1、第六章第六章 金属金属氧化物氧化物半导体场半导体场 效应晶体管效应晶体管6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 教学要求教学要求1.1.了解理想了解理想MOSMOS结构基本假设及其意义。结构基本假设及其意义。2.2.根据电磁场边界条件导出空间电荷与电场的关系根据电磁场边界条件导出空间电荷与电场的关系3.3.掌握载流子积累、耗尽和反型和强反型的概念。掌握载流子积累、耗尽和反型和强反型的概念。4.4.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。正确画出流子积累、耗尽和反型和强
2、反型四种情况的能带图。5.5.导出反型和强反型条件导出反型和强反型条件 （6-16-1-1-1）SSSMEkEQQ006.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 1.1.理想理想MOSMOS结构基于以下假设：结构基于以下假设：（1 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。）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 2）金属和半导体之间的功函数差为零）金属和半导体之间的功函数差为零.（3 3）SiOSiO2 2层层是良好的绝缘绝缘体，能阻挡挡直流电电流流过过。因此，即使 有外加电压电压，表面空间电间电荷区区也处处于热热平衡状态状态
3、，这这使得整 个个表面空间电间电荷区区中费费米能级为级为常数数。图6.1 金属-氧化物-半导体电容6.1 理想理想MOS结构的表面空间电荷结构的表面空间电荷区区 确定表面势s和费米势F与MOS偏置状态的关系取Ei（体内）为零电势能点，则任一x处电子的电势能为Ei(x)-Ei(体内）=-q(x)FiFiisiiEEqEEqxEEqx体内）表面）体内）体内）（(1(1)(1)任一点电势表面势费米势6.1 理想理想MOS结构的表面空间电荷结构的表面空间电荷区区 F的正负和大小与Si衬底的导电类型和掺杂浓度有关p型半导体n型半导体0ln0lniDFiAFnNqKTnNqKT6.1 理想理想MOS结构的
4、表面空间电荷结构的表面空间电荷区区 6.1 理想理想MOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 1.VG=0 平带金属和半导体表面无电荷，场强为 正常情况况下，MOS电电容背面接地，VG定义为义为加在栅栅上的直流偏置。由于在静态静态偏置条条件下没没有电电流流过过器件，所以费费米能级级不受偏置的影响响，且不随随位置变变化。半导导体体内内始终终保持平衡，与与MOS栅栅上加电压与电压与否无关关 所加偏置VG引起器件两两端费费米能级级移动动：EFM-EFS=-qVG VG 0导导致器件内内部有电势电势差，引起能带弯带弯曲。金属属是等势势体，无能带弯带弯曲。绝缘绝缘体中的电场为匀电场为匀强电场电场，
5、电势电势和电势电势能是位置x的线线性函数数，VG 0，绝缘绝缘体和半导导体中的能带带向上倾倾斜，反之，向下倾倾斜。在半导导体体内内，能带弯带弯曲消失。6.1 理想理想MOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 6.1 理想理想MOS结构的表面空间电结构的表面空间电荷区荷区 2.V2.VG G00由于垂直表面向上的电场的作由于垂直表面向上的电场的作用，紧靠硅表面的空穴的浓度用，紧靠硅表面的空穴的浓度大于体内热平衡多数载流子浓大于体内热平衡多数载流子浓度时，称为载流子积累度时，称为载流子积累现象现象 00()dxsQqp xp dx积累状态下xd非常小电荷块图能带图6.1 理想理想MOS结构的
6、表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 积积 累累s06.1 理想理想MOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 VG0,(较小负偏置），空穴的浓度在O-S界面附近降低，称为空穴被“耗尽”，留下带负电的受主杂质。6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 daBSxqNQQ022sdaSkxqN电荷块图能带图耗耗 尽尽0s0,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，当表面的电子浓度ns=ni时，称为弱反型；继续增加电压VG=VT 时，ns=NA,表面形成强反型，称为耗尽-反型的转折点强反型条件；强反型条件；fs2反型条件反型
7、条件:6.1 理想理想MOS结构的表面空间电结构的表面空间电荷区荷区 耗尽和反型转折点耗尽和反型转折点电荷块图能带图fs25.VGVT时,表面少数载流子浓度超过多数载流子浓度，这种情况称为“反型”。6.1 理想理想MOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 反型反型电荷块图能带图6.1 理想理想MOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 n n型型MOSMOS电容的不同偏置下的能带图和对应的电荷块图电容的不同偏置下的能带图和对应的电荷块图n n型型MOSMOS电容的不同偏置下的能带图和对应的电荷块图电容的不同偏置下的能带图和对应的电荷块图6.1 理想理想MOS结构的表面空间电荷区结构的
8、表面空间电荷区 dmaIBISxqNQQQQ结 论 n型衬底VGACC(积累）DEPL（耗尽）INV（反型）0VT0VTACC(积累）DEPL（耗尽）INV（反型）P型6.1 理想理想MOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 结 论 n型(F0)2 F平带耗尽-反型过渡点s6.1 理想理想MOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 例题：两个理想MOS电容的电荷块图分布如下图所示，对每 一种情况：完成以下三个问题：（1）半导体是n型还是p型 （2）器件偏置模式是积累、耗尽还是反型？（3）画出该电荷块图对应的MOS电容能带 （4）画出该结构的高频C-V特性曲线，并在图中用符号“”标出与
9、该电荷块图相对应的点（3分）6.1 理想理想MOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 MOS电电容的静电静电特性 1半导体静电特性的定量描述 目标：建立在静态偏置条件下，理想MOS电容内部的电荷，电场E 和电势 金属：M-O界面电荷分布在金属表面 几范围内 =，E=0，=常数 绝缘体：=0，E=Eox，=Eoxx0 半导体体内：体内E=0处=06.1 理想理想MOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 6.1 理想理想MOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 半导体中积累半导体中积累 =（0）E=0 （x0)=0 (x0)6.1 理想理想MOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间
10、电荷区 半导导体中耗尽层宽尽层宽度耗尽层中的电荷密度泊松方程电 场电势电势x=xd处，E(xd)=0,(xd)=0边界条件边界条件 =qNa=qNasaqNdxdE-)-()(xxqNxEdsa2)(2)xxqNxdsA（6.1 理想理想MOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 22dsAsxqN耗尽层宽度和表面势的关系耗尽层宽度和表面势的关系21)2(AssdqNx表面势表面势最大耗尽层宽度最大耗尽层宽度21)4(AFpsdmqNx6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器电容器6.2 6.2 理想MOSMOS电电容器 教学要求教学要求 2.2.了解电荷了解电荷QIQI的产生机制的产生
11、机制 3.3.了解积累区、耗尽区、反型区和强反型情况下，了解积累区、耗尽区、反型区和强反型情况下，MOSMOS电容的变电容的变 化规律及影响化规律及影响MOSMOS电容的主要因素电容的主要因素 1.1.导出公式（导出公式（6 62-242-24）、（）、（6-6-2-252-25）。）。MOS中无直流电流流过，所以MOS电容中最重要的特性就是C-V特性，把理想C-V特性曲线和实测C-V曲线比较，可以判断实际MOS电容与理想情况的偏差。而且在MOS器件制备中，MOS电容的C-V特性检测也常作为一种常规的工艺检测手段。6.2 6.2 理想MOSMOS电电容器 6.2 6.2 理想理想MOSMOS电
12、容器电容器 MOS系统单位面积的微分电容系统单位面积的微分电容微分电容微分电容C与外加偏压与外加偏压VG 的关系称为的关系称为MOS系统的电容系统的电容电压特性。电压特性。（6-26-2-1-1）GMdVdQC MsMMGdQddQdVdQdVC01（6-26-2-2-2）00dVdQCMSSSMSddQddQC若令若令（6-26-2-3-3）（6-26-2-4-4）则则 SCCC1110（6-26-2-5-5）C C0 0绝缘层单位面积上的电容，绝缘层单位面积上的电容，C Cs s半导体表面空间电荷区单位面积电容。半导体表面空间电荷区单位面积电容。6.2 理想理想MOS电容器电容器 6.2
13、6.2 理想MOSMOS电电容器 （6-26-2-6-6）（6-26-2-7-7）SCCCC0011系统的归一化电容称为MOSCC0SSCCCCC00对对于理想MOS系统统，绝缘层单位面积电容：绝缘层单位面积电容：0000 xdVdQCM6.2 理想理想MOS电容器电容器 半导体的表面电容Cs是表面势s的函数，因而也是外加栅电压VG的函数6.2 6.2 理想MOSMOS电电容器 将电容随偏压的变化分成几个区域，变化大致情况如图将电容随偏压的变化分成几个区域，变化大致情况如图6-7所示。所示。图图6-7 6-7 P P型半导体型半导体MOSMOS的的C-VC-V特性特性 n型型MOS电容高、低频
14、电容高、低频C-V特性特性6.2 6.2 理想MOSMOS电电容器 积累区（积累区（VG0 ）(以以n衬底为例）衬底为例）直流O-S界面积累多子，多子在10-10-10-13秒的时间内达到平衡。加交变信号，积累电荷的改变量Q，只在界面附近变化，因此MOS电容相当于平板电容器 00)(xCaccCO MOS系统的电容系统的电容C基本上等于绝缘体电容基本上等于绝缘体电容C0。当负偏压的数值逐渐减少时，空间电荷区积累当负偏压的数值逐渐减少时，空间电荷区积累的电子数随之减少，并且的电子数随之减少，并且Qs随随s 的变化也逐的变化也逐渐减慢，渐减慢，Cs 变小。总电容变小。总电容 C也就变小。也就变小。
15、6.2 理想理想MOS电容器电容器 平带情况（平带情况（VG =0）00011xLCCsDFB由掺杂浓度和氧化层厚度确定由掺杂浓度和氧化层厚度确定 6.2 理想理想MOS电容器电容器 6.2 理想理想MOS电容器电容器 耗尽区（耗尽区（V VG G00）(以以n n衬底为例）衬底为例）栅上有-Q电荷，半导体中有+Q的受主杂质ND+，ND+的出现是由于多子被排斥，因此器件工作与多子有关，仍能在10-10-10-13秒内达到平衡，交流信号作用下，耗尽层宽度在直流值附近呈准静态涨落，所以MOS电容看作两个平板电容器的串联。6.2 理想理想MOS电容器电容器 00 xCO001)(xxCCCCCdep
16、CSdOoSsodsSxC (氧化层电容)（半导体电容）00011xxCCCCCCSdoSso耗尽区（耗尽区（V VG G0VT时，存在平衡的反型层？请给予解释。（b）下图中比较了两个相同的栅极面积（AG）的MOS电容的 C-V特性曲线。曲线b与曲线a相比，其氧化层厚度 （选择：更薄，相同，更厚）？其掺杂浓度有何不同（选择：更低，相同，更高）请给予简单解释6.2 6.2 理想MOSMOS电电容器 小结小结 MOSMOS电容定义为电容定义为 绝缘层单位面积电容绝缘层单位面积电容 导体表面空间电荷区单位面积电容导体表面空间电荷区单位面积电容 （6-226-22）（6-296-29）（6-256-2
17、5）GMdVdQC 00000 xkdVdQCMSSSMSddQddQC6.2 6.2 理想MOSMOS电电容器 小结小结 归一化电容归一化电容 在耗尽区在耗尽区 归一化归一化MOS电容电容 随着外加偏压随着外加偏压 的增加而减小的增加而减小 画出了理想系统的电容画出了理想系统的电容电压特性（图电压特性（图6.7）。）。（6-286-28）（6-456-45）（6-466-46）SCCCC0011200000021SSGdSakkVXCCCqkN 21212020002002121GSaGSaVxkqNkVkqNCCC0CCGV6.36.3沟道电导与阈值电压沟道电导与阈值电压6.36.3沟道电
18、导与阈值电压沟道电导与阈值电压 一一 沟道电导沟道电导式中式中 为沟道中的电子浓度。为沟道中的电子浓度。为沟道宽度。为沟道宽度。即为反型层中单位面积下的总的电子电荷即为反型层中单位面积下的总的电子电荷沟道电导为沟道电导为 （6-516-51）dxxnqLZgIxnII0 0IxIIqnx dxQ（6-526-52）InIQLZg（6-536-53）xnIIx6.36.3沟道电导与阈值电压沟道电导与阈值电压二二 阈值电压阈值电压 ：定义为形成强反型所需要的最小栅电压。定义为形成强反型所需要的最小栅电压。当出现强反型时当出现强反型时 沟道电荷受到偏压沟道电荷受到偏压 控制，这正是控制，这正是MOS
19、FETMOSFET工作的基础。工作的基础。阈值电压：阈值电压：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 。（6-516-51）（6-56-54 4）（6-56-55 5）THVSiBIGCQCQV00THGSiBGIVVCCQVCQ000GVSiBTHCQV0SiBQ6.36.3沟道电导与阈值电压沟道电导与阈值电压 小结小结 二个概念：沟道电导、阈值电压二个概念：沟道电导、阈值电压 沟道电导公
20、式沟道电导公式 阈值电压公式阈值电压公式 （6-536-53）（6-546-54）InIQLZgTHGSiBGIVVCCQVCQ0006.36.3沟道电导与阈值电压沟道电导与阈值电压 教学要求教学要求 掌握概念：掌握概念：沟道电导、阈值电压沟道电导、阈值电压 导出沟道电导公式导出沟道电导公式（6-536-53）导出阈值电压公式（导出阈值电压公式（6-546-54）说说明阈值电压阈值电压的物理意义义。6.4实际MOS的电容电压特性6.41 金属属-半导导体功函数数差 实际实际器件中 MS，系统处统处于平衡时时，金属属和半导导体的费费米能级级一致，则两种则两种材料的真真空能级级必然不同，在系统统的
21、不同部分之间间出现电场现电场Evac，半导导体中出现现能带弯带弯曲，6.4实际实际MOS的电电容电压电压特性 M=SMOS结构的平衡能带图结构的平衡能带图 MS MOS结构的平衡能带图结构的平衡能带图6.4实际实际MOS的电电容电压电压特性6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容电压特性电压特性 以铝电极和以铝电极和P型硅衬底为例。铝的功函数比型硅衬底为例。铝的功函数比p型硅的小，前者的型硅的小，前者的费米能级比后者的高费米能级比后者的高。接触前，功函数差。接触前，功函数差 mssmFSFMqqqEE)(由于功函数的不同，铝由于功函数的不同，铝二氧化硅二氧化硅P P型硅型硅MOSMOS
22、系统在没有外系统在没有外加偏压的时候，在半导体表面就存在表面势加偏压的时候，在半导体表面就存在表面势 s s00。因此，欲。因此，欲使能带平直，即除去功函数差所带来的影响，就必须在金属使能带平直，即除去功函数差所带来的影响，就必须在金属电极上加一负电压。电极上加一负电压。msFSFMGqEEV)-1（这个电压一部分用来拉平二氧化硅的能带，一部分这个电压一部分用来拉平二氧化硅的能带，一部分用来拉平半导体的能带，使用来拉平半导体的能带，使 s s0 0。因此称其为平。因此称其为平带电压。带电压。6.4实际实际MOS的电电容电压电压特性6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容电压特性电压特性
23、 MS0 对器件特性的影响 对理想MOS，平带电压为0，对应的高频C-V特性曲线如图中的虚线。对实际器件，需要加栅电压VG=MS,以达到平带状态。由于两种情况在平带条件下的电容相同，实际器件的平带点沿电压轴横向移动了MS 对理想器件C-V特性曲线上的任意一点，在实际器件上需在栅上加电压MS，才能得到相同的电容 理想C-V与实际C-V曲线之间的电压飘移了VG VG=(VG-VG1)sameC=MS6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容电压特性电压特性 功函数差对MOS电容高频特性的影响n n型衬底型衬底 M MS S MOS MOS结构的平衡能带图结构的平衡能带图6.4 6.4 实际实
24、际MOSMOS的电容的电容电压特性电压特性 6.4.2界面陷阱和氧化物电荷的影响界面陷阱和氧化物电荷的影响 热生长的SiO2-Si结构中电荷中心的特点和位置理想MOS假设设在氧氧化层层中或氧氧化层层-半导导体界面没没有电电荷中心。而实际实际器件中，氧氧化层电层电荷则会带来则会带来很大的电压电压漂移和不稳稳定性。通过过广泛研研究，已确定了一些处处于氧氧化层层中或氧氧化层层-半导导体界面的电电荷中心。6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容电压特性电压特性 界面陷阱电荷界面陷阱电荷Q Qitit（interface trapped chargeinterface trapped charg
25、e）硅（硅（100100）面，）面，Q Qitit约约10101010cmcm2 2，硅（硅（111）面，面，Q Qitit 约约 10101111cmcm2 2。氧化物固定电荷氧化物固定电荷Q Qf f （fixed oxide chargefixed oxide charge）Q Qf f位于位于Si-SiO2界面约界面约3nm的范围内，这些电荷是固定的，的范围内，这些电荷是固定的，Q Qf f是是正的。正的。硅（硅（100100）面，）面，Q Qf f约约10101010cmcm2 2 硅（硅（111）面，面，Q Qf f 约约 5 10101010cmcm2 2。因为（因为（10010
26、0）面的）面的Q Qitit 和和Q Qf f 较低，故硅较低，故硅MOSFETMOSFET一般采用（一般采用（100100）晶面。晶面。itQ氧化物陷阱电荷氧化物陷阱电荷Q QOtOt（oxide trapped chargeoxide trapped charge）界面陷阱的来源 Si界面的悬挂键 减少界面陷阱浓度的方法 金属后退火或在氢气氛中退火，以减少悬挂键的浓度大都可以通过低温退火消除。可动离子电荷可动离子电荷Q Qm m（mobile ionic chargemobile ionic charge）诸如钠离子和其它碱金属离子，在高温和高压下工作时，它们能在氧化层内移动。6.4 实际
27、实际MOS的电容的电容电压特性电压特性 oxGdxxxCxV0002)(1氧化物电荷对平带电压的影响氧化物电荷对平带电压的影响绝缘层中的电荷对平带电压的影响与他们所处的位置有关6.4 实际实际MOS的电容的电容电压特性电压特性 001.00000002201.01)(10CxdxxxCdxxxxCVionxionxGo009.0002219.0)(10CxdxxxxCVionxxGo6.4 实际实际MOS的电容的电容电压特性电压特性 1.在M-SiO2界面的电荷对平带电压没影响2.在SiO2-Si界面的固定电荷Q QF FoFxoFoxoxoGoFoCQdxxxQCxdxxxCxVxQx)(1
28、)(1)()(00000026.4 实际实际MOS的电容的电容电压特性电压特性 界面陷阱是指界面缺陷在禁带中引入了允许电子占据的能级，使界面在不同偏置状态下具有不同的与界面陷阱相关的电荷，从而使MOS器件的C-V特性与理想C-V特性偏离。oITGCQV（界面陷阱）26.4 实际实际MOS的电容的电容电压特性电压特性 6.4 实际实际MOS的电容的电容电压特性电压特性 图 n型器件，在不同偏置下，界面能级填充情况反型 (b)耗尽 (c)积累施主型陷阱，被电子占据为中性，空态带正电受主型陷阱，被电子占据带负电，空态为电中性(a)反型QIT最大，积累QIT最小，耗尽QIT界于二者之间6.4 实际实际
29、MOS的电容的电容电压特性电压特性 6.4 实际实际MOS的电容的电容电压特性电压特性 结论 QF，QM、MS导致C-V特性曲线相对理想曲线沿电压轴产生平行的负漂移 QIT引起的VG会因所加偏置的不同或正或负，因而使C-V特性曲线产生畸变 目前生产商开发了一些减少MOS器件非理想性的工艺技术，可制备出近乎理想的器件oIToFMoFMSGCQCQCQV6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容电压特性电压特性 6.4.3实际的实际的MOS阈值电压和阈值电压和C-V曲线曲线 平带电压平带电压:为实现平带条件所需的偏压：为实现平带条件所需的偏压：（6-6-4-14-1）oIToFMoFMSGG
30、GFBCQCQCQVVVVS210第一项是，为消除半导体和金属的功函数差的影响，金属电极第一项是，为消除半导体和金属的功函数差的影响，金属电极相对于半导体所需要加的外加电压；相对于半导体所需要加的外加电压；第二项是为了把绝缘层中正电荷发出的电力线全部吸引到金属第二项是为了把绝缘层中正电荷发出的电力线全部吸引到金属电极一侧所需要加的外加电压；电极一侧所需要加的外加电压；第三项是支撑出现强反型时的体电荷，所需要的外加电压；第三项是支撑出现强反型时的体电荷，所需要的外加电压；第四项是开始出现强反型层时，半导体表面所需的表面势。第四项是开始出现强反型层时，半导体表面所需的表面势。FBmsCQCQFCB
31、QFBVTHV220000阈值电压阈值电压6.4 实际实际MOS的电容的电容电压特性电压特性 例题题：标准MOSFET，其理想情况下的阈值电压为0.8V。xo=0.05m,AG=10-3cm2,非理想特性的相关参数为：MS=-0.89eV,QM=0,QIT=0,假设T=300K。1.确定平带电压VFB2.确定实际MOSFET反型开始对应的栅电压VTH（4分）3.给定的MOSFET是增强型MOSFET还是耗尽型MOSFET（2分210/105cmqQF6.4 实际实际MOS的电容的电容电压特性电压特性 qQxqCQVFOOMSOFMSFBV01.1)1085.8)(9.3()105)(105)(
32、106.189.01410619（VVT21.001.180.0VG=0时器件导通，因此是耗尽型MOSFET6.4 实际实际MOS的电容的电容电压特性电压特性 6.5 6.5 MOSMOS场场效应应晶体管6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 6.5.16.5.1基本结构和工作过程基本结构和工作过程 1.源极（S），漏极（D），栅极（G），有源区，场区 2.S与D在没有加外电压之前不能确定。3.nFET（p型衬底，沟道电子导电）,D极是具有较高电压的一断 4.pFET（n型衬底，沟道空穴导电），D极是具有较低电压的一端 5.电流流动是由载流子（nFET为电子，pFET为空穴）在受
33、栅极（G）控制的情况下，从源（S)向漏（D)运动而形成的。6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 2.MOSFET器件工作机理的定性分析VG=0，VD0，从源到漏是两个背靠背的反偏PN结，只有很小的反偏电流流过。VGVT,MOS处于积累或耗尽，沟道中只有NA-耗尽层，MOS开路，ID=0VGVT,沟道中电子堆积，反型层导电能力增强，MOS导通。VG越大，反型层电子越多，导电能力越强VGVTH,沟道有电子反型层，漏电流为ID6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 （1）VD=0，热热平衡ID=0VGVTH的导通情况
34、下，的导通情况下，VD对电流对电流ID的影响的影响（2）VD增加小的正电压，沟增加小的正电压，沟道类似简单电阻，道类似简单电阻，ID随随 VD成正成正比增加比增加IndDdDQLZgVgI（3）VD大于零点几伏，VD对栅对栅的反型起负负面影响响，因为为 漏端pn结结反向偏置。VD增加，耗尽层尽层增大，使漏端附近反型层电层电子减减少，沟沟道导电导电能力下降，ID随随VD增加的斜率变变小VGVT的导通情况下，的导通情况下，VD对电流对电流ID的影响的影响（4）VD继续继续增加，直到漏端 附近反型层电层电子消失，称称作沟沟道夹断夹断，对应对应于B点，此时时的VD=VDS定义为夹断义为夹断电压电压VG
35、VT的导通情况下，的导通情况下，VD对电流对电流ID的影响的影响VGVT的导通情况下，的导通情况下，VD对电流对电流ID的影响的影响(5)VDVDS时，沟道夹断部分时，沟道夹断部分L增宽，夹断区载流子很少，增宽，夹断区载流子很少，电导率减小，电导率减小，VD超过超过VDS的部分的部分主要降落在主要降落在L夹断区。夹断区。对于长沟道对于长沟道MOS,LVDS，ID基本保持基本保持 不变不变;对于短沟道对于短沟道MOS（L L），），当当VDVDS，ID随随VD的增加略的增加略 有增加有增加VGSVT的导通情况下，的导通情况下，VDS对电流对电流ID的影响的影响（6）VGVTH,VG越大，反型越大
36、，反型层电子越多，对应夹断的层电子越多，对应夹断的VDS越越 大；大；ID-VD特性曲线起始斜率随特性曲线起始斜率随VG增大而增大。增大而增大。（7）MOS管输出电流受栅电管输出电流受栅电压控制，压控制，VGVTH导通，导通情况下，导通，导通情况下，VDVDS,MOS工作在饱和区工作在饱和区。VGVT的导通情况下，的导通情况下，VD对电流对电流ID的影响的影响理想假设设：（1）忽略源区和漏区体电阻和电极接触电阻；）忽略源区和漏区体电阻和电极接触电阻；（2）沟道内掺杂均匀；）沟道内掺杂均匀；（3）载流子在反型层内的迁移率为常数；）载流子在反型层内的迁移率为常数；（4）长沟道近似和）长沟道近似和缓
37、变沟缓变沟道近似，即Ex为为一常数数（5）沟沟道中的电电流主要是由漂移产产生的6.5.2电电流-电压关电压关系：数学数学推导导用来推导用来推导ID-VD关系的关系的MOSFET示意图示意图6.5 6.5 MOSMOS场场效应应晶体管 6.5 6.5 MOSMOS场场效应应晶体管 VG VT，0 VD VDs情况况下，ID-VD特性曲线线的平方律理论论推导导dyydVnqnEqJnyn)(-平方律理论假设栅上电荷的变化仅由反型电荷QI变化来平衡，即耗尽层宽度不变.在MOSFET沟道中，漂移占主导作用6.5 6.5 MOSMOS场场效应应晶体管 dyydVQZdxdzEyxnqdxdzJIInyn
38、D)(),(单位面积的反型层电荷IQ6.5 6.5 MOSMOS场场效应应晶体管 线性区线性区 感应沟道电荷感应沟道电荷漂移电子电流漂移电子电流 （6-70）式称为萨支唐（）式称为萨支唐（C.T.Sah）方程。方程。yVVVCQTHGI0dVVVVCZdyITHGnD0MOSFET的半导体的电势从S端的0升到D端的VD，平板电容器在源端的电势差VG-VTH-0，漏端VG-VTH-VD，中间任一点为VG-VTH-V(y）2)(2)()0(0DDTHGonDLVVThGonLDVVVVLCZIdVVVVCZdyI6.5 6.5 MOSMOS场场效应应晶体管 DTHGOnVVVLC)(ZI,VDD很
39、小时当6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 饱和区饱和区 假设在假设在L L点发生夹断，点发生夹断，00yVVVCQTHGITHGDSVVV202THGnDSatVVLZCI方法二：0DDVITHGDSVVV202THGnDSatVVLZCI总结MOSFET的平方律理论 NMOS：VTH0 VGVTH MOSFET截止，ID=0 VDVTH MOSFET导通 VDVDsPMOS:VTHVTH,MOSFET截止 VGVTH,MOSFET 导通2)(2DDTHGonDVVVVLCZI202THGnDSatVVLZCITHGDSVVV例题 N沟MOSFET的特性由下列参数表征。（1）
40、栅电压VG是多少？（2）若VG=2V，VD=2V，求：ID=？gd=?gm=?（3）若VG=3V，VD=1V，求：ID=？gd=?gm=?（4）对（2）和（3）给定的条件，分别画出通 过沟道的反型层电荷和耗尽区时，VVVVTHDS8.04AIDS41026.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 6.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应6.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应 教学要求教学要求 1.线性导纳、导通电阻线性导纳、导通电阻、线性区线性区跨导、饱和区跨导、跨导、饱和区跨导、饱和区的饱和区的漏极电阻，漏极电阻，栅极电容栅极电容 2.导出公式导出公式（6
41、-6-6-26-2）、（）、（6-6-6-56-5）、（）、（6-6-6-66-6）3.画出交流等效电路图画出交流等效电路图6-20 4.4.计算了截止频率计算了截止频率，指出，指出提高工作频率或工作速度的途径提高工作频率或工作速度的途径v 作业：作业：6.11、6.12 0f不变不变GSDSVDSDdVGSDmVIgVIg6.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应 夹断前2)(2DDTHGonDVVVVLCZIDonmDThGondVLCZgVVVLCZg)(6.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应 线性区的电阻，称为开态电阻，或导通电阻，线性区的电阻，称为开态电阻，或
42、导通电阻，可用下式表示可用下式表示 THGndonVVZCLgR01THGnDTHGndVVLZCVVVLZCg006.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应 夹断后)(0ThGonmdVVLCZgg2)(2ThGonDSVVLCZI6.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应 图图6-19 6-19 MOSFETMOSFET中沟道导纳与的对应关系中沟道导纳与的对应关系 6.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应 3.3.饱和区的漏极电阻饱和区的漏极电阻r rDSDS 饱和区漏极电阻可以用作图法从漏极特性中求得。饱和区漏极电阻可以用作图法从漏极特性中求得。4.4.栅
43、极电容栅极电容(本征电容）本征电容）常数GVDSatDSatatddsIVsrrGCZLCCG06.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应 输出短路时输出短路时2max221222)(LVCgfgfCiigifCjfCjCCjiDnomgmgOoutingmoutgOgsggdgsin减小沟道长度可以提高工作频率6.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应 6.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应 小结小结 交流小信号参数：交流小信号参数：线性导纳线性导纳 导通电阻导通电阻 线性区线性区跨导跨导：对：对式（式（6-706-70）求导）求导 （6-766-76）TH
44、GnDTHGndVVLZCVVVLZCg00THGndonVVZCLgR01（6-776-77）DnmVLZCg0（6-796-79）6.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应 小结小结饱和区跨导：对式（饱和区跨导：对式（6-746-74）求导）求导 饱和区的漏极电阻饱和区的漏极电阻 栅极电容栅极电容 ZL （6-796-79）（6-806-80）（6-816-81）THGnmVVLZCg0常数GVDSatDSatatddsIVsrrGCGC0C6.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应 小结小结 给出了交流等效电路图给出了交流等效电路图6-206-20 计算了截止频率计算
45、了截止频率 提高工作频率或工作速度的途径：沟道长度要短，载流子迁移率要高。提高工作频率或工作速度的途径：沟道长度要短，载流子迁移率要高。（6-826-82）)(,2220DSatDDnGmVVLVCgf0f210/105cmqQF 制备出一个标准MOSFET，相关参数为：MS=-0.89eV,QM=0,QIT=0,xo=0.05m,AG=10-3cm2,NA=1015/cm3,假设T=300K。确定平带电压VFB。确定反型开始对应的栅电压VTh给定的MOSFET是增强型MOSFET还是耗尽型MOSFET图1图26.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应 (4)如果MOSFET中内部状
46、态如下图1所示，在图2所示的ID-VD特性曲线上确定相应的工作点（5）若在VG-VTh=3V、VD=1V情况下，MOSFET的漏断电流ID=2.510-4A,采用平方律关系，求在VG-VTh=3V、VD=4V情况下的漏断电流？6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应 qQKxqCQVFOOOMSOFMSFBV01.1)1085.8)(9.3()105)(105)(106.189.01410619（1）FBTVVVTFOSAOOSFTKqNxKKV42VInnNInqkTiAF298.010100259.01015VVT80.0)1085.8)(8.11()298.0)(10)(106.1)
47、(4(9.3)105)(8.11(298.02211415196VVT21.001.180.0 GVTVVVVVVDTG13，(3)由于，MOSFET开始导通，在 VG=0时器件导通，因此是耗尽型MOSFET（4）可见MOSFET沟道被夹断，相应于饱和开始的点为点D。（5）如果 MOSFET工作夹在夹断前的情况，由平方定律公式，有 2442/105.03105.22)(VAVVVVILCZDDTGDon 当VG-VT=3V，VD=4V，器件进入饱和，有 AVVLCZIITGonDsatD4242105.42310)(26.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应 作业题17-3室温下理
48、想P沟MOSFET（1）VD=0，器件开启时的能带图（2）VD=0，器件开启时的电荷块图（3）画出器件夹断时MOSFET中的反型层和耗尽层6.86.8场效应晶体管的类型场效应晶体管的类型6.86.8场效应晶体管的类型场效应晶体管的类型 按照反型层类型的不同，按照反型层类型的不同，MOSFET可分可分 四种不同的基本类型四种不同的基本类型 N N沟沟MOSFETMOSFET：P P沟增强型：沟增强型：V VG G=0=0，器件没有导通，器件没有导通 P P沟耗尽型：沟耗尽型：V VG G=0=0，器件已经导通，器件已经导通 P P沟沟MOSFETMOSFET：P P沟增强型：沟增强型：V VG
49、G=0=0，器件没有导通，器件没有导通 P P沟耗尽型：沟耗尽型：V VG G=0=0，器件已经导通，器件已经导通 6.8场效应晶体管的类型场效应晶体管的类型 6.86.8场效应晶体管的类型场效应晶体管的类型 表表6.26.2四种器件的截面、输出特性和转移特性四种器件的截面、输出特性和转移特性 6.86.8场效应晶体管的类型场效应晶体管的类型 表表6.26.2四种器件的截面、输出特性和转移特性四种器件的截面、输出特性和转移特性 亚阈值电导亚阈值电导理想ID-VD关关系中，当当VG VTH时时，MOSFET截止，ID=0实际实际器件，当当VG VTH时时，ID并并不为为0，把VG VTH时时的漏
50、电电流称为亚阈值电称为亚阈值电流理想和实验理想和实验 函数关系的比较函数关系的比较 GSDVI s2 fp时，在半导时，在半导体表面体表面EF更靠近更靠近EC，表面处于弱表面处于弱n型，沟型，沟道中存在少量电子，道中存在少量电子，使沟道导通。使沟道导通。fp s2 fp2)(2DDTHGonDVVVVLCZI2)(2)(THGonDSVVLCZsatI夹断前夹断前夹断后夹断后漏端电流反比于沟道长度，考虑沟道调制效应漏端电流反比于沟道长度，考虑沟道调制效应DDILLLI)(为理想漏端电流为实际漏端电流，DIDI例题例1.一个理想的N沟道MOSFET,在T=300K下进行特性分析，器件参数为：?1
