21 第六章 6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区解析

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三 载流子的积累、耗尽和反型
空间电荷区静电势φ(x)的出现改变了空间电荷区中的能带图。
根据VG极性和大小，有可能实现三种不同的表面情况：
① 载流子积累； ② 载流子耗尽； ③ 半导体表面反型。
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当在栅电极上加正电压时，既有从半导体表面排斥走空穴的作用，又有吸
引少子(电子)到半导体表面的作用。在开始加正电压时主要是多子空穴被赶 走而形成耗尽层，同时产生表面感生电荷 ——由电离受主构成的负空间电 荷区，这时虽然有少子(电子)被吸引到表面，但数量很少，在这一阶段中， 电压增加只是使更多的空穴被排斥走，负空间电荷区加宽。
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§6.1
理想MOS结构的 表面空间电荷区
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前言：
金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管（ MOSFET）是微处理
器、半导体存储器等超大规模集成电路中的核心器件和主
流器件，也是一种重要的功率器件。
MOSFET： Metal-Oxide-Semiconductor Field-effect transistor
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场效应晶体管（Field Effect Transistor，缩写为FET） 是一种电压控制器件。
其导电过程主要涉及一种载流 子，故也称为“单极”晶体管。
面形成具有相当厚度的空间电荷区，它对电场起到屏蔽作用。 空间电荷区的形成是由于自由载流子的过剩或欠缺以及杂质 能级上电子浓度的变化引起的。
电场从半导体表面到内部逐渐减弱，直到空间电荷区内 边界上基本全部被屏蔽而为零。则每个极板上的感应电 荷与电场之间满足如下关系：
半导体表面电场
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因此：
即使有外加电压，表面空间电荷区也处于热平衡状态，使 得整个表面空间电荷区中费米能级为常数。
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+
MOS电容器 典型金属-氧化物-半导体结构
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ℰ0为SiO2层的内建电场，QM为金属极板上的电荷，则半导体 表面感应电荷为QS =－QM。在外电场的作用下，在半导体表
1. 载流子的积累
当紧靠硅表面的多数载流子浓度大于体内热平衡多数载流子 浓度时，称为载流子积累。当金属电极上加负电压时，在半 导体表面形成负表面电势φS，表面空间电荷区中能带向上弯 曲，由于费米能级EF保持常数，能带向上弯曲使接近表面处
有更大的 Ei - EF，与体内相比，在表面处有更高的空穴浓度
和更低的电子浓度，使空穴在表面积累，增加表面的电导率。
加有偏压的MOSFET
MOSFET是一种典型的电压控制型器件
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二 半导体表面空间电荷区
理想MOS结构假设：
① 在氧化物中或在氧化物和半导体之间的界面上不存在电荷
② 金属和半导体之间的功函数差为零 ③ SiO2层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过
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一 结构与工作原理
MOSFET结构示意图
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一 结构与工作原理
1、当一个导体靠近另一个带电体时，在导体表面会引起符号相反的感生电 荷。表面空间电荷层和反型层实际上就属于半导体表面的感生电荷。在N型 半导体的栅上加正电压(a)和在P型半导体的栅上加负电压(b)，所产生的感生 电荷是被吸引到表面的多数载流子，这一过程在半导体体内引起的变化并 不很显著，只是使载流子浓度在表面附近较体内有所增加。
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随着电压的加大，负空间电荷区逐渐加宽，同时被吸引到表面的电子也随
着增加。开始，表面电子的增加与固定的空间电荷相比，基本上可以忽略 不计(耗尽层近似)。但是当电压达到某一“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。在 MOSFET 中称之 为沟道，电子导电的反型层称为N沟道。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上不 再增加。
在空间电荷区中电场的出现使半导体表面与体内之间产 生电位差，半导体表面的电势，称为表面势 S 。在加上
电压 VG 时，外加电压 VG 为跨越氧化层的电压 V0 和表面势
S所分摊，即有：
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V0 VG
S
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空间电荷区半导 体内部边界
金属-氧比物和P型半导体的电位分布图
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2、在N型半导体的栅上加负电压(c)和在P型半导体的栅上加正电压(d)，所感
生的电荷与(a)、(b)相反，电场的作用使多数载流子被排斥面远离表面，从面 在表面形成耗尽层，和PN结的情形类似，这里的耗尽层也是由电离施主或电 离受主构成的空间电荷区。由于外加电场的作用，半导体中多数载流子被排 斥到远离表面的体内，而少数载流子则被吸引到表面。少子在表面附近聚集 而成为表面附近区域的多子，通常称之为反型载流子。反型载流子在表面构 成了一个称为反型层的导电层。
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在栅电压为0的条件下，如果漏、源之间加上电压 UDS，则漏端 PN结为反
偏，将只有很小的反偏 PN 结电流从漏极流到源极，但是若栅极加上一定 的电压时，表面形成了沟道，它将漏区与源区连通，在UDS作用之下就出 现明显的漏极电流，而且漏极电流的大小依赖于栅极电压。MOSFET的栅 极和半导体之间被氧化硅层阻隔，器件导通时只有从漏极经过沟道到源极 这一条电流通路。