第五章 MOS场效应晶体管

第五章 MOS 场效应晶体管

§ 5.1 MOS 场效应晶体管的结构和工作原理

1．基本结构

上一章我们简单提到了金属－半导体场效应晶体管（即MESFET ），它的工作原理和JEFET 的工作原理有许多类似之处。如果在金属－半导体结之间加一层氧化物绝缘层（如SiO 2）就可以形成另一种场效应晶体管，即金属－氧化物－半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ，缩写MOSFET ），如图所示（P172）。

MOS 管主要是利用半导体表面效应而制成的晶体管，参与工作的只有一种载流子（即多数载流子），所以又称为单极型晶体管。在双极型晶体管中，参加工作的不仅有多数载流子，也有少数载流子，故称为双极型晶体管。

本章主要以金属―SiO 2―P 型Si 构成的MOS 管为例来讨论其工作原理。器件的基本参数是：沟道长度L （两个N P +结间的距离）；沟道宽度Z ；氧化层厚度x 0；漏区和源区的结深

x j ；衬底掺杂浓度N a 等。

MOS 场效应晶体管可以以半导体Ge 、Si 为材料，也可以用化合物GaAs 、InP 等材料制作，目前以使用Si 材料的最多。MOS 器件栅下的绝缘层可以选用SiO 2、Si 3N 4和Al 2O 3等绝缘材料，其中使用SiO 2最为普遍。

2．载流子的积累、耗尽和反型 （1）载流子积累

我们先不考虑漏极电压V D ，将源极和衬底接地，如图所示。如果在栅极加一负偏压（0G

如果在栅极加一正偏压（0G >V ），就将产生由栅极指向衬底的垂直电场。在此电

场作用下，将造成半导体表面多子空穴耗

尽（即在半导体表面感应出负电荷，这些

负电荷是空间电荷，不可移动），而在金属

表面感应出正电荷，如图所示。

（3）载流子反型

若在耗尽的基础上进一步增加偏压

V G，半导体表面将由耗尽逐步进入反型状

态。在反型层中，少子电子浓度高于本征

载流子浓度，而多子空穴的浓度低于本征

载流子浓度，这一层半导体由P型变成了

N型。在半导体表面产生电子积累，这些

电子是可以移动的，如图所示。

当栅压增加到使半导体表面积累的

电子浓度等于或超过衬底内部的空穴平

衡浓度p

p

时，半导体表面达到强反型，

此时所对应的栅压称为阈值电压（通常用V

TH

表示）。达到强反型时，半导体表面附近出现的与体内极性相反的电子导电层，在MOS场效应晶体管中称之为导电沟道，电子导电的反型层称作N沟道。

3．工作过程

（1）V

V TH

G

>时的工作过程

上面分析表明，当栅极电压大于阈值电压（V

V TH

G

>）时，在两个N＋区之间的P 型半导体形成一个表面反型层（即导电沟道）。于是源和漏之间被能通过大电流的N型

表面沟道连接在一起。这个沟道的电导可以用改变栅电压V

G

来调制。背面接触（称为下栅极）可以接参考电压或负电压，这个电压也会影响沟道电导。

①若加一小的漏电压V

D

，电子将通过沟道从源极（S）流到漏极（D）。因此，沟

道的作用相当于一个电阻，且漏电流I

D 和漏电压V

D

成正比。这是线性区，可用一条恒

定电阻的直线来表示，如图（a）所示。

②当漏电压增加时，由于从漏极到源极存在电压降，因此，导电沟道从0～L逐渐变窄，甚至使L

y=处反型层宽度减小到零。这种现象叫做沟道夹断（如图（b）所示）。

沟道夹断发生的地点叫夹断点，图中用P表示。夹断时的漏电压记为V

Dsat

。

③ 夹断以后，漏电流基本上保持不变，因为当V V Dsat D >时，夹断点左移，但夹断点的电压保持不变，即电导沟道两端的电压保持不变。因而从漏到源的电流也不变。主要变化是L 的缩短，比如从L 缩短到L '，如图（c ）所示。载流子在P 点注入到漏耗尽区，这与双极晶体管载流子从基区注入到集电结耗尽区的情况非常类似。通过以上分析可以看到MOSFET 的I －V 特性和JFET 的很相似。

若施加不同的栅极电压V G ，可以得到如果所示的输出特性曲线。 （2）V V TH G <时的特性

当栅极施加正向电压且在V V TH G <范围内时，半导体表面没有出现导电沟道，在漏

极加上电压V D （0D >V ），则漏端PN 结为反偏，流过漏源的电流很小，只是PN 结反向饱和电流，这种工作状态称为截止状态。 3．MOS 场效应晶体管的分类

MOS 场效应管的分类和JFET 的分类类似。根据形成导电沟道的起因和沟道中载流子的类别，MOS 场效应晶体管可以N 沟和P 沟两大类。根据0G =V 时的工作状态分为增强型（0G =V 不存在导电沟道，只有当外加栅电压大于阈值电压时才形成导电沟道）和耗尽型（0G =V 已存在导电沟道，要使耗尽型MOS 器件的沟道消失，必须施加一个栅极电压）两类。因此MOS 场效应晶体管可以分为4种不同的类型：N 沟耗尽型、N 沟增强型、P 沟耗尽型、P 沟增强型。

§ 5.2 MOS 场效应晶体管的阈值电压

1．MOS 结构中的电荷分布

如上所述，阈值电压是栅下半导体表面出现强反型时所加的栅源电压，所谓强反型是指表面积累的少子浓度等于甚至超过衬底多数载流子浓度的状态，即能带弯曲至表面势等于或大于两倍费米势的状态。若用ψS 表示表面势，φf 表示半导体内的费米势，则

q

E E )

(22F 0i f S -=

≥φψ

式中，E 0i 和E F 分别为本征与杂质费米能级。由⎪⎪⎭

⎫

⎝

⎛-=≈T

k E E n p N B

F 0i i 0a 可得P 型衬底费米势为

n N q

T k i

a B f ln =

φ