第6章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管
金属-氧化物半导体场效应晶体管 MOSFET 各参数检测标准名称及编号
金属-氧化物半导体场效应晶体管 MOSFET 各参数检测标准名称及编号
检测 对象
序号
1
2
3
4
5
6
7
金属-氧化物半导
8
体场效应晶体管
MOSFET 9
10 11 12 13 14
15
项目/参数 名称
检测标准（方法）名称及编号（含年号）
漏源间反向击穿电压
MIL-STD-750F:2012 方法3407.1 GJB128A-1997 方法3407
MIL-STD-750F:20Hale Waihona Puke 2 方法3473.1栅极电荷
MIL-STD-750F:2012 方法3471.3
单脉冲雪崩能量
MIL-STD-750F:2012 方法3470.2
栅极串联等效电阻
JESD24-11:2002
稳态热阻
MIL-STD-750F:2012 方法3161.1 GJB128A-1997 方法3161
通态电压
MIL-STD-750F:2012 方法3405.1
通态电阻
MIL-STD-750F:2012 方法3421.1
阈值电压
MIL-STD-750F:2012 方法 3404
漏极反向电流
MIL-STD-750F:2012 方法3415.1
栅极漏电流
MIL-STD-750F:2012 方法3411.1
体二极管压降
MIL-STD-750F:2012 方法 4011.4
跨导
MIL-STD-750F:2012 方法3475.2
开关时间
MIL-STD-750F:2012 方法3472.2 GJB128A-1997 方法3472
半导体物理基础 第六章 MOS
QS QB qNa xd
2 qNa xd S 2k s 0
（6-5）
和
（6-6）
6.2 理想MOS电容器
代入（6-44）式解出 x
d
Xd
kS 0 kS 0 2VG 1 C0 2 C0 C0 qkS 0 N a
2 0 12
（6-45）
C 2C 1 qN k VG C0 a S 0
6.2 理想MOS电容器
积累区（ VG <0）
MOS系统的电容C基本上等于绝缘体电容 C0。当负偏压的数值逐渐减少时，空间电 荷区积累的空穴数随之减少，并且 QS 随 C也就变小。 平带情况（ VG =0）
S
的变化也逐渐减慢， C S 变小。总电容
C FB C0
1 k 0 LD 1 k s x0
（6-1）
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。 导出反型和强反型条件
6.2 理想MOS电容器
6.2 理想MOS电容器
系统单位面积的微分电容
微分电容C与外加偏压 VG 的关系称为MOS系统的电容—电压特性。
dQM C dVG
（6-1）
S =半导体表面的电场
k0 =氧化物的相对介电常数
k S =半导体相对介电常数
xd =空间电荷区在半导体内部的边界亦即空间电荷区宽度。
外加电压 VG 为跨越氧化层的电压
V0和表面势 S 所分摊：
（6-2）
VG V0 S
6.1 理想MOS结构的表面空S结构内的电位分布
（6-22）
dV0 d s 1 dVG C dQM dQM dQM
金属氧化物半导体场效应管
MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)：MOS(Metal Oxide Semiconductor),以金属层(M)的栅极隔着氧化物(O),利用电场的效应来控制半导体(S)的场效应管(FET)，用于功率开关管MOSFET的分类：1、耗尽型(N/P沟道)2、增强型(N/P沟道)MOSFET的结构：1、横向通道型，有利于集成，功率不高，开关速度(相当小的电容)可以很快，栅极驱动损耗也比较小2、垂直通道型，允许通过电流大，电压大1) VMOS：导通阻抗较小，开关响应快2) DMOS：制作简单，成本低，导通阻抗大3) UMOS：导通阻抗更小，功率大，制作复杂，成本高3、为了防止MOSFET接电感负载，产生高压击穿MOSFET管，一般功率MOSFET的漏极和源极都并上一个快速恢复二极管4、功率MOSFET主要是N沟道增强型MOSFET的特点：1、在电子电力器件工作频率最高的，可达到10ns—60ns2、驱动功率小3、热稳定性好4、电流容量小、耐压低，一般功率不超过10KW5、管子耐压越高，压降越大，功耗越大MOSFET的参数：1、Vdss：2、Rds(on)：完全导通时，漏源间的电阻3、Vgs(th)：阀值电压4、Id(max)：漏源最大电流MOSFET的驱动：1、MOSFET的开关速度以达到双极型晶体管的速度，MOSFET技术以其更加简单的、高效的驱动电路使它比晶体管设备具有更大的经济效益2、并联的MOSFET管都通过相同的电流3、当MOSFET工作在开关状态下，目标是在可能的最短时间内实现器件在最低阻抗和最高阻抗之间的切换4、开关速度和性能决定于三端引脚之间的三个电容上电压变化的快慢，在高速开关应用中，器件的寄生电容是一个重要的参数5、电流较大时设备温度将会升高，温度升高将会使源漏极间电阻变大6、栅极驱动损耗，MOSFET的导通和截止过程包括电容CISS的充电和放电。
MOSFET
金属氧化物半导体场效应晶体管维基百科，自由的百科全书（重定向自MOSFET）跳转到：导航, 搜索汉漢▼显示↓显微镜下的MOSFET测试用组件。
图中有两个栅极的接垫（pads）以及三组源极与漏极的接垫。
金属氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效应晶体管（field-effect transistor）。
MOSFET依照其“通道”的极性不同，可分为n-type与p-type的MOSFET，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。
从目前的角度来看MOSFET的命名，事实上会让人得到错误的印象。
因为MOSFET里代表“metal”的第一个字母M，在当下大部分同类的组件里是不存在的。
早期MOSFET的栅极（gate electrode）使用金属作为其材料，但随着半导体技术的进步，现代的MOSFET栅极早已用多晶硅取代了金属。
MOSFET在概念上属于“绝缘栅极场效应晶体管”（Insulated-Gate Field Effect Transistor, IGFET）。
而IGFET的栅极绝缘层，有可能是其他物质，而非MOSFET使用的氧化层。
有些人在提到拥有多晶硅栅极的场效应晶体管组件时比较喜欢用IGFET，但是这些IGFET多半指的是MOSFET。
MOSFET里的氧化层位于其通道上方，依照其操作电压的不同，这层氧化物的厚度仅有数十至数百埃（Å）不等，通常材料是二氧化硅（silicon dioxide, SiO2），不过有些新的高级制程已经可以使用如氮氧化硅（silicon oxynitride, SiON）做为氧化层之用。
今日半导体组件的材料通常以硅（silicon）为首选，但是也有些半导体公司发展出使用其他半导体材料的制程，当中最著名的例如IBM 使用硅与锗（germanium）的混合物所发展的硅锗制程（silicon-germanium process, SiGe process）。
n型金属-氧化物-半导体场效应晶体管
n型金属-氧化物-半导体场效应晶体管
N型金属氧化物半导体场效应晶体管（N-type Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor，N-MOSFET）是一种常见的晶体管类型，用于电子设备中的开关和放大电路。
N-MOSFET由n型半导体基片形成的源和漏，中间隔着一层绝缘氧化物（通常是氧化硅），作为栅极下面的绝缘层。
在绝缘层上方，有一层金属栅极，用于控制电流的流动。
N-MOSFET的工作原理是通过在栅极上施加一个电压来控制电流的流动。
当栅极上的电压为正电压时，栅极和源之间形成正偏压，使得n型基片的导电性增强，电流可以从源端流向漏端。
当栅极上的电压为负电压时，栅极和源之间形成反偏压，导致n型基片的导电性减弱，电流无法通过。
N-MOSFET的优点包括高输入阻抗、低功耗和快速的开关速度。
它广泛应用于集成电路中的逻辑门、存储器和微处理器等电子设备中。
mos放大原理
mos放大原理MoS放大原理是指金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）的放大作用机制。
MOSFET是一种广泛应用于集成电路中的电子元件，其具有高度集成、低功耗和高可靠性等优势。
在MOSFET中，金属-氧化物-半导体结构起到了关键的放大作用，从而实现了电子信号的放大和控制。
MOSFET是由金属门极、氧化物绝缘层和半导体通道三部分组成。
其中，金属门极是控制电子流动的电极，氧化物绝缘层则隔离了金属门极和半导体通道，防止电荷的漏失，而半导体通道则是电子流动的通道。
当施加在金属门极上的电压发生变化时，氧化物绝缘层会产生等效电场，从而改变半导体通道中的电子浓度，进而控制电子的流动。
MOSFET的放大原理可以通过三个关键的工作区间来解释，即截止区、线性区和饱和区。
当金属门极上的电压较低时，MOSFET处于截止区，此时电子无法通过半导体通道流动。
当金属门极上的电压逐渐增加时，MOSFET进入线性区，此时电子开始在半导体通道中流动，且其流动的大小与金属门极上的电压成正比。
当金属门极上的电压继续增加，超过一定阈值时，MOSFET进入饱和区，此时电子流动已经达到最大值，不再随着金属门极上电压的增加而增加。
基于MOSFET的放大原理，可以实现对电子信号的放大和控制。
通过调节金属门极上的电压，可以控制半导体通道中电子的流动，从而实现对电子信号的放大。
这种信号放大的原理被广泛应用于集成电路和电子设备中，例如放大器、运算放大器和数字电路等。
除了信号放大，MOSFET还具有其他重要的特性。
例如，MOSFET具有很高的输入电阻和低的输出电阻，可以在电路中提供良好的匹配特性。
此外，MOSFET还具有较低的功耗和较高的可靠性，使其成为现代电子设备中不可或缺的元件之一。
总结来说，MoS放大原理是一种通过金属-氧化物-半导体结构实现电子信号放大和控制的机制。
基于MOSFET的放大原理，可以实现对电子信号的放大和控制，从而广泛应用于集成电路和电子设备中。
第6章结型场效应晶体管讲解
6.2 金属-半导体场效应晶体管（MESFET）
6.2.1 MESFET结构的发展过程
6.2.2 MESFET的栅结构
6.2.3 GaAs MESFET结构
6.2.1 MESFET结构的发展过程
最初结构
器件的有源层直接生长在掺Cr（铬） 的半绝缘GaAs衬底上，然后在有 源层上分别制作肖特基结和欧姆接 触。
JFET的转移特性曲线
6.1.5 JFET参数
漏极饱和电压 漏极饱和电流 关断电压VT（Vp） 最小沟道电阻Rmin
栅极截止电流IGSS和栅极输入电阻RGS
漏源击穿电压BVDS 输出功率PO 跨导gm
漏极饱和电压
定义：漏端附近沟道完全耗尽时对应的漏极电压。
饱和时耗尽层宽度为t，由（10）式得：
2．晶体管原理，刘永 张福海编著，国防工业出版社，2002.1，p273-303
6.1 pn结场效应晶体管（JFET）
6.1.1 JFET器件基本工作原理
6.1.2 JFET器件器件类型和代表符号
6.1.3 JFET器件分析--源极接地，漏极上加小的偏压VD 6.1.4 JFET器件分析--源极接地，漏极上加大的偏压VD 6.1.5 JFET参数
沟道电阻：
R
L
x wW
（1）
（2） （3） （4 ） （5 ）
式中沟道电阻率： (qNd )1 漏极电流：
ID VD W ( )(q n N d x wVD ) R L
x w t xd
xd [
2 S (i VG )]1 / 2 qNd
把（4）、（5）代入（3）得
半导体器件物理 第六章总结
6.2 少子分布
发射区空穴电流密度分布
0 qD pe pe qVeb dpe ( x) J pe ( x) qD pe (e dx L pe kT
1) e
( x x1 ) L pe
当
We L，则近似有 pe
J pe
qDpe Pe 0 qVbe L pe1 e kT 1 e We
37
6.2 少子分布
D. 基区渡越时间
Q' W B B B FB IC 2 DnB
2
38
6.2 少子分布
三 重掺杂发射区
禁带宽度变窄
1/ 2 2 N N Eg 9ln 17 ln 17 0.5 (meV ) 10 10
6.1.2 晶体管电流的简化表达式
基极电流:
一是iE2， 该电流正比于exp(VBE/Vt) ，记为iBa；另一是基区多子空穴 的复合流iBb,依赖于少子电子的数量，也正比于exp(VBE/Vt) 。故基极电 流正比于exp(VBE/Vt) 。
17
6.1 双极型晶体管的工作原理
6.1.3 工作模式
1948年，肖克莱发明了“结型晶体管 ”。1948年7月1日，美国《纽约 时报》只用了8个句子的篇幅，简短地公开了贝尔实验室发明晶体管的消 息。“一石激起千层浪”，它就像颗重磅炸弹，在全世界电子行业“引 爆”出强烈的冲击波。电子计算机终于就要大步跨进第二代的门槛！ 1954年，贝尔实验室使用800支晶体管组装成功人类有史以来第一台晶 体管计算机 TRADIC
Wb csc h Lnb
X=Wb，得 到达集电结电子电流为
金属-氧化物-半导体场效应晶体管
金属-氧化物-半导体场效应晶体管1. 什么是MOSFET？大家好，今天咱们来聊聊一个看起来非常高深，但其实一点也不难懂的电子器件——MOSFET，全名是“金属氧化物半导体场效应晶体管”。
别被这长长的名字吓到，其实它就是电子世界里的一位超级明星。
想象一下，你家里的电视、手机、电脑，甚至是你那台小巧的计算器，里边都有它的身影。
它就像是电子设备里的“开关”，负责控制电流的流动。
2. MOSFET的基本构造2.1 金属氧化物半导体的组合MOSFET的名字里其实包含了三部分：金属（Metal）、氧化物（Oxide）和半导体（Semiconductor）。
在这里，“金属”指的是用来制造电极的材料，一般是铝或者多晶硅；“氧化物”则是隔离层，通常是二氧化硅；而“半导体”就是那主角了，它负责传导电流的部分，通常是硅。
2.2 如何工作MOSFET的工作原理其实有点像我们平时开的水龙头。
你把水龙头开得越大，水流就越多；同样地，在MOSFET里，电流的流动也可以通过一个控制信号来调节。
这个控制信号就像是你拧水龙头的手势。
具体来说，当你给MOSFET的栅极（Gate）施加一个电压时，它会控制源极（Source）和漏极（Drain）之间的电流流动。
3. MOSFET的应用3.1 在电子设备中的作用要说MOSFET的应用，那真是广泛得让人惊叹。
它几乎无处不在，比如说你电脑的处理器里，每一个小小的MOSFET都在拼命工作，为你提供快速的运算能力。
在手机里，MOSFET们也在默默地帮你完成各种操作，从拨打电话到发朋友圈，几乎每一件事情都离不开它们的支持。
3.2 能效与节能此外，MOSFET还在节能方面大显身手。
现代的MOSFET设计得非常高效，能够在低功耗的情况下实现高速开关。
这一点在电源管理中尤为重要。
试想一下，如果没有MOSFET，我们的手机电池可真是要时刻充电才行，真是“电量宝贵如命”！4. 如何选择合适的MOSFET4.1 不同类型的MOSFET在选择MOSFET时，首先要考虑的是你需要哪种类型的MOSFET。
MOS管
mos管是金属(metal)—氧化物(oxid)—半导体(semiconductor)场效应晶体管。
或者称是金属—绝缘体(insulator)—半导体。
双极型晶体管把输入端电流的微小变化放大后，在输出端输出一个大的电流变化。
双极型晶体管的增益就定义为输出输入电流之比（beta）。
另一种晶体管，叫做场效应管（FET），把输入电压的变化转化为输出电流的变化。
FET的增益等于它的transconductance，定义为输出电流的变化和输入电压变化之比。
场效应管的名字也来源于它的输入端（称为gate）通过投影一个电场在一个绝缘层上来影响流过晶体管的电流。
事实上没有电流流过这个绝缘体，所以FET管的GATE电流非常小。
最普通的FET用一薄层二氧化硅来作为GATE极下的绝缘体。
这种晶体管称为金属氧化物半导体(MOS)晶体管，或,金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）。
因为MOS管更小更省电，所以他们已经在很多应用场合取代了双极型晶体管。
编辑本段详细介绍首先考察一个更简单的器件－MOS电容－能更好的理解MOS管。
这个器件有两个电极，一个是金属，另一个是extrinsic silicon，他们之间由一薄层二氧化硅分隔开。
金属极就是GATE，而半导体端就是backgate或者body。
他们之间的绝缘氧化层称为gate dielectric。
图示中的器件有一个轻掺杂P型硅做成的backgate。
这个MOS 电容的电特性能通过把backgate 接地，gate接不同的电压来说明。
MOS电容的GATE电位是0V。
金属GATE 和半导体BACKGATE在WORK FUNCTION上的差异在电介质上产生了一个小电场。
在器件中，这个电场使金属极带轻微的正电位，P型硅负电位。
这个电场把硅中底层的电子吸引到表面来，它同时把空穴排斥出表面。
这个电场太弱了，所以载流子浓度的变化非常小，对器件整体的特性影响也非常小。
当MOS电容的GATE相对于BACKGATE正偏置时发生的情况。
金属氧化物半导体场效应晶体管
金属氧化物半导体场效应晶体管
氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，简称MOSFET）是一种三极晶体管，是目前主流半导体器件。
氧化物半导体场效应晶体管由负源（Source）、正源（Drain）、网络（Gate）3个极。
氧化物半导体场效应晶体管的网络电压控制的是从源到排的电流的大小。
因此，它又被称为电子隔离管。
它
是一种可控制的晶体管，它有N型和P型之分，分别对应N-MOSFET和P-MOSFET，这种晶
体管可以实现电压驱动或者电流驱动。
氧化物半导体场效应晶体管的优点有：大功率得以容易地存储在器件上，体积小、可
靠性高、静态电流消耗低；在分立元件种类中，MOSFET正在变得越来越先进及市场主导；具有良好的高频放大特性，勤加用于放大器系统的高频和低频段；还可以实现超大电流的
驱动，从而满足电子电路设计的要求；可用于实现及时和低功耗的电路；在器件制作方面，可以把它制作成集成电路。
氧化物半导体场效应晶体管有一些缺点：要求网络电压高于源排压；静态电容较大；
结构较复杂，制作困难；它敏感于辐射和静电放电，需要采用防护措施；它容易烧坏，而
且在高压下进行反向工作，容易烧坏晶体管；当网络电压升高时，终端电容会降低，从而
造成信号失真。
因此，氧化物半导体场效应晶体管通常被用于一些简单的电子电路中，如发射放大器、模数转换器、天线驱动器、电源管理系统等。
氧化物半导体场效应晶体管的应用越来越广泛，并不断发展出新型MOSFET，以及更多更好的器件用于实现更智能化、更精确化的控制系统。
MOS场效应晶体管ppt课件
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。
半导体器件物理第六章习题
第六章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管6-1．绘出在偏压条件下MOS 结构中对应载流子积累、耗尽以及强反型的能带和电荷分布的示意图，采用N 型衬底并忽略表面态和功函数的影响。
6-2．推导出体电荷、表面电势以及表面电场的表达式，说明在强反型时他们如何依赖于衬底的掺杂浓度a N 。
在1410至1810 3−cm 范围内画出体电荷、表面电势及电场与a N 的关系。
6-3．在受主浓度为31610−cm 的P 型硅衬底上的理想MOS 电容具有0.1um 厚度的氧化层，40=K ，在下列条件下电容值为若干？（a ）V V G 2+=和Hz f 1=，（b ） V V G 20=和Hz f 1=，（c ）V V G 20+=和MHz f 1=。
6-4．采用叠加法证明当氧化层中电荷分布为)(x ρ时，相应的平带电压变化可用下式表示：0000()x FB q x x V dx C x ρΔ=−∫ 6-5．一MOS 器件的01000x =Å，eV q m 0.4=φ，eV q s 5.4=φ，并且有21610−cm的均匀正氧化层电荷，计算出它的平带电压。
假设40=K ，运用习题6-4的表达式 6-6．利用习题6-4中的结果对下列情形进行比较。
(a) 在MOS 结构的氧化层中均匀分布着212105.1−×cm 的正电荷，若氧化层的厚度为150nm ，计算出这种电荷引起的平带电压。
(b) 若全部电荷都位于硅-氧化硅的界面上，重复(a)。
(c) 若电荷成三角分布，它的峰值在0=x ，在0x x =处为零，重复(a)。
6-7．在31510−=cm N a 的P 型Si<111>衬底上制成一铝栅MOS 晶体管。
栅氧化层厚度为120nm ，表面电荷密度为211103−×cm 。
计算阈值电压。
6-8． 一MOS 结构中由315105−×=cm N a 的N 型衬底，100nm 的氧化层以及铝接触构成，测得阈值电压为2.5V ，计算表面电荷密度。
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1 k 0 LD 1 k s x0
（6-40）
6.2 理想MOS电容器
耗尽区（ VG 0 P200）
dQS 0 k S CS d S xd
V0 QS C0
（6-42）
C 1 CO 1 k0 xd k S x0
（6-43）
QS QB qNa xd
2 0 k 0 1 V 2 G qNa k S x0
2
12
（6-46）
归一化电容C C 0 随着外加偏压的增加而减小
反型区（ VG 0 P201,小结6）
Cs dQS dQI dQB d S d S d S
（6-47）
6.2 理想MOS电容器 小结
6.4 实际MOS的电容-电压特性
（6-57）
功函数差的影响
在室温下，硅的修正功函数
1.1 3.25 f 3.8 f V 2
图6-3 加上电压 VG 时MOS结构内的电位分布
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
半导体表面空间电荷区（P193)
每个极板上的感应电荷与电场之间关系
QM QS k 0 0 0 k S 0 S
自由空间电容率 0
半导体表面电场 S 外加电压
（6-1）
氧化物相对介电常数 k 0
6.3 沟道电导与阈值电压 小结
1. 沟道电导反映了导电沟道的导电能力，沟道电导与器件 结构有关，与沟道内载流子迁移率和沟道电荷成正比。 Z g I n QI L QB 2. 阈值电压 VTH Si
C0
形成强反型时所需最小栅电压。第一项表示在形成强 反型时，要用一部分电压去支撑空间电荷；第二项表示要 用一部分电压为半导体表面提供达到强反型时所需要的表 面势。
QS VG S C0
2 qN a x d S 2k s 0
（6-44） （6-5）
（6-6）
6.2 理想MOS电容器
耗尽区
Xd kS 0 kS 0 2VG 1 C0 2 C0 C0 qk S 0 N a
2 0 12
（6-45）
C 2C 1 qN k VG C0 a S 0
dQS dQM CS d S d S
C0
半导体表面空间电荷区单位面积电容
dQM dV0
（6-24）
（6-25）
6.2 理想MOS电容器
系统归一化电容
1 1 1 C C0 C S
C 1 C0 1 C0 C S
电容随偏压变化分成几个区域
（6-26）
（6-28）
dQM 0 k 0 C0 dV0 x0
第六章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管
6.2 理想MOS电容器
6.2 理想MOS电容器
单位面积微分电容
dQM C dVG
（6-22）
MOS系统电容-电压特性: 微分电容C与偏压 VG 关系
dVG dV0 d s 1 C dQM dQM dQM
（6-23）
绝缘层单位面积上的电容
载流子积累、耗尽和反型
载流子积累 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，称为载流子积累现象。 单位面积空间电荷
Qs q [ p ( x) p0 ]dx
0 xd
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
载流子积累、耗尽和反型
物理PN结 场感应结
图6-4 几种偏压情况的能带和电荷分布（b）小的 VG （c）大的 VG
铝电极和P型硅衬底
铝的功函数比P型硅的小，铝的费米能级高。 功函数差 qm ' qS ' ( EFM EFS ) 0 功函数不同，铝-二氧化硅-P型硅MOS系统在没有外加 偏压的时候，在半导体表面存在表面势 S 0 。因此， 欲使能带平直，除去功函数差的影响，就必须在金属电 极上加一负电压。 ' ' （6-56） 平带电压 VG1 ms m s'
沟道电荷受到偏压控制，这正是MOSFET工作的基础。
6.3 沟道电导与阈值电压
二 阈值电压
定义为形成强反型所需要最小栅电压。
VTH QB Si C0
（6-55）
第一项表示形成强反型时，要用一部分电压去支撑空间电 荷 QB ； 第二项表示要用一部分电压为半导体表面提供达到强反型 时所需要的表面势 Si 。
MOSFET其它叫法：绝缘栅场效应晶体管（IGFET） 金属-绝缘体-半导体场效应晶体管（MISFET） 金属-氧化物-半导体晶体管（MOST）
第六章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管
6.1 理想MOS结构表面空间电荷区
6.1 理想MOS结构表面空间电荷区
理想MOS结构假设
（1）氧化物中或氧化物和半导体之间的界面不存在电荷。 （2）金属和半导体之间的功函数差为零. 〔由假设（1）（2）无偏压时半导体能带平直〕 （3）二氧化硅层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过。 由假设（3），即使有外加电压，在达到热平衡状态时， 整个表面空间电荷区中费米能级为常数，与体内费米能级 相平。 图6-2b MOS电容器结构和能带图（P192）
f
Ei 0 EF
q
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区 小结
7. 反型和强反型条件
si 2 f
s f
8. 强反型后，当偏压继续增加时，导带电子在很薄的强反
型层中迅速增加，屏蔽了外电场。于是空间电荷区的势垒
高度、表面势、固定的受主负电荷以及空间电荷区的宽度
基本上保持不变。
第六章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管
30年代初,Lienfeld和Heil提出表面场效应晶体管原理。 40年代末, Shockley和Pearson进行深入研究。 1960年, Kahng和Alalla应用热氧化硅结构制造出第一只 MOSFET. MOSFET是大规模集成电路中的主流器件。
1. MOS电容:氧化层电容和半导体表面空间电荷区电容串联.
dQM C dVG
2. 绝缘层单位面积电容
dQM 0 k 0 C0 dV0 x0
3. 导体表面空间电荷区单位面积电容
dQS dQM CS d S d S
6.2 理想MOS电容器 小结
4. 归一化电容 5. 耗尽区
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
教学要求
了解理想结构基本假设及其意义。
根据电磁场边界条件导出空间电荷与电场的关系
QM QS k 0 0 0 k S 0 S
掌握载流子积累、耗尽和反型和强反型的概念。 正确画流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况能带图。 导出反型和强反型条件
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
载流子积累、耗尽和反型
载流子耗尽 单位面积总电荷
QS QB qNa xd
2 qN a x d S 2k s 0
（6-5）
（6-6）
2
x
载流子反型
x S 1 x d
（6-7）
载流子类型发生变化或者半导体的导电类型发生变化
Si
0
xI
f
Ei 0 EF
q
x
图6-5 强反型时的能带图
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
反型和强反型条件(小结8)
x dm 2k S 0 si qNa 4 k S 0 f qNa
（6-20） （6-19）
QB qNa xdm
反型层中单位面积下的可动电荷即沟道电荷
VG V0 S
3. 根据电磁场边界条件，空间电荷与电场具有以下关系
QM QS k 0 0 0 k S 0 S
4. 不同栅偏压使半导体表面出现.载流子积累、耗尽和反型 的不同状态。
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区 小结
5. 画能带图的依据 a. 据理想MOS假设，各种偏压下半导体的费米能级不变； b.半导体中性区的费米能级与金属费米能级分开，其差等 栅偏压 VG c.偏压由氧化层和半导体承担 VG V0 S d.真空能级连续，各能级与真空能级平行。 6. 体费米势定义
6.3 沟道电导与阈值电压
一 沟道电导
Z xI g I q n nI x dx L 0
nI x 为沟道中的电子浓度,
（6-51）
x I 为沟道宽度
反型层中单位面积总的电子电荷
沟道电导
xI
0
qnI x dx QI
（6-52）
Z g I n QI L
（6-29） 图6-7 P型半导体MOS的C-V特性
6.2 理想MOS电容器
积累区（ VG 0 P198 ）
MOS系统电容C基本等于绝缘体电容 C 0 。负偏压逐渐
减少，空间电荷区积累空穴数随之减少，且 QS 随 S 变
化也逐渐减慢，C S 变小。总电容 C也就变小。
平带情况（ VG 0 P199） C FB
C 1 C0 1 C0 C S
2 0 12
C 2C 1 qN k VG C0 a S 0
2 0 k 0 1 V 2 G qNa k S x0
2
12
归一化MOS电容 C C 0 随着外加偏压的增加而减小
（6-53）
6.3 沟道电导与阈值电压
二 阈值电压
VTH
（6-51）
定义为形成强反型所需要最小栅电压。 出现强反型 QI QB
VG C0 C0 Si