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 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，如绘于图）金属和半导体之间的功函数差为零，如绘于图6-26-2b b中的情形。中的情形。由于假设（由于假设（1 1）、（）、（2 2），），在在无偏压时半导体能
2、带是平直的。无偏压时半导体能带是平直的。（3 3）层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过。因此，即使有外加电压，表面空层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过。因此，即使有外加电压，表面空间电荷区也处于热平衡状态，这使得整个表面空间电荷区中费米能级为常数。这些间电荷区也处于热平衡状态，这使得整个表面空间电荷区中费米能级为常数。这些假设在以后将被取消而接近实际的假设在以后将被取消而接近实际的MOSMOS结构。结构。2SiO6.1 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 半导体表面空间电荷区半导体表面空间电荷区 ：每个极板上的感应电荷与电场之间满足如下关系每个极板上的感应电
3、荷与电场之间满足如下关系 （6-16-1）式中式中 =自由空间的电容率自由空间的电容率 =氧化物的相对介电常数氧化物的相对介电常数 =半导体表面的电场半导体表面的电场 =半导体相对介电常数半导体相对介电常数 =空间电荷区在半导体内部的边界亦即空间电荷区宽度。空间电荷区在半导体内部的边界亦即空间电荷区宽度。外加电压外加电压 为跨越氧化层的电压为跨越氧化层的电压 和表面势和表面势 所分摊：所分摊：00kSSkdxGV0VSSGVV0（6-26-2）SSSMkkQQ00006.1 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图图6-3 加上电压加上电压 时时MOSMOS结构内
4、的电位分布结构内的电位分布GV6.1 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 根据所加栅极的极性和大小，可能出现三种不同表面情况：载流子积累、耗根据所加栅极的极性和大小，可能出现三种不同表面情况：载流子积累、耗尽和反型尽和反型载流子积累：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。载流子积累现象。单位面积下的空间电荷单位面积下的空间电荷00()dxsQqp xp dx6.1 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 图图6-4 几
5、种偏压情况的能带和电荷分布几种偏压情况的能带和电荷分布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 载流子耗尽载流子耗尽单位面积下的总电荷为单位面积下的总电荷为 式中式中 为耗尽层宽度。为耗尽层宽度。daBSxqNQQ（6-66-6）022sdaSkxqN 21dSxxx（6-76-7）dx（6-56-5）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 6.1.36.1.3反型和强反型条件反型和强反型条件载流子反型：载流子类型发生变化的现象或者说半导体的导电类型发生变化的现象。载流子反型：载流子类型发生变化的现象或者说半导体的导电类
6、型发生变化的现象。导出导出MOSFET反型和强反型条件反型和强反型条件反型条件反型条件:强反型条件强反型条件:式中式中 为出现强反型时的表面势。为出现强反型时的表面势。（6-176-17）（6-186-18）fsfsi2Si6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器电容器6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器电容器 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 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。若令若令（6-226-22）GMdVdQC GVMsMMGdQddQdVdQdVC01（6-236-23）00dVdQCM（6-
7、246-24）SSSMSddQddQC（6-256-25）6.2 6.2 理想MOSMOS电电容器 则则 =绝缘层单位面积上的电容，绝缘层单位面积上的电容，=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。称为系统的归一化电容。称为系统的归一化电容。（6-266-26）（6-286-28）（6-296-29）SCCC11100CSCSCCCC00110CC00000 xkdVdQCM6.2 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
8、导体MOSMOS的的C-VC-V特性特性 解释出现反型层以后的电容C与测量频率有关的现象。答：所谓电容与测量频率有关，就是与交变信号电压的频率有关。在出现反型层以后，特别是在接近强反型时，表面电荷由两部分所组成：一部分是反型层中的电子电荷 ，它是由少子的增加引起的。另一部分是耗尽层中的电离受主电荷 ，它是由于多子空穴的丧失引起的。IQBQBIsQQQ（6-21）表面电容 为 考虑 是怎样积累起来的。例如，当MOS上的电压增加时，反型层中的电子数目要增多。P型衬底中的电子是少子，由衬底流到表面的电子非常少，因此，反型层中电子数目的增多，主要依靠耗尽层中电子空穴对的产生。在反型层中实现电子的积累是
9、需要一个过程的。这个过程的弛豫时间由非平衡载流子的寿命所决定，一般比较长。同样，当MOS上的电压减小时，反型层中的电子要减少。电子数目的减少主要依靠电子和空穴在耗尽层中的复合来实现。如果测量电容的信号频率比较高，耗尽层中电子空穴对的产生和复合过程跟不上信号的变化，那么，反型层中的电子电荷 也就来不及改变。于是，SCSSsddQCSBSIddQddQ（6-47）IQIQ 这样在高频情况下，随着直流偏压 的增加，增大，电容C减小。当表面形成了强反型层时，强反型层中的电子电荷随直流偏压的增加而e指数地增加，对直流偏置电场起屏蔽作用。于是，耗尽层宽度不再改变，达到极大值 。这时，MOS系统的电容C要达
10、到极小值 。在接近强反型区，如果测量电容的信号频率比较低，耗尽层中电子空穴对的产生与复合过程能够跟得上信号的变化，这时，反型层中的电子电荷的变化，屏蔽了信号电场，对表面电容的贡献是主要的，而耗尽层的宽度和电荷基本上不变，因此0SIddQdsSBsxkddQC0GVdxdmxminCsIddQ0SBddQ在这种情况下，表面电容由反型层中电子电荷的变化所决定 在形成强反型以后，随 变化很快，的数值很大。于是，MOS 系统的电容C趋近 ，即随着 的增加，C经过一个极小值，而后迅速增大，最后趋近于 。以上说明了MOS系统的C-V关系随测量频率变化的原因。SIsddQCIQSsC0C10CC（6-50）
11、GV0C6.3 6.3 沟道电导与阈值电压沟道电导与阈值电压6.3 6.3 沟道电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
12、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MOSFETMOSFET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）THVSiBIGCQCQV00THGSiBGIVVCCQVCQ000GVSiBTHCQV0SiBQ6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容电压
13、特性的电容电压特性6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容电压特性电压特性 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阈值电压阈值电压 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；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电极一侧所需要加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；的外加电压；第三项是支撑出现强反型时的体电荷第三项是支撑出现强反型时的体电荷 所需要的外加电压；所需要的外
14、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。0021CQVVVmsGGFBSiBmsCQCQSiCBQFBVTHV0000（6-656-65）（6-666-66）BQ6.5 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 基本结构和工作过程基本结构和工作过程 沟道长度为沟道长度为L，沟道宽度为，沟道宽度为Z图图6-15 6-15 MOSFETMOSFET的工作状态和输出特性：（的工作状态和输出特性：（a a）低漏电压时低漏电压时 衬底p 小DV S N N LGVTHV 沟道
15、耗尽区 DV DI（a）y（a）6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 基本结构和工作过程基本结构和工作过程 图图6-15 6-15 MOSFETMOSFET的工作状态和输出特性：（的工作状态和输出特性：（b b）开始饱和开始饱和 DsatDVV S N N GVTHV 耗尽区 夹断点（P）DV DI（b）DsatI DsatV（b）6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 基本结构和工作过程基本结构和工作过程 图图6-15 6-15 MOSFETMOSFET的工作状态和输出特性：（的工作状态和输出特性：（c c）饱和之后饱和之后 DsatV S N N GVTHV
16、耗尽区 （P）DV LDV DI（c）y （c）6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 静态特性静态特性 线性区线性区 在下面的分析中，采用如下主要假设：在下面的分析中，采用如下主要假设：（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）长沟道近似和渐近沟道近似，）长沟道近似和渐近沟道近似，即假设垂直电场和水平电场是互相独立的。即假设垂直电场和水平电场是互相独立的。图图6-16 6-16 N N沟道沟道MOSMOS晶体管晶体管 衬底p
17、 DV S N N GV dQ V dVV Al Al Al 2SiO x y 6.5 6.5 MOSMOS场场效应应晶体管 线性区线性区 y y处建立起电位处建立起电位V(yV(y)，因而感应沟道电荷修正为，因而感应沟道电荷修正为 （6-676-67）漂移电子电流漂移电子电流 两边积分得两边积分得 （6-70）式称为萨支唐（）式称为萨支唐（C.T.Sah）方程。方程。yVVVCQTHGI0dydVQZIyyInD/,式中dVVVVCZdyITHGnD0220DDTHGnDVVVVLZCI（6-686-68）（6-696-69）（6-706-70）6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应
18、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，则则 把式（把式（6-736-73）代入式（）代入式（6-706-70）得）得 此式在开始饱和时是有效的。超过这一点，漏极电流可看作是常数。此式在开始饱和时是有效的。超过这一点，漏极电流可看作是常数。所有抛物线顶点右边的曲线没有物理意义。所有抛物线顶点右边的曲线没有物理意义。00yVVVCQTHGI DSatTHGVVVLV（6-736-73）（6-746-74）202THGnDSatVVLZCI6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 截止区：截止区：若栅电压小于阈值电压，不会形成反型层。若栅电压小于阈值电压，不会形
19、成反型层。结果是，结果是，MOSFETMOSFET象是背对背连接的两个象是背对背连接的两个P-NP-N结一结一样，相互阻挡任何一方的电流流过。晶体管在样，相互阻挡任何一方的电流流过。晶体管在这一工作区域与开路相似。这一工作区域与开路相似。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 MOSFET等效电路中所涉及的小信号参数如下：等效电路中所涉及的小信号参数如下：1.1.线性导纳线性导纳 对式（对式（6-706-70）求导数）求导数 线性区的电阻，称为开态电阻，或导通电阻，可用下式表示线性区的电阻，称为开态电阻，或导通电阻，可用下式表示
20、 （6-766-76）（6-756-75）dg常数GVDDdVIgTHGnDTHGndVVLZCVVVLZCg00THGndonVVZCLgR01（6-776-77）6.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应 跨导跨导 线性区：对线性区：对式（式（6-706-70）求导）求导饱和区：对式（饱和区：对式（6-746-74）求导）求导 在假设在假设 为常数时，饱和区跨导为常数时，饱和区跨导 的表示式和线性区导纳的表示式和线性区导纳 的相同的相同提高提高gm的具体措施有：（的具体措施有：（1）增大载流子迁移率，选用体内迁移率高的材料；（）增大载流子迁移率，选用体内迁移率高的材料；（2）减）
21、减小栅氧化层厚度，制作高质量的尽可能薄的栅氧化层；（小栅氧化层厚度，制作高质量的尽可能薄的栅氧化层；（3）增大器件的宽长比；）增大器件的宽长比；（4）减小器件的串联电阻。）减小器件的串联电阻。（6-796-79）（6-786-78）（6-806-80）mg常数DVGDmVIgDnmVLZCg0THGnmVVLZCg0BQmgdg6.86.8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可分四种不同的基本类型可分四种不同的基本类型N沟沟MOSFET：若在零栅压下沟道电导很小，栅极必须加上正向电压才能形
22、成若在零栅压下沟道电导很小，栅极必须加上正向电压才能形成N N沟道，那么，这沟道，那么，这种器件就是增强型种器件就是增强型N N沟沟MOSFETMOSFET。若在零偏压下已存在若在零偏压下已存在N N型沟道，为了减小沟道电导，型沟道，为了减小沟道电导，栅极必须加负电压以耗尽沟道载流子，这样的器件是耗尽型栅极必须加负电压以耗尽沟道载流子，这样的器件是耗尽型N N沟沟MOSFETMOSFET。对于增强型对于增强型N N沟器件，要使沟道通过一定的电流，正的栅偏置电压必须比阈值电沟器件，要使沟道通过一定的电流，正的栅偏置电压必须比阈值电压大。而耗尽型压大。而耗尽型N N沟器件，在沟器件，在 时，沟道已可流过很大的电流，改变栅压可以时，沟道已可流过很大的电流，改变栅压可以增加或减小沟道电流。增加或减小沟道电流。P P沟沟MOSFETMOSFET：P P沟增强型沟增强型 P P沟耗尽型沟耗尽型 把电压的极性改变一下，上述关于把电压的极性改变一下，上述关于N N沟器件结论可以很容易地推广到沟器件结论可以很容易地推广到P P沟器件沟器件。0GV
