET特性曲线
在非饱和区 Ids Vds C a1Vgs b1 线性工作区
在饱和区 Ids a2 Vgs VT 2
(Ids 与 Vds无关) . MOSFET是平方律器件!
Ids
饱和区
线性区
击穿区
0
2023/2 MOSFET电容的组成
的二倍。它不仅抵消了空穴，成为本征半导体，而
且在形成的反型层中，电子浓度已达到原先的空穴 浓度这样的反型层就是强反型层。显然，耗尽层厚 度不再增加，CSi也不再减小。这样，
必须指出，上述讨论未考虑到反型层中的电子是哪 里来的。若该MOS电容是一个孤立的电容，这些电子只 能依靠共价键的分解来提供，它是一个慢过程，ms级。
2023/12/22
15
MOS电容—测量
若测量电容的方法是逐点测量法—一种慢进 程，那么将测量到这种凹谷曲线。
① ⑤
②
③
④
图 5.2
区，栅极与源极扩散区都存
在着某些交迭，故客观上存
在着Cgs和Cgd。当然，引出 线之间还有杂散电容，可
以计入Cgs和Cgd。
图 5.3
2023/12/22
18
MOS电容的计算
Cg、Cd的值还与所加的电压有关:
1）若Vgs<VT，沟道未建立，MOS管漏源沟道不通。 MOS电容 C = Cox，但C 对Cd无贡献。
2023/12/22
16
MOS电容凹谷特性测量
若测量电容采用高频方法，譬如，扫频方法， 电压变化很快。共价键就来不及瓦解，反型层就 无法及时形成，于是，电容曲线就回到Cox值。 然而，在大部分场合，MOS电容与n+区接在一 起，有大量的电子来源，反型层可以很快形成， 故不论测量频率多高，电压变化多快，电容曲线 都呈凹谷形。
2023/12/22
6
MOSFET特性曲线
在非饱和区 Ids Vds C a1Vgs b1 线性工作区
在饱和区 Ids a2 Vgs VT 2
(Ids 与 Vds无关) . MOSFET是平方律器件!
Ids
饱和区
线性区
击穿区
0
2023/2 MOSFET电容的组成
的二倍。它不仅抵消了空穴，成为本征半导体，而
且在形成的反型层中，电子浓度已达到原先的空穴 浓度这样的反型层就是强反型层。显然，耗尽层厚 度不再增加，CSi也不再减小。这样，
清华大学微电子器件与电路课件——张进宇ch061
ID
VDS =常数
左图： n沟MOSFET 的ID~VGS特性曲线
0 VT
VGS
7
6.1.2 MOSFET的工作模式
图6.3 n沟MOSFET 的电流-电压 (VDS)特性曲线
图中给出了不 同VGS下器件的 漏极电流ID 随 漏源电压VDS的 变化关系
该器件的阈值 电压VT =0.5V
8
6.1.2 MOSFET的工作模式 ✓ 当VGS >VT且VDS >VGSVT 时，n沟MOSFET处于饱 和区，其漏极电流不随漏源电压发生变化，此时，可 以证明：
6.1.1 MOSFET的基本工作原理
如图6.2所示，当栅极外加一个正电压VGS，此栅电压 将在栅极氧化层中建立一个纵向电场，该电场还将进 一步穿过氧化层进入硅衬底。只要该电场足够强，就 会在硅衬底表面感应形成一层电子导电层，这层电子 导电层通常称为反型层，有时也称为沟道区。
当源漏两端有外加电压VDS时，沟道区中就会有漏极 电流流过。这个漏极电流是和反型层中的电荷数有关， 即为纵向电场的函数。
ox—氧化层的
介电常数
在实际的MOSFET中，栅极材料往往是重掺杂的多晶硅
12
6.2.1 能带图与电荷分布 6.2.1 能带图与电荷分布 首先，我们可以采用平行板电容器来类比MOS电容：
图6.6a
13
6.2.1 能带图与电荷分布
当我们在上电极外加负电压时，上电极出现负电荷， 而下电极则出现正电荷，单位面积电容为：
17
6.2.1 能带图与电荷分布 图6.7b 外加电场将半导体材料中的多数载流子空穴 排斥到体内之后，留下了由离化受主固定负电荷形 成的空间电荷区。同样外加电场也会在半导体材料 内部有一定的穿透深度（即空间电荷区厚度xd）， 在空间电荷区之外，电场将下降为零。
MOS场效应晶体管
MOS场效应晶体管 §2.3 MOS场效应晶体管
分类
Junction type Field Effect Transistor
场 效 应 管
结型场效应三极管JFET 结型场效应三极管
N沟道 沟道 P沟道 沟道
绝缘栅型场效应三极管IGFET 绝缘栅型场效应三极管 Insulated Gate Field Effect Transistor
特性曲线
vG S 2 i D = I D SS (1 ) VP
vGD = vGS - vDS = VP
(a) N沟道结型 沟道结型FET 沟道结型 输出特性曲线
(b) N沟道结型 沟道结型FET 沟道结型 转移特性曲线
各类场效应三极管的特性曲线
N 沟 道 增 强 型 P 沟 道 增 强 型
绝 缘 栅 场 效 应 管
漏源电压对沟道的控制作用
出现预夹断后， 漏电流I 也增大。此时由于存在沟道电阻， 继续增大时，夹断长度会自上向 出现预夹断后 ， 当 VDS 继续增大时 此时由于存在沟道电阻 ， 当 VGS=0,VDS增大时 ， 漏电流 D也增大 。，时，d端 继续增大到使V -V漏电流I 端 当V增大时， 继续增大到使VGS，漏电流 =0 DS V =0,V =0时 端与栅极间的反压最高， DS=VP 当 GS 时 端与栅极间的反压最高，沿着 将使沟道内电位分布不均匀，其中d端与栅极间的反压最高 将使沟道内电位分布不均匀，其中 下延伸， 下延伸 ， 但从源极到夹断处的沟道上沟道电场基本不 DS D 附近的沟道被夹断，这称为“ 附近的沟道被夹断，这称为“预夹 沟道向下逐渐降低，源端最低，从而使耗尽层成楔形分布。 沟道向下逐渐降低，源端最低DS增加而上升，趋于饱和值。 变化， 基本不随V 增加而上升，趋于饱和值。 随VDS变化，ID基本不随V ，从而使耗尽层成楔形分布。 断”。
分类
Junction type Field Effect Transistor
场 效 应 管
结型场效应三极管JFET 结型场效应三极管
N沟道 沟道 P沟道 沟道
绝缘栅型场效应三极管IGFET 绝缘栅型场效应三极管 Insulated Gate Field Effect Transistor
特性曲线
vG S 2 i D = I D SS (1 ) VP
vGD = vGS - vDS = VP
(a) N沟道结型 沟道结型FET 沟道结型 输出特性曲线
(b) N沟道结型 沟道结型FET 沟道结型 转移特性曲线
各类场效应三极管的特性曲线
N 沟 道 增 强 型 P 沟 道 增 强 型
绝 缘 栅 场 效 应 管
漏源电压对沟道的控制作用
出现预夹断后， 漏电流I 也增大。此时由于存在沟道电阻， 继续增大时，夹断长度会自上向 出现预夹断后 ， 当 VDS 继续增大时 此时由于存在沟道电阻 ， 当 VGS=0,VDS增大时 ， 漏电流 D也增大 。，时，d端 继续增大到使V -V漏电流I 端 当V增大时， 继续增大到使VGS，漏电流 =0 DS V =0,V =0时 端与栅极间的反压最高， DS=VP 当 GS 时 端与栅极间的反压最高，沿着 将使沟道内电位分布不均匀，其中d端与栅极间的反压最高 将使沟道内电位分布不均匀，其中 下延伸， 下延伸 ， 但从源极到夹断处的沟道上沟道电场基本不 DS D 附近的沟道被夹断，这称为“ 附近的沟道被夹断，这称为“预夹 沟道向下逐渐降低，源端最低，从而使耗尽层成楔形分布。 沟道向下逐渐降低，源端最低DS增加而上升，趋于饱和值。 变化， 基本不随V 增加而上升，趋于饱和值。 随VDS变化，ID基本不随V ，从而使耗尽层成楔形分布。 断”。
第六章 MOSFET
D S G
26
6.2.2、MOSFET的基本类型
2种分类方法：
沟道中导电的 载流子类型 N沟道 （P型衬底） P沟道 （N型衬底） 强反型时，导电沟道中 的电子漂移运动形成电 流 强反型时，导电沟道中 的空穴漂移运动形成电 流 VG＝0时，无导电沟道 VG＝0时，有导电沟道 耗尽型 增强型 Enhancement mode
电路符号
G
D B S G
D B S G
D B S G
D
B S
28
*耗尽型的阈值电压指沟道消失时的VGS
6.2 MOSFET的基本结构及工作原理 6.2.3、 MOSFET的基本工作原理
29
6.2 MOSFET的基本结构及工作原理 6.2.3、 MOSFET的基本工作原理
基于“表面场效应”原理。 在垂直于半导体表面的电场作用下，半导体表面层中的 载流子浓度发生变化，导致表面层导电能力的改变。
(导电沟道是反型层，故与衬底的类型是相反的)
增强型
VGS＝0时，是 否有导电沟道
共有四种类型
耗尽型 Depletion mode
27
6.2.2、MOSFET的类型
类型 衬底 S、D区 沟道载流子 VDS IDS方向 VT N沟道MOSFET 耗尽型 增强型 P型 n＋ 电子 >0 DS <0 >0 P沟道MOSFET 耗尽型 增强型 N型 p＋ 空穴 <0 SD >0 <0
理想MOS 施加偏压后的几种表面状态
9
*强反型：半导体表面积累的少子浓度等于甚至超过
体内多子浓度的状态
ns p p 0 EF Eis qV ns ni exp s kT Eis Eip EF p p 0 ni exp kT EF Eis Eip EF
微电子元器件第六章场效应晶体管PPT文档共87页
33、如果惧怕前面跌宕的山岩，生命 就永远 只能是 死水一 潭。 34、当你眼泪忍不住要流出来的时候 ，睁大 眼睛， 千万别 眨眼!你会看到 世界由 清晰变 模糊的 盐 。注定 要融化 的，也 许是用 眼泪的 方式。
35、不要以为自己成功一次就可以了 ，也不 要以为 过去的 光荣可 以被永 远肯定 。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
微电子元器件第六章场效应 晶体管
31、别人笑我太疯癫，我笑他人看不 穿。(名 言网) 32、我不想听失意者的哭泣，抱怨者 的牢骚 ，这是 羊群中 的瘟疫 ，我不 能被它 传染。 我要尽 量避免 绝望， 辛勤耕 耘，忍 受苦楚 。我一 试再试 ，争取 每天的 成功， 避免以 失败收 常在别 人停滞 不前时 ，我继 续拼搏 。
35、不要以为自己成功一次就可以了 ，也不 要以为 过去的 光荣可 以被永 远肯定 。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
微电子元器件第六章场效应 晶体管
31、别人笑我太疯癫，我笑他人看不 穿。(名 言网) 32、我不想听失意者的哭泣，抱怨者 的牢骚 ，这是 羊群中 的瘟疫 ，我不 能被它 传染。 我要尽 量避免 绝望， 辛勤耕 耘，忍 受苦楚 。我一 试再试 ，争取 每天的 成功， 避免以 失败收 常在别 人停滞 不前时 ，我继 续拼搏 。
Lecture26 第六章 MOS场效应晶体管精选PPT课件
由：
y
dV dy
IDZnQIy
Q I C 0(V G V T H V (y))
ID d y Zn C 0 (V G V T H V )d V (6-5-3)
（y→(0, L); V →(0, VD)）积分，得：
IDC0nZ L(VGVTH )VDV 2D 2
(6-5-4)
漏电流方程，称为萨支唐(Sah)方程。是描述MOSFET非饱和 区直流特性的基本方程。
由于沟道内载流子分布均匀，不存在浓度梯度，沟道电流只含 电场作用的漂移项，且漂移电流为电子电流：
j(x,y)yqnn (x,y)y IDZ0xIqnn(x,y)ydx
y dV/dy与x无关
ID Zq nd d V y0 xIn(x,y)dx ZnQ I y
(6-5-2)
Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province
结构说明：
是四端器件，氧化物栅的金属电极是栅极。通常把源和漏下 方称为场区，而把栅极下区域称为有源区。 器件的基本参数是沟道长度L（两个PN+结之间的距离），沟 道宽度Z，氧化层厚度x0，结深xj，以及衬底掺杂浓度Na等。
Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province
Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province
半导体物理器件6
去功函数差所带来的影响，就必须在金属电极上加一负电压。
VG1
' ms
m'
' s
（6-56）
这个电压一部分用来拉平二氧化硅的能带，一部分用来拉平半导体的能
带，使 S 0。因此称其为平带电压。
MOS场效应晶体管
6.4 实际MOS的电容－电压特性
6.4.1 功函数差的影响
MOS场效应晶体管
QI －反型层中单位面积下的可动电荷，即沟道电荷：
QI
xI 0
qnI
x dx
（6-21） （6-52）
MOS场效应晶体管
6.1理想MOS结构的表面空间电荷区
● 学习要求
了解理想结构基本假设及其意义。 掌握载流子积累、耗尽和反型和强反型的概念。 正确画出流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况的能带图。 掌握反型和强反型条件。
6.4 实际MOS的电容－电压特性
6.4.1 功函数差的影响
在室温下，硅的修正功函数：
s'
3.25
1.1 2
f
3.8 f
V
（6-57）
VG VG1 起着有效电压的作用。实际系统的电容C作为 VG VG1 的 函数，与理想MOS系统C的作为 VG 的函数，在形式上应该是一样的。
MOS场效应晶体管
6.1理想MOS结构的表面空间电荷区
2、半导体表面空间电荷区
每个极板上的感应电荷与电场之间满足如下关系
QM QS k00E0 kS0ES （6-1）
式中 0 －自由空间的电容率
k 0 －氧化物的介电常数
ES －半导体表面的电场
VG1
' ms
m'
' s
（6-56）
这个电压一部分用来拉平二氧化硅的能带，一部分用来拉平半导体的能
带，使 S 0。因此称其为平带电压。
MOS场效应晶体管
6.4 实际MOS的电容－电压特性
6.4.1 功函数差的影响
MOS场效应晶体管
QI －反型层中单位面积下的可动电荷，即沟道电荷：
QI
xI 0
qnI
x dx
（6-21） （6-52）
MOS场效应晶体管
6.1理想MOS结构的表面空间电荷区
● 学习要求
了解理想结构基本假设及其意义。 掌握载流子积累、耗尽和反型和强反型的概念。 正确画出流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况的能带图。 掌握反型和强反型条件。
6.4 实际MOS的电容－电压特性
6.4.1 功函数差的影响
在室温下，硅的修正功函数：
s'
3.25
1.1 2
f
3.8 f
V
（6-57）
VG VG1 起着有效电压的作用。实际系统的电容C作为 VG VG1 的 函数，与理想MOS系统C的作为 VG 的函数，在形式上应该是一样的。
MOS场效应晶体管
6.1理想MOS结构的表面空间电荷区
2、半导体表面空间电荷区
每个极板上的感应电荷与电场之间满足如下关系
QM QS k00E0 kS0ES （6-1）
式中 0 －自由空间的电容率
k 0 －氧化物的介电常数
ES －半导体表面的电场
教案-微电子器件基础教程-郭业才-清华大学出版社
流电流增益及其影响因素，理解晶体管反向直流参
数（反向电流、击穿电压、穿通电压、基极电阻）
及其影响因素。
3. 理 解 共 基 与 共 射 晶 体 管 直 流 特 性 曲 线 特 征
及共射极理想与非理想输出曲线的特征。
1. 理 解 交 流 小 信 号 概 念 及 晶 体 管 交 流 小 信 号
传输过程。
质 浓 度 的 变 化 关 系 ，费 米 能 级 对 载 流 子 浓 度 的 影 响 。
5. 了 解 简 并 与 非 简 并 半 导 体 的 特 点 ，会 分 析 简
并半导体中载流子浓度。
1．理 解 漂 移 、扩 散 、复 合 、产 生 、热 电 子 发 射 、
隧 穿 (又 称 穿 透 )及 强 电 场 效 应 等 现 象 。
2. 熟 练 掌 握 利 用 晶 体 管 交 流 小 信 号 模 型 等 效
电路分析交流小信号传输延迟的方法，会计算延迟
时间、发射效率、基区输运系数、集电结势垒区输
运系数、电流放大系数。
8-12
3. 理 解 截 止 频 率 、特 征 频 率 与 工 作 频 率 的 关 系
及高功率增益与最高振荡频率的关系，分析了晶体
压的影响。
1. 了 解 半 导 体 异 质 结 结 构 、分 类 与 能 带 图 ，理 解异质结晶格失配、异质结的伏安特性
2. 理 解 异 质 结 双 极 型 晶 体 管 的 结 构 与 特 性 ，包
括宽带隙发射区、缓变基区、宽带隙集电区及增益
特性和频率特性。
4-6
3. 了解 GaAs MESFET 器 件 结 构 、 工 作 原 理 和 理 论 模 型 ；以 及 高 电 子 迁 移 率 晶 体 管 的 量 子 阱 结 构 、
MOS场效应晶体管ppt课件
MOS 场效应晶体管基本结构示意图
16
2. MOS管的基本工作原理
MOS 场效应晶体管的工作原理示意图
17
4.2.2 MOS 场效应晶体管的转移特性
MOS 场效应晶体管可分为以下四种类型:N沟增强型、 N沟耗尽型、P沟增强型、P沟耗尽型。 1. N沟增强型MOS管及转移特性
18
2. N沟耗尽型MOS管及转移特性 3.P沟增强型MOS管及转移特性
理想 MOS 二极管不同 偏压下的能带图及 电荷分布
a) 积累现象 b) 耗尽现象 c) 反型现象
3
2.表面势与表面耗尽区 下图给出了P型半导体MOS结构在栅极电压UG>>0情况 下更为详细的能带图。
4
在下面的讨论中，定义与费米能级相对应的费米势为
F
(Ei
EF )体内 q
因此，对于P型半导体， F
如图所示，当漏源电压UDS增高到某一值时，漏源电流 就会突然增大，输出特性曲线向上翘起而进入击穿区。 关于击穿原因，可用两种不同的击穿机理进行解释：漏 区与衬底之间PN结的雪崩击穿和漏-源之间的穿通。
41
1. 漏区-衬底之间的PN结击穿 在MOS晶体管结构中，栅极金属有一部分要覆盖在漏极上。 由于金属栅的电压一般低于漏区的电位，这就在金属栅极 与漏区之间形成附加电场，这个电场使栅极下面PN结的耗 尽区电场增大，如下图，因而使漏源耐压大大降低。
a) N 沟 MOS b) P 沟 MOS
29
3. 衬底杂质浓度的影响
衬底杂质浓度对阀值电压的影响
30
4. 功函数差的影响
功函数差也将随衬底杂质浓度的变化而变化。但实验证明， 该变化的范围并不大。 从阀值电压的表示式可知，功函数越大，阀值电压越高。 为降低阀值电压，应选择功函数差较低的材料，如掺杂多 晶体硅作栅电极。
16
2. MOS管的基本工作原理
MOS 场效应晶体管的工作原理示意图
17
4.2.2 MOS 场效应晶体管的转移特性
MOS 场效应晶体管可分为以下四种类型:N沟增强型、 N沟耗尽型、P沟增强型、P沟耗尽型。 1. N沟增强型MOS管及转移特性
18
2. N沟耗尽型MOS管及转移特性 3.P沟增强型MOS管及转移特性
理想 MOS 二极管不同 偏压下的能带图及 电荷分布
a) 积累现象 b) 耗尽现象 c) 反型现象
3
2.表面势与表面耗尽区 下图给出了P型半导体MOS结构在栅极电压UG>>0情况 下更为详细的能带图。
4
在下面的讨论中，定义与费米能级相对应的费米势为
F
(Ei
EF )体内 q
因此，对于P型半导体， F
如图所示，当漏源电压UDS增高到某一值时，漏源电流 就会突然增大，输出特性曲线向上翘起而进入击穿区。 关于击穿原因，可用两种不同的击穿机理进行解释：漏 区与衬底之间PN结的雪崩击穿和漏-源之间的穿通。
41
1. 漏区-衬底之间的PN结击穿 在MOS晶体管结构中，栅极金属有一部分要覆盖在漏极上。 由于金属栅的电压一般低于漏区的电位，这就在金属栅极 与漏区之间形成附加电场，这个电场使栅极下面PN结的耗 尽区电场增大，如下图，因而使漏源耐压大大降低。
a) N 沟 MOS b) P 沟 MOS
29
3. 衬底杂质浓度的影响
衬底杂质浓度对阀值电压的影响
30
4. 功函数差的影响
功函数差也将随衬底杂质浓度的变化而变化。但实验证明， 该变化的范围并不大。 从阀值电压的表示式可知，功函数越大，阀值电压越高。 为降低阀值电压，应选择功函数差较低的材料，如掺杂多 晶体硅作栅电极。
《MOS场效应管》课件
五、MOSFET的应用
MOSFET的基本应用
MOSFET广泛应用于放大器、开关电路、电 源管理和通信系统等领域。
MOSFET的开关电路
MOSFET用作开关可以实现快速开关和低功 耗。
MOSFET的功率放OSFET的数字电路
MOSFET可用于构建各种数字电路，如逻辑 门、存储器和微处理器。
2
MOSFET的特性曲线
特性曲线展示了MOSFET的电流和电压之间的关系，包括输出特性和传输特性等。
3
MOSFET的工作点计算
工作点计算帮助确定MOSFET的偏置电压和工作状态，以实现所需的电流和增益。
4
MOSFET的失真
失真是指MOSFET输出信号与输入信号之间的扭曲。了解失真有助于设计更稳定的电 路。
MOSFET是现代电子技术中的关键器件，推动了电子产品的发展和进步。
MOSFET的应用前景
MOSFET的应用前景广阔，将在各个领域继续发挥重要作用。
MOSFET的未来发展
MOSFET将不断追求更高的性能和更多的应用，拓展其未来的发展空间。
六、MOSFET的优缺点
MOSFET的优点
MOSFET具有高输入电阻、 低噪音、低功耗和快速响应 等优点。
MOSFET的缺点
MOSFET的缺点包括漏电流、 电压依赖性和温度特性等。
MOSFET与BJT比较
MOSFET与双极性晶体管 (BJT)相比，具有更高的输入 阻抗和更好的高频性能。
七、MOSFET的未来发展
MOSFET的种类
常见的MOSFET包括N沟道MOSFET和P沟道MOSFET，它们的工作原理和特性略有不同。
二、MOSFET的基本结构
MOSFET的结构图
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Mg Ni Pb Pd Pt PtSi
W
-
-
0.67~ 0.70 -
0.40 ~0.79
-
0.71
-
0.90
-
0.85
-
0.66
-
SiC
GaP
2.0 1.95 -
1.05 1.20
1.30 1.20 1.40 -
-
GaAs
ZnS
0.8 0.88
0.90 0.82
-
-
0.86 -
0.8 1.65 2.0 1.75 0.82
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第 六 章
M O S 场 效 应 晶 体 管
6.1 金属与半导体接触 6.2 MOS结构及其性质 6.3 MOSFET结构及工作原理 6.4 MOSFET阈值电压 6.5 MOSFET直流特性 6.6 MOSFET击穿特性 6.7 MOSFET亚阈特性 6.8 MOSFET小信号特性 6.9 MOSFET开关特性 6.10 沟道变化效应
N型半导体的掺杂浓度较低，故空间电荷区主要在半导体一边。 在空间电荷区，能带向上弯曲。这种电子的流动一直持续到金 属与半导体的费米达到一致，电子的能量分布再次达到平衡。 其结果，对于金属中的电子来说产生了高度为 q(m ) 的势垒， 相当于金属中的电子跳到导带所需的最低能量，即为肖特基势
垒(Schottky barrier)；若以sb 表示肖特基势垒的接触势，则
6.2.1 理想MOS结构与基本性质
理想 MOS 二极管不同 偏压下的能带图及 电荷分布
a) 积累现象 b) 耗尽现象 c) 反型现象
13
6.2 MOS结构及其性质
6.2.1 理想MOS结构与基本性质
2.表面势与表面耗尽区 下图给出了P型半导体MOS结构在栅极电压UG>>0情
况下更为详细的能带图。
MOS 二极管结构 a) 透视图 b) 剖面图
6.2 MOS结构及其性质
6.2.1 理想MOS结构与基本性质
1.理想MOS二极管的定义与能带 在外加零偏压时，金属功函数与半导体函数之间没有能量差，或
两者的功函数差 qms 为零
qms
(qm
qs )
qm
(q
Eg 2
qF ) 0
UG=0 时理想 MOS 二极管的能带图
6.1 金属与半导体接触
热电子发射:金属中的电子可以依靠运动的能量逸出金
属。
光电子发射(外光电子效应): 依靠光的能量放出电 子。
对于金属与真空的界面，设金属中的电子逸出到真
空所需要的最低能量为 qm 并称为金属功函数(常简称
为功函数m，二者单位不同)；同理，以qs表示半导体
的功函数，是半导体费米能级与真空能级能量E0之差。
第6章 MOS场效应晶体管
2
6.1 金属与半导体接触
6.1.1 金属与半导体接触(欧姆接触 )
欧姆接触:半导体器件及集成电路的制作。 整流接触(肖特基势垒结 ):点接触二极管或肖特 基二极管。 究竟何种接触?:取决于两种材料的功函数之差、 半导体的电子亲和势、半导体的表面态密度以及掺 杂浓度等因素。半导体器件及集成电路的制作。
能带将向下弯曲，它对于金属一侧的电子和半导体一侧的电子 都不存在事实上的势垒，从而形成欧姆接触。
对于N(P)型半导体，其能带会在界面处向上(下)弯曲，对 电子(空穴)形成势垒。
半导体
Si
Ge
电极金属
Al
0.5 ~ 0.7
0.48
Ag
0.56 ~ 0.79
-
Au
0.81
0.45
Cu
0.69 ~0.79 0.48
sb m
6.1 金属与半导体接触
对N型半导体中的电子而言，产生的势垒为 qms ,ms为
金属半导体的接触电势，即
ms m s
这和PN结的接触电势的意义相同，但一般金属-半导体的 接触电势要比PN结的低。当外加偏压的极性变化时，流过结区 的电流大小将不同，从形成所谓的整流接触。
相反，从理论上而言，若 m s ，其界面初半导体
-
1.87
1.84 -
ZnSe
-
1.36 1.10 0.70
-
1.40
-
CdS
欧姆接触
0.35 ~ 0.56 0.68 ~ 0.78 0.36 ~ 0.5
0.45 -
0.62
0.8性质
6.2.1 理想MOS结构与基本性质 MOS结构指金属-氧化物-半导体结构。 为便于讨论，规定在金属栅上所加电压UG相对于P型半 导体衬底为正，称为正向偏置电压;反之则为反向偏置电 压。
而真空能级与半导体导带底的能量之差为亲和能q，若
以表示半导体的亲和势，则
6.1 金属与半导体接触
qs q (EC EFN ) 当金属与N型半导体接触时，若 m s ，则 半导体中的自由电子将向金属流动，同时在界面 附近形成由电离施主构成的空间电荷区，由于金 属的电子浓度很高。
6.1 金属与半导体接触
6.2 MOS结构及其性质
6.2.1 理想MOS结构与基本性质
2）在任何偏置条件下，MOS结构中的电荷仅位于半导体之 中，而且与邻近氧化层的金属表面电荷数量大小相等，但 符号相反。
3）氧化膜是一个理想的绝缘体，电阻率为无穷大，在直流偏 置条件下，氧化膜中没有电流通过。
12
6.2 MOS结构及其性质
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资料下载：www.1ppt.c om /zilia o/
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6.2 MOS结构及其性质
6.2.1 理想MOS结构与基本性质
在下面的讨论中，定义与费米能级相对应的费米势为