第八章 MOS场效应晶体管

VT
MS
TOX
OX
QOX
TOX
OX
QAD 2FB
e) 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 1.8 ~ 3.0 V COX
以VGS 作为参变量，可以得到不同VGS下的VDS ～ID 曲线族， 这就是 MOSFET 的输出特性曲线。
非
饱
饱
和
和
区
区
将各条曲线的夹断点用虚线连接起来，虚线左侧为非饱和区， 虚线右侧为饱和区。
5、MOSFET的类型 P 沟 MOSFET 的特性与N 沟 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
MS
QOX COX
K
2FP VS VB
1
2 2FP VS
注意上式中，通常 VS > 0，VB < 0 。 当VS = 0 ，VB = 0 时：
VT
MS
QOX COX
K
2 FP
1 2
2FP
这与前面得到的 MOS 结构的 VT 表达式相同。
同理可得 P 沟 MOSFET的 VT 为：
电势差，等于能带弯曲量除以 q 。COX 表示单位面积的栅氧化
层电容，COX
OX
TOX
，TOX 为氧化层厚度。
(3)实际 MOS结构当 VG = VFB 时的能带图
当
VG
VFB
MS
QOX COX
时， 就可以使能带恢复为平带
状态，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
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 ～ - 1.0V ( N 沟 ) （见304页图 5-15）
- 0.6 V ～ - 0.2V ( P 沟 )
当 N 1015 cm3 时：
MS
- 0.9 V ( N 沟 ) - 0.3 V ( P 沟 )
dy
ZnQn
dV dy
上图及上式中，L、Z、b (y) 分别为沟道长度、沟道宽度与
沟道厚度，Qn
b (qn)dx 为沟道内的电子电荷面密度。
0
ID
ZnQn
dV dy
,
IDdy ZnQndV ,
ID
L 0
dy Zn
VD VS
Qn
dV ,
ID
Z L
n
VD VS
Qn
dV
以下推导 Qn 。强反型后，由于沟道中产生的大量电子对来 自栅电极的纵向电场起到屏蔽作用 ，故能带的弯曲程度几乎不
调整 VT 主要是通过改变掺杂浓度 N（例如离子注入）和 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 = VGS 、 VD = VDS 、VB = VBS 。 衬底偏置效应：VT 随 VBS 的变化而变化。
对于 N 沟 MOSFET：
1
VT
MS
QOX COX
K
2FN
1
2 2FN
上式中，
FN
1 q (Ei
EFn)
kT q
ln
ND ni
0
称为 N 型衬底的费米势。
K
2q
ND s
1 2
COX
FN 与FP可以统一写为 FB ，表示 衬底费米势。
(2) 影响 VT 的因素
当VS = 0，VB = 0 时，N 沟 P 沟 MOSFET的 VT 可统一写为：
推导时采用如下假设：
① 沟道电流只由漂移电流构成，忽略扩散电流。
② 采用缓变沟道近似，即：
2
2
| x2 | | y2 |,
或 Ex Ey
x
y
这表示沟道厚度沿 y 方向的变化很小，沟道电子电荷全部由 Ex
感应出来而与 Ey 无关。
x
y
③ 沟道内的载流子（电子）迁移率为常数。
④ 采用强反型近似，即认为当表面少子浓度达到体内平衡
VT
MS
QOX COX
QA 2FP
COX
2FP
关于 QA 的进一步推导在以后进行。
2、MOSFET的 VT (1) VT 一般表达式的导出
p
与 MOS 结构相比，在 MOSFET 中发生了以下变化： 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) 有一个反向电压（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）。
ID
VGS 0 VT
VGS VT 0
4 、输出特性曲线 输出特性曲线是指 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，沟道就象一个其阻值与 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 的增大，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VD sat（饱和漏源电压）时，漏处的 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 ＞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 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 CD 段所示。
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 ) ，故有：
VOX
QA 2FP
COX
再将
VFB
MS
QOX COX
和
VOX
QA 2FP
COX
代入
VT VFB VOX 2FP 中，可得 MOS 结构的阈电压为：
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 无少子存贮效应，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 。
§8-1 MOSFET 的工作原理和特性
1、MOSFET的基本结构 以N 沟道为例。
2 、MOSFET的工作原理
当 VGS < VT（称为 阈电压）时，源漏之间隔着P区，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，形成连通源区和漏区的 N 型 沟道，产生漏极电流 ID 。 对于恒定的 VDS ，VGS 越大，则沟道中的可移动电子就越多， 沟道电阻就越小，ID 就越大。
2
1
2q N As (2FP VS VB ) 2
1
QA S,inv
COX
2q N As 2
COX
2FP VS VB
1
1
2 K 2FP VS VB 2
上式中， K
2q
N
A
s
1 2
，称为 体因子。
COX
最后可得 N 沟 MOSFET的 VT 为：
1
VT VB VFB K 2FP VS VB 2 2FP VS VB
c) 强反型开始时的表面势S,inv 由 2FP变为 (2FP VS VB ) 。
因此 MOSFET 的 VT 一般表达式为：
VT
VB
VFB
QA S,inv
COX
S,inv
以下推导 QA 的表达式。对于均匀掺杂：
1
QA (s,inv )
q
N A xd
q
N
A
2 sS ,inv
q NA
多子浓度 (也即S S ,inv) 时沟道开始导电。
⑤ QOX 为常数，与能带的弯曲程度无关。
1、非饱和区电流-电压方程的推导
b(y) x y
当在漏极上加VD 从而产生漂移电流：
> VS
后，沟道内产生横向场Ey
dV dy
，
jn
qn nE y
q n
n
dV dy
I D
Zn
b qndx dV
0
VT
MS
TOX
OX
QOX
TOX
OX
QAD
2FB
a) 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
TOX
OX
QOX
TOX
OX
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。
3 、转移特性曲线
转移特性曲线是指 VDS 恒定时的 VGS ～ID 曲线。 N 沟 MOSFET当：
VT > 0 时，称为 增强型，为常关型。 VT < 0 时，称为 耗尽型，为常开型。