第6章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管

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
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
（6-29） 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
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'
QI qnI x dx
xI 0
（6-22） （6-21）
总表面空间电荷 QS QI QB QI qNa xdm
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区 小结
1. 理想MOS假设意义，即使外加电压，表面空间电荷区也处 热平衡状态，整个表面空间电荷区中费米能级为常数。 2. 偏压由氧化层和半导体承担
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
C0
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
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
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
6.1.3 反型和强反型条件
反型条件 s f
（6-17）
q f
E
Ec
源自文库
Ei
强反型条件 si 2 f
（6-18）
q f
Ev
在外电场作用下，可以改变半导 体的表面以内相当厚的一层中载流 子的浓度和型号，从而可控制该层 的导电能力和性质。 反型层称导电沟道，半导体表面 场效应，MOSFET的物理基础。
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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
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。
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 。
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。
6. 反型区 载流子数量变化主要依靠少子产生与复合，这个过程快 慢由少子寿命决定，归一化电容与测量信号的频率有关。
6.2 理想MOS电容器
教学要求
掌握理想系统电容-电压特性，对图6.7作出正确分析。
导出公式（6－45）、（6-46）。
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6.3 沟道电导与阈值电压
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
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
半导体表面空间电荷区（厚度um量级
在MOS电容两端加上电压， 则半导体表面感应电荷为QS =-QM。 金属的自由电子浓度很大， 金属表面的空间电荷区局 限于一个原子厚度。 P193)
VG V0 S
半导体的载流子的浓度比 金属中小，在半导体表面 形成一个具有相当厚度的 空间电荷区。
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）
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
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
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
半导体相对介电常数 k S
V0 和表面势 S 所分摊
（6-2）
空间电荷区在半导体内部边界亦即空间电荷区宽度 x d
VG为跨越氧化层电压
VG V0 S
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
图6-4 几种偏压情况的能带和电荷分布 （a） VG
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
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
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
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
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。
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
（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
（6-54）
Q QI C 0 VG B Si C0 VG VTH C 0
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
6.3 沟道电导与阈值电压
教学要求
掌握概念：沟道电导、阈值电压 导出沟道电导公式（6-53） 导出阈值电压公式（6-54） 说明阈值电压的物理意义。
第六章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管
6.4 实际MOS的电容-电压特性
6.4 实际MOS的电容-电压特性
功函数差的影响
6.4 实际MOS的电容-电压特性