1、第一章第一章 半导体物理基础半导体物理基础1.1 半导体结构半导体结构1.2 半导体能带模型半导体能带模型1.3 半导体中的载流子半导体中的载流子1.4 态密度与费米能级态密度与费米能级1.5 载流子的传输载流子的传输1.6 PN结结1.7 金属金属半导体接触半导体接触1.8 MOS FET器件基础器件基础1.1 半导体结构半导体结构 一切晶体，不论外形如何，其内部质点（原子、离子、离子团一切晶体，不论外形如何，其内部质点（原子、离子、离子团或分子）都是有规律排列的。即晶体内部或分子）都是有规律排列的。即晶体内部相同质点在相同质点在三维空间均三维空间均呈周期性重复呈周期性重复。可分成单晶体和多
2、晶体可分成单晶体和多晶体 单晶：单晶：整个晶体由单一的晶格连续组成。整个晶体由单一的晶格连续组成。多晶：多晶：晶体由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成晶体由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成 非晶：固体中存在许多小区域，每个小区域的原子排列不同于其非晶：固体中存在许多小区域，每个小区域的原子排列不同于其它小区域的原子排列它小区域的原子排列 硅晶体是金刚石结构硅晶体是金刚石结构,均为四面体结构，并向空间无限伸展成空均为四面体结构，并向空间无限伸展成空间网状结构。间网状结构。按照构成固体的粒子在空间的排列情况，可以讲固体分为：按照构成固体的粒子在空间的排列情况，可以讲固体分为：硅的晶体结构硅的
3、晶体结构 硅晶体中任何一原子都有硅晶体中任何一原子都有4个最近邻的原子与之形成共个最近邻的原子与之形成共价键。一个原子处在正四面体的中心，其它四个与它共价键。一个原子处在正四面体的中心，其它四个与它共价的原子位于四面体的顶点，这种四面体称为共价四面价的原子位于四面体的顶点，这种四面体称为共价四面体。体。1s2p2sEo原子间距原子间距禁带禁带禁带禁带能带能带当有当有N个相同的自由原子时，每个原子内的电子有相同的分立的能个相同的自由原子时，每个原子内的电子有相同的分立的能级，它们是级，它们是N重简并的，当这重简并的，当这N个原子逐渐靠近时，原来束缚在单个原子逐渐靠近时，原来束缚在单原子的中的电子
4、，不能在一个能级上存在（违反泡利不相容原则）原子的中的电子，不能在一个能级上存在（违反泡利不相容原则）从而只能分裂成从而只能分裂成N个非常靠近的能级（个非常靠近的能级（10-22ev）1.2 半导体能带模型半导体能带模型能带论能带论原子能级分裂成能带的示意图原子能级分裂成能带的示意图电子能量简化能带图简化能带图价带导带Eg=带隙EcEv在一般的原子中，内层电子的能级是被在一般的原子中，内层电子的能级是被电子填满的。当原子组成晶体后，与这电子填满的。当原子组成晶体后，与这些原子的内层电子能级相对应的那些能些原子的内层电子能级相对应的那些能带也是被电子所填满的。其中能级较高带也是被电子所填满的。其
5、中能级较高的被电子填满的能带称为价带，价带以的被电子填满的能带称为价带，价带以上的能带未被填满，称为导带，导带和上的能带未被填满，称为导带，导带和价带间的能隙叫禁带价带间的能隙叫禁带 1.3 半导体中的载流子半导体中的载流子 导带中的电子和价带中的空穴统称为导带中的电子和价带中的空穴统称为载流子载流子，是在电场作用下能作定向运动的带电粒子。是在电场作用下能作定向运动的带电粒子。满带满带半（不）满带半（不）满带EE 当电子从原来状态转移当电子从原来状态转移到另一状态时，另一电子到另一状态时，另一电子必作相反的转移。没有额必作相反的转移。没有额外的定向运动。满带中电外的定向运动。满带中电子不能形成
6、电流。子不能形成电流。半满带的电子可在外半满带的电子可在外场作用下跃迁到高一场作用下跃迁到高一级的能级形成电流。级的能级形成电流。空带空带满带满带禁带禁带-e-e-e-eEIeIP 1.本征半导体本征半导体-不含杂质的半导体不含杂质的半导体本征激发本征激发空空穴穴电电流流导电机制：导电机制：本征导电中的载流子是电子和空穴本征导电中的载流子是电子和空穴（本征导电）（本征导电）2.杂质半导体杂质半导体-含有少量杂质的半导体含有少量杂质的半导体n型半导体（施主杂质半导体）型半导体（施主杂质半导体）在纯净半导中掺入少量可提供导电电子的在纯净半导中掺入少量可提供导电电子的杂质所形成的半导体。杂质所形成的
7、半导体。例在四价硅（例在四价硅（Si）元素半导体中掺入五价砷（）元素半导体中掺入五价砷（AS）所形成的半导体所形成的半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4GeASAS+5+5+5+5 掺入掺入AS以后，五个以后，五个价电子中，有四个电子价电子中，有四个电子与周围的与周围的Ge组成共价键组成共价键晶体，还多余一个电子，晶体，还多余一个电子，此电子处于特殊的能级。此电子处于特殊的能级。满带满带空带空带施主能级施主能级gE能带结构：能带结构：理论证明理论证明:掺入这种掺入这
8、种杂质后电子处于靠近空杂质后电子处于靠近空带下沿处的一个能级中带下沿处的一个能级中(“施主能级施主能级”)DE施主能级与上施主能级与上空带下能级的空带下能级的能级间隔称能级间隔称“施主杂质电离施主杂质电离能能”()DE这种杂质可提这种杂质可提供导电电子故供导电电子故称为施主杂质称为施主杂质满带满带空带空带gE导电机制：导电机制：施主能级施主能级DEDE由于由于 较小较小,施主能级中的电子很容易激发到施主能级中的电子很容易激发到空带而在施主能级上留下不可移动的空穴空带而在施主能级上留下不可移动的空穴.此称此称“杂质激发杂质激发”,当然也存在本征激发当然也存在本征激发.总之总之,跃入空带中的电子数
9、等于满带及施主跃入空带中的电子数等于满带及施主能级中的空穴数能级中的空穴数,由于施主能级中的空穴不能移由于施主能级中的空穴不能移动动,故在常温下故在常温下,能导电的空穴数远小于电子数能导电的空穴数远小于电子数,导电作用主要靠跃入空带中的电子导电作用主要靠跃入空带中的电子.（多数载流（多数载流子）子）导电机制：导电机制：故故n型半导体又称型半导体又称电子型半导体电子型半导体这种杂质可提这种杂质可提供导电电子故供导电电子故称为施主杂质称为施主杂质满带满带空带空带gE施主能级施主能级DE1.4 态密度与费米能级态密度与费米能级 态密度态密度 在能带中，能量在能带中，能量E附近单位能量间隔内的量子附近
10、单位能量间隔内的量子态数态数dZ/dE)(Eg在量子力学中，微观粒子的运动状态称为量子态在量子力学中，微观粒子的运动状态称为量子态费米狄拉克统计分布规律费米狄拉克统计分布规律 温度为温度为T T（绝对温度）的热平衡态下，半导体中电子占据能量为（绝对温度）的热平衡态下，半导体中电子占据能量为E E的量子态的几率是的量子态的几率是 k k是玻尔兹曼常数，是玻尔兹曼常数，E EF F是一个与掺杂有关的常数，称为费米能级。是一个与掺杂有关的常数，称为费米能级。当当E-EE-EF FkTkT时，时，f f（E E）=0=0，说明高于，说明高于E EF F几个几个kTkT以上的能级都是空的；而当以上的能级
11、都是空的；而当E-EE-EF FkTkT时，时，f f（E E）1 1，说明低于，说明低于E EF F几个几个kTkT以下的能级被电子填满。特别是在绝对零度时以下的能级被电子填满。特别是在绝对零度时，EEEEEEF F的能级全是空的的能级全是空的,E EF F是电子所占据的最高量子态的能是电子所占据的最高量子态的能量量。E EF F反应了半导体中被电子填满了的能级水平，反应了半导体中被电子填满了的能级水平，费米能级的物理意义是，该能级上费米能级的物理意义是，该能级上的一个状态被电子占据的几率是的一个状态被电子占据的几率是1/2。费米能级是理论上引入的虚构的能级费米能级是理论上引入的虚构的能级
12、1)exp(1)(kTEEEfF掺杂半导体能带图掺杂半导体能带图N型半导体的费米能级在本征费米能级上面，随着掺杂浓度型半导体的费米能级在本征费米能级上面，随着掺杂浓度ND的增加，的增加，费米能级更加靠近导带底费米能级更加靠近导带底；p型半导体费米能级靠近价带顶型半导体费米能级靠近价带顶 本征半导体的费米能级叫本征费米能级本征半导体的费米能级叫本征费米能级1.5 载流子的传输载流子的传输 载流子输运类型：漂移、扩散和产生载流子输运类型：漂移、扩散和产生-复合复合 载流子的扩散载流子的扩散 由于浓度差而产生的，浓度高的向浓度低的方向扩散由于浓度差而产生的，浓度高的向浓度低的方向扩散 漂移：带电粒子
13、在外电场作用下的运动漂移：带电粒子在外电场作用下的运动载流子热运动示意图载流子热运动示意图外电场作用下电子的漂移运动外电场作用下电子的漂移运动载流子的漂移运动载流子的漂移运动无外加电场作用时无外加电场作用时 载流子热运动是无规则的，运动速度各向同性，不引起宏观迁移，从而不载流子热运动是无规则的，运动速度各向同性，不引起宏观迁移，从而不会产生电流。会产生电流。外加电场作用时外加电场作用时 载流子沿电场方向的速度分量比其它方向大，将会引起载流子的宏观迁移载流子沿电场方向的速度分量比其它方向大，将会引起载流子的宏观迁移，从而形成电流。，从而形成电流。漂移运动：由电场作用而产生的、沿电场力方向的运动（
14、电子和空穴漂移运漂移运动：由电场作用而产生的、沿电场力方向的运动（电子和空穴漂移运动方向相反）。动方向相反）。漂移速度：定向运动的速度。漂移速度：定向运动的速度。漂移电流：载流子的漂移运动所引起的电流。漂移电流：载流子的漂移运动所引起的电流。载流子的漂移迁移率（载流子的漂移迁移率（）指载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在指载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在电场作用下运动速度的快慢的量度，运动得越快，迁移率越大；运动得慢电场作用下运动速度的快慢的量度，运动得越快，迁移率越大；运动得慢，迁移率小。，迁移率小。单位是单位是cm2Vs平均自由时间愈
15、长，或者说单位时间内遭受散射的次数愈少，平均自由时间愈长，或者说单位时间内遭受散射的次数愈少，载流子的迁载流子的迁移率愈高；电子和空穴的迁移率是不同的，因为它们的平均自由时间和有移率愈高；电子和空穴的迁移率是不同的，因为它们的平均自由时间和有效质量不同。效质量不同。Hall效应效应 当有一方向与电流垂直的磁场作用于一有限半导体时，当有一方向与电流垂直的磁场作用于一有限半导体时，则在半导体的两侧产生一横向电势差，其方向同时垂直则在半导体的两侧产生一横向电势差，其方向同时垂直于电流和磁场，这种现象称为半导体的于电流和磁场，这种现象称为半导体的Hall效应。效应。测量测量Hall系数示意图系数示意图
16、 Hall系数系数RH定义定义 单位磁场作用下通过单位电流密度所产生的霍单位磁场作用下通过单位电流密度所产生的霍耳电场耳电场 RH 与宏观测量值间关系，与宏观测量值间关系，d为半导体厚度为半导体厚度 Hall迁移率迁移率 RH与电导率与电导率的乘积，即的乘积，即RH，具有迁移率的量纲，具有迁移率的量纲,故特别称为故特别称为Hall迁移率，表示为迁移率，表示为H=RHHall系数的一般表达式系数的一般表达式大多数半导体，大多数半导体，b1对对n型半导体，温度不太高时，型半导体，温度不太高时，np，故，故对对p型半导体，温度不太高时，型半导体，温度不太高时，pn，故，故Hall效应的意义效应的意义
17、：Hall系数有正负之分，且与载流子浓度有关。系数有正负之分，且与载流子浓度有关。通过通过Hall系数的测量，可以确定半导体的导电类型及载流子浓度。证实空穴系数的测量，可以确定半导体的导电类型及载流子浓度。证实空穴以带电载流子方式存在的最令人信服的方法之一以带电载流子方式存在的最令人信服的方法之一RH 与与T有关。有关。1.6 PN结结 平衡平衡PN结结 正偏正偏 反偏反偏 平衡平衡PN结结 空间电荷区空间电荷区 内建电场内建电场 W0=Wp+Wn是空间电荷区的总宽度是空间电荷区的总宽度 qV0EFNEFPV V0 0和和PNPN结两边的掺杂浓度（结两边的掺杂浓度（N ND D，N NA A）
18、，），温度（温度（T T），材料（），材料（n ni i）有关。温度）有关。温度T T一一定时，定时，N ND D，N NA A愈大，愈大，V V0 0愈大；材料禁带愈大；材料禁带宽度愈大，宽度愈大，n ni i愈小，愈小，V V0 0也愈大也愈大 nnoxx=0pnopponpolog(n),log(p)-eNa eNd MxE(x)B-h+p n M As+eWpWnNeutral n-regionNeutral p-regionSpace charge regionVoV(x)xPE(x)Electron PE(x)M etallurgical Junction(a a)(b b)(c
19、c)(e e)(f f)xWpWn(d d)0eVox(g g)eVoHole PE(x)Eo Eo Mne t MWnWpniP Pr ro op pe er rt ti ie es s o of f t th he e p pn n j ju un nc ct ti io on n.1999 S.O.Kasap,Optoelectronics(Prentice Hall)平衡平衡PN结特性结特性空间电荷区中性N区中性中性P区区(a)(b)(c)-Wp正偏正偏当当P区接电源的正极，区接电源的正极，N区接负时，外加偏压区接负时，外加偏压V基本上降落在势垒区，在势垒基本上降落在势垒区，在势垒区产
20、生外加电场区产生外加电场 PN结的正向电流是由注入的非平衡少子引起的结的正向电流是由注入的非平衡少子引起的空穴穿过空穴穿过P区时是多子电流，经过势垒区进入区时是多子电流，经过势垒区进入N区成为非平衡少子，它边扩散区成为非平衡少子，它边扩散边复合，最后消失。少子被多子复合并非电流的中断，因为与少子复合的多边复合，最后消失。少子被多子复合并非电流的中断，因为与少子复合的多子是从子是从N区过来的多子，它们的复合正好实现了少子电流到多子电流的转换区过来的多子，它们的复合正好实现了少子电流到多子电流的转换 Jelecxn-regionJ=Jelec+JholeSCLMinority carrier di
21、ffusioncurrentMajority carrier diffusionand drift currentTotal current JholeWnWpp-region JThe total currentanywhere in the device isconstant.Just outside thedepletion region it is dueto the diffusion ofminority carriers.1999 S.O.Kasap,Optoelectronics(Prentice Hall)-Wp少数载流子的扩散电流总电流多数载流子的扩散电流N区P区反偏反偏加
22、反偏电压加反偏电压V V-V-Vr r时，外加电场方向与内建电场方向相同，增强了势垒区中时，外加电场方向与内建电场方向相同，增强了势垒区中的电场强度，势垒区加宽，势垒高度由的电场强度，势垒区加宽，势垒高度由qVqV0 0增加为增加为q q（V V0 0+V+Vr r）。势垒区电场的）。势垒区电场的增强，打破了原有的扩散和漂移运动之间的平衡，漂移运动超过了扩散运动增强，打破了原有的扩散和漂移运动之间的平衡，漂移运动超过了扩散运动。这时。这时N N区中空穴一旦到达势垒区边界区中空穴一旦到达势垒区边界x=Wx=Wn n处就要被电场扫向处就要被电场扫向P P区，区，P P区中的区中的电子一旦到达势垒边
23、界电子一旦到达势垒边界x=Wx=Wp p，也要被电场扫向，也要被电场扫向N N区。区。由于在势垒边界，少子浓度很小，若由于在势垒边界，少子浓度很小，若V Vr r25mv25mvkT/ekT/e，p pn0n0几乎为几乎为0 0，而势垒区，而势垒区中空穴浓度为平衡载流子浓度。在势垒区以外的少子要向势垒区扩散，扩散中空穴浓度为平衡载流子浓度。在势垒区以外的少子要向势垒区扩散，扩散进来的少子一旦到达势垒区边界，就被电场扫向对方，它们构成了进来的少子一旦到达势垒区边界，就被电场扫向对方，它们构成了PNPN结的反结的反向电流。向电流。正偏正偏与反偏与反偏 EcEvEcEFpMEFneVopnEoEvn
24、p(a)VInpEoEe(VoV)eVEcEFnEvEvEcEFp(b)(c)Vrnpe(Vo+Vr)EcEFnEvEvEcEFpEo+E(d)I=V ery SmallVrnpThermalgenerationEcEFnEvEcEFpEve(Vo+Vr)Eo+EEnergy band diagrams for a pn junction under(a)open circuit,(b)forwardbias and(c)reverse bias conditions.(d)Thermal generation of electron holepairs in the depletion re
25、gion results in a small reverse current.SCL 1999 S.O.Kasap,Optoelectronics(Prentice Hall)PN结能带图（a）开路，(b)正偏，(c)反偏，(d)反偏电流I非常小热产生1.7 金属金属半导体接触半导体接触上式表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真上式表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小值。空中所需要的最小值。金属中的电子势阱金属中的电子势阱0E(EF)m 越大越大,金属对电子的束缚越强金属对电子的束缚越强金属功函数金属功函数的定义的定义:真空中静止电子的能量真
26、空中静止电子的能量 E0 与与 金属的金属的 EF 能量之差能量之差mFmEE 0mm半导体功函数半导体功函数的定义的定义:真空中静止电子的能量真空中静止电子的能量 E0 与与 半导体的半导体的 EF 能量之差，能量之差，即即E0ECEFEV电子的亲合能电子的亲合能CEE 0ssFsEE 0EvsFE)(0ECEnEmFE)(半导体的功函数又写为半导体的功函数又写为nsFCsEEE)(smsm半导体一边的势垒高度半导体一边的势垒高度金属一边的势垒高度金属一边的势垒高度FECEVEnE忽略接触间隙忽略接触间隙qVD,smDqVmnDBEqVB1.半导体表面形成一个正的空间电荷区半导体表面形成一个
27、正的空间电荷区2.电场方向由体内指向表面电场方向由体内指向表面3.半导体表面电子的能量高于体内的，能带向上弯曲，即形半导体表面电子的能量高于体内的，能带向上弯曲，即形成表面势垒成表面势垒当金属与当金属与n型半导体接触型半导体接触在势垒区中，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度要比在势垒区中，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度要比体内小得多，因此它是一个高阻的区域，常称为阻挡层。体内小得多，因此它是一个高阻的区域，常称为阻挡层。sm当金属与当金属与n型半导体接触型半导体接触1.半导体表面形成一个负的空间电荷区半导体表面形成一个负的空间电荷区2.电场方向由表面指向体内电场方向由表面指向体内3.半
28、导体表面电子的能量低于体内的，能带向下弯曲半导体表面电子的能量低于体内的，能带向下弯曲在空间电荷区中，电子浓度要比体内大得多，因此它是一个高电导在空间电荷区中，电子浓度要比体内大得多，因此它是一个高电导的区域，称为反阻挡层。的区域，称为反阻挡层。反阻挡层薄,高电导,对接触电阻影响小EcEvEF-msmms 隧道效应：隧道效应：重掺杂的半导体与金属接触时，则势垒重掺杂的半导体与金属接触时，则势垒宽度变得很薄，电子通过隧道效应贯穿势垒产生大宽度变得很薄，电子通过隧道效应贯穿势垒产生大隧道电流，甚至超过热电子发射电流而成为电流的隧道电流，甚至超过热电子发射电流而成为电流的主要成分，即可形成接近理想的
29、欧姆接触主要成分，即可形成接近理想的欧姆接触。实际的欧姆接触实际的欧姆接触1.8 MOSFET -场效应理论场效应理论 1.8.1 MOS结构 1.理想MOS结构（1）金属栅足够厚,是等势体（2）氧化层是完美的绝缘体无电流流过氧化层（3）在氧化层中或氧化层-半导体界面没有电荷中心（4）半导体均匀掺杂（5）半导体足够厚，无论VG多大，总有零电场区域（6）半导体与器件背面金属之间处于欧姆接触（7）MOS电容是一维结构，所有变量仅是x的函数（8）M=S=+(EC-EF)FB金属-氧化物-半导体电容栅背接触或衬底接触0.011.0m零偏压VG0（以P-Si衬底为例）由分立能带图得到由分立能带图得到MO
30、S能带图包括能带图包括两个步骤；两个步骤；（a）将）将M和和S放到一起相距为放到一起相距为x0，达，达到平衡时，到平衡时，M和和S的费米能级必须持的费米能级必须持平；因假设平；因假设 m=S真空能级也必须对真空能级也必须对准。（在准。（在M-空隙空隙-S系统的任何地方系统的任何地方都没有电荷和电场）都没有电荷和电场）（b)将厚度为将厚度为x0的绝缘体插入的绝缘体插入M与与S之间的空隙。之间的空隙。理想p型MOS在不同偏置下的能带图和电荷块图特殊偏置区域nVG0,(较小负偏置），空穴的浓度在较小负偏置），空穴的浓度在O-S界面附近降低，称界面附近降低，称为空穴被为空穴被“耗尽耗尽”，留下带负电的
31、受主杂质。，留下带负电的受主杂质。n若正偏电压越来越大，半导体表面的能带会越来越弯曲，在若正偏电压越来越大，半导体表面的能带会越来越弯曲，在表面的电子浓度越来越多，增加到表面的电子浓度越来越多，增加到ns=NA,VG=VTH时，表面时，表面不再耗尽不再耗尽nVGVTH时时,表面少数载流子浓度超过多数载流子浓度，这种表面少数载流子浓度超过多数载流子浓度，这种情况称为情况称为“反型反型”。N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管结构场效应管结构1.8.21.8.2（增强型）（增强型）MOSMOS场效应管场效应管漏极漏极D源极源极S栅极栅极G衬底衬底B电极电极金属金属绝缘层绝缘层氧化物氧化物基
32、体基体半导体半导体因此称之为因此称之为MOS管管 当当VGS较小较小时，虽然在时，虽然在P型衬型衬底表面形成一层底表面形成一层耗尽层耗尽层，但负，但负离子不能导电。离子不能导电。当当VGS=VTH时时,在在P型衬底型衬底表面形成一层表面形成一层电子层电子层，形成，形成N型导电沟道，在型导电沟道，在VDS的作用下的作用下形成形成ID。VDSID+-+-+-VGS反型层反型层 当当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论结，无论UDS之间加上电压不会在之间加上电压不会在D、S间形成电流间形成电流ID,即即ID0.当当VGSVTH时时,沟道加厚，沟道电阻减少，
33、沟道加厚，沟道电阻减少，在相同在相同VDS的的作用下，作用下，ID将进一步增加将进一步增加开始无导电沟道，开始无导电沟道，当在当在VGS VTH时才形时才形成沟道成沟道,这种类型的管这种类型的管子称为子称为增强型增强型MOS管管1.8.31.8.3 MOSFETMOSFET工作原理的定性分析工作原理的定性分析VT VGS/VID/mAO（1 1）转移特性曲线）转移特性曲线(假设假设VDS=5V)a.VGS VT 器件内存在导电沟道，器件内存在导电沟道，器件处于器件处于导通导通状态，有输状态，有输出电流。且出电流。且VGS越大，沟越大，沟道导电能力越强，输出道导电能力越强，输出电流越大电流越大
34、转移特性曲线转移特性曲线43 N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管的特性曲线场效应管的特性曲线（2 2）输出特性曲线）输出特性曲线(假设假设VGS=5V)输出特性曲线输出特性曲线非非饱饱和和区区饱和区饱和区击击穿穿区区BVDS ID/mAVDS/VOVGS=5VVGS=4VVGS=3V预夹断轨迹预夹断轨迹VDSat 过过渡渡区区线线性性区区(d)(d)VDS:VGDVTBPN+N+VDSVGSGSDLVTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVGD(c)V(c)VDS:VGD=VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVT(a)VDS很小很小VGSBPGN+N+SDVDSVGSVGDVGS
35、ID=IDSat44饱和电流饱和电流IDsat，对应的，对应的VDS称为称为VDSsatVDS=VDSsat的虚线将曲线划分的虚线将曲线划分为亚线性区和饱和区。为亚线性区和饱和区。1.8.4 MOSFET的直流的直流I-V方程方程 基本假设：基本假设：漂移电流、缓变沟道近似、长沟近似漂移电流、缓变沟道近似、长沟近似 强反型近似强反型近似 坐标系坐标系 基本定义基本定义 沟道中位置沟道中位置y处单位面积下的电荷为处单位面积下的电荷为Qch(y)有效迁移率有效迁移率EF)(0),()(ytchdxyxnqyQ)(0)(0),(),(),(ytytnEFdxyxndxyxnyx沟道电流的一般表达式沟
36、道电流的一般表达式chVchEFddVyQLWIDS0)(Vch(y)为沟道相对于源端电压为沟道相对于源端电压沟道电子电荷的面密度沟道电子电荷的面密度 VGS VTH时，时，ID0,Qch0 VGS VTH,VDS=0时时,ID0,Qch-Ci(VGS-VTH)VGS VTH,VDS0时时,在在S端，端，Vch=0；在漏端，；在漏端，Vch=VDSQch(y)=-Ci(VGS-VT-Vch(y)且且 VGS-VTVch(y)当当VGS-VTH=Vch(y)，上式不成立，上式不成立 漏极饱和电流漏极饱和电流 继续增大漏极电压继续增大漏极电压VDS，当，当VDS=VGS-VT时，电流首先在漏端时，
37、电流首先在漏端达到饱和，这时的漏电压叫漏极饱和电压达到饱和，这时的漏电压叫漏极饱和电压VDSsat 当当VDS VDSsat时，电子具有最大速度时，电子具有最大速度vsat，电荷有最小值，电荷有最小值，电流达到饱和电流电流达到饱和电流IDsat=-WQchminvsat 长沟模型、恒定迁移率下的长沟模型、恒定迁移率下的TFT I-V特性特性 线性区，线性区，VDSVGS-VTH时时 饱和区，饱和区，VDSsat VGS-VTH电流电流-电压方程电压方程22DSDSTHGSEFidVVVVLWCI2222DSsatiTHGSEFidsatVLWCVVLWCI作业作业1、仿照、仿照n-Si的导电机
38、制解释的导电机制解释p-Si的导电机制。的导电机制。2、仿照、仿照p-MOS画出理想画出理想n-MOS在不同偏置下的能带在不同偏置下的能带图和对应的电荷块图。图和对应的电荷块图。3、仿照金属与、仿照金属与n型半导体接触，画出金属与型半导体接触，画出金属与p型半导体型半导体接触时的能带图。接触时的能带图。4、给定、给定N沟道沟道增强型增强型MOSFET参数，根据理论模型画参数，根据理论模型画出其出其I-V关系图。关系图。已知：已知：di=0.1mW/L=50 m/5 mVTH=1.42VVDS=010VVGS=010Vr=3.90=8.8510-12 F/m 作业作业5、试用、试用Hspice产生一电路，使用预设的产生一电路，使用预设的LEVEL 1模型参数（缺省模型参数（缺省值），并产生一漏极特性曲线（输出特性）。其中的扫描条件为值），并产生一漏极特性曲线（输出特性）。其中的扫描条件为VDS=05V、增量为、增量为0.1V，而，而VGS=05V、增量为、增量为1V，VB=0V。参考文献参考文献 半导体器件物理，半导体器件物理，Robert F.Pierret著，电子工业著，电子工业出版社出版社 半导体物理学，刘恩科等编著，国防工业出版社半导体物理学，刘恩科等编著，国防工业出版社
