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1、半导体器件 第四章 场效应晶体管 场效应晶体管 栅极采用PN结结构 栅极采用MOS结构 结型场效应晶体管 绝缘栅型场效应晶体管 4.2 绝缘栅型场效应晶体管 4.2.1 理想MOS结构 金属氧化物半导体结构，构成MOS管。MOS结构是绝缘栅型场效应晶体 管开关控制的核心部分。金属层引出的电极称为栅极，栅电压的正负是相对硅衬 底电压而言的。 理想MOS管平衡态的能带图 1、 理想MOS结构的特征 (1)零偏条件下，金属与 半导体的功函数差为0，即 功函数：费米能级与真空能级之间的能量差 理想情况下，平衡态时MOS 结构的能带图没有发生弯曲 。 金属的功函数表示为电子由金属内部逸出到真空中所需要的
2、最小能量。 功函数的大小标志着电子在金属中束缚的强弱，功函数越大，电子越不容易离开金属。 （2）在任何直流偏置下，绝缘层内无电荷且绝缘层，完全 不导电。 （3）绝缘层与半导体界面不存在任何界面态。 2、 理想MOS结构在非平衡态时的能带图 VG 0时，金属费米能级 相对于半导体费米能级 下降qVG。 能带弯曲的方向与费米 能级变化的方向相同。 半导体表面能带向下弯曲。 在半导体与氧化物的界面 处（即，能带发生弯曲的 区域），费米能级更远离 价带，意味着该区域空穴 浓度降低。 界面处出现了多数载流子的耗尽。 + VG 0时，理想MOS管的能带图 VG 0时，金属费米能 级相对于半导体费米能 级进
3、一步下降。 半导体表面能带进一步 向下弯曲。 栅压增大到一定值时， 半导体表面处费米能级 高于本征费米能级。表 面处电子浓度超过空穴 浓度。此时半导体表面 出现“反型”。 若反型层内电子浓度较低，称为“弱反型”； 若反型层内电子浓度等于体内多子浓度时，称为“临界强反型”。 通常认为，半导体表面在临界强反型时才具有导电能力。 + 从MOS管电容理论，理解半导体表面的反型 正的栅压会将半导体表面的空穴推向体内，同时把半导体 体内的电子吸引到表面区域，p型硅衬底表面（硅衬底与绝 缘层界面处）的电子浓度升高，出现反型。 P 表面电子浓度升高到与体内多子浓度相当时，为临界强反 型。此时，半导体表面形成导
4、电沟道，沟道中电子为多子 ，因此称为n沟道。 3、 理想n型衬底上MOS结构的能带图 （a）平衡态 （b）表面积累 + （c）表面耗尽（d）表面反型 4、 表面势 表面势是用于表征半导体表面能带弯曲程度的参数。 对于p型半导体： 若sp0,表面空穴积累； 若s0，则能带向下弯， 表面耗尽或反型； （耗尽：表面仍为p型， ps0，但较小，靠近绝缘层的半导体表面处于耗尽状态。源漏 之间仍然不导通。 VG增大到一定值时，半导体表面开始反型，绝缘栅下出现电子层。 当栅压增大到足以使半导体表面临界强反型时，反型层内电子 浓度足够大，形成导电能力较强的n型导电沟道，此时，导电沟道 将n型源漏连接起来，源漏
5、处于开态。 若处于弱反型状态，n型沟道的导电能力较差，源漏之间仍处于关 态； 阈值电压 半导体表面发生临界强反型时所加的栅极电压VG称为MOSFET的 阈值电压，用VT表示。 沟道开启以后，若继续增大VG，沟道中电子浓度按指数规律增加， 沟道的导电能力迅速增大，在源漏电压不变的情况下，源漏之间的 电流迅速增大。 转移特性 固定源漏电压VSD，源漏电 流ID随VG的变化关系，称 为MOSFET的转移特性。 输出特性 VGSVT为参量，源漏电流 ID随VDS的变化关系，称为 MOSFET的输出特性。 VDS很小时（VT的条件下，越大，反型沟道中的载流子浓度越高， 对应的源漏电流ID越大。 输出特性
6、转移特性 阈值电压 源漏饱和电压 源漏击穿电压 4.2.3 影响MOSFET阈值电压的因素 1、对阈值电压的理解 临界强反型：反型层中的电子 浓度与半导体体内多子浓度相等。 即s=2f ，半导体表面进入 临界强反型状态。 当表面电子浓度与体内多子浓度 相等时： Ei（体内）-EFs= EFs - Ei（表面） 2、理想MOSFET的阈值电压 半导体耗尽层上的分压： 这部分电压引起半导体 表面能带弯曲。 绝缘层上的分压： 这部分电压不能 引起半导体表面 能带弯曲。 栅氧层的性质（氧化层的介电常数 、厚度、面积等）会影响阈值电压 的大小。 衬底的性质（掺杂浓度、本征载流子 浓度）会影响阈值电压的大
7、小； 3、金属半导体功函数差对MOSFET阈值电压的影响 实际情况下，金属功函数与半导 体功函数会存在一定的差值。 实际情况下，在平衡态时，半 导体表面能带已经发生了弯曲。 实际情况下，在平衡态时，半 导体表面能带偏离了理想情况。 通过外加电压，恢复成理想情况 能带无弯曲（平带）。 使能带恢复为平带的外加电压 称为平带电压。 平带电压的大小等于金属半导体的功函数差 4、氧化层及界面电荷对MOSFET阈值电压的影响 氧化层及界面电荷的存在会使半导体表面产生电 场，能带发生弯曲，偏离理想情况。需要施加平 带电压，恢复成能带无弯曲的情况。这种情况下 ，平带电压的大小与绝缘层中电荷数相关。 影响MOS
8、FET阈值电压的因素主要有： 1、半导体衬底性质掺杂浓度NA、本征载流子浓度ni； 综上MOSFET阈值电压的表达式： 2、绝缘层电容大小绝缘层介电常数、厚度、面积； 3、金属半导体的功函数差； 4、绝缘层中电荷数量。 5、MOSFET的分类 n沟道、p沟道导电沟道类型 增强型、耗尽型栅压为0时，源漏是否导通 4.2.4 MOSFET的电流-电压关系 栅宽 栅长 载流子的迁移率 绝缘层电容 非饱和区： 饱和区： 进入饱和区后，电流 几乎不再受源漏电压的 影响，在VGS一定值时， 漏极电流保持恒定。 该电流值等于B点的电 流值.B点对应的源漏电压 即为源漏饱和电压： 源漏饱和电压 饱和区： 输出
9、特性曲线上，VDS=VGS-VT的曲线为临界饱和线。 非饱和区： 饱和区： 跨导 跨导的大小反应栅压对漏极电流的控制能力。跨导越大，控制 能力越强。 4.2.6 MOSFET的击穿 1、栅介质的可靠性与栅介质的击穿 当栅压过大时，栅介质会发生击穿。若栅介质发生击穿， 半导体表面的载流子会发生泄露，导电沟道消失。 （a）三角形势垒遂穿 （b）直接遂穿 在大电场或大电流的作用 下，栅介质中缺陷密度增 加，形成导电通道，栅介 质完全击穿。 2、源漏击穿 随着源漏电压的增大，导电沟道出现夹断。电压继续增大， 耗尽区的电场增强，引起雪崩击穿，ID急剧增大。 在曲率半径大的区域，电场最强，该区域最容易发生
10、雪崩击 穿。 4.2.10 MOSFET的等比例缩小 MOSFET 器件与电电路参数乘积积因子 器件参数按比 例缩缩小的衍生 结结果 栅长栅长 L1/ 栅宽栅宽 W、绝缘层绝缘层 厚度tox1/ 掺杂浓掺杂浓 度NA、ND 结结深xj1/ 电电路参数按比 例缩缩小的衍生 结结果 耗尽层电层电 容1/ 电电路延迟时间迟时间 （=RC）1/ 单单位电电路的功耗1/2 阈值电压阈值电压1/ 电电路密度2 第四章 重点 1、理想MOS管的能带结构 平衡态 非平衡态外加电压 能够根据非平衡态时能带结构，判 断出半导体表面的状态：积累、耗 尽、反型（弱反型、临界强反型） 2、表面势 理解表面势的含义： 表
11、征能带弯曲程度 结合能带图，分析表面势不同取值时，能带弯曲的情况， 进而判断MOS管半导体表面状态。 3、MOSFET的工作原理 转移特性 增强型 n沟道 MOSFET 1、为什么栅极电压要达到一定 值时，源漏才有电流流过？ 2、源漏开始导通时，MOS结构 中半导体表面处于哪种状态？ 输出特性 源漏饱和电压VDsat 漏端沟道夹断 转移特性 4、MOSFET的阈值电压 阈值电压 影响阈值电压的因素 ： 非理想MOS的能带图 实际MOS管在平衡态时半导体侧能带会发生弯曲，这与理想MOS 管在平衡态时的能带有一定的区别，引起实际情况与理想情况出现 偏差的原因？ （2个原因） 1、金属半导体的功函数
12、差； 2、绝缘层中电荷数量。 5、 MOSFET 的类型 1V 1、 已知一MOSFET的转移特性如下图，若栅极电压VGS为4V， 源漏饱和电压值为？ -1V 2、 已知一MOSFET的转移特性如下图，若栅极电压VGS为-4V， 源漏饱和电压值为？ 5、MOSFET的电流电压关系 输出特性曲线上，VDS=VGS-VT的曲线为临界饱和线。 非饱和区： 饱和区： 能够根据VGS、VDS、VT计算出非饱和状态或饱和状态时的漏极电流. 6、跨导 能够根据VGS、VDS、VT计算出非饱和状态或饱和状态时的跨导值 7、MOSFET的击穿 了解MOSFET的击穿包括：栅介质的击穿及源漏击穿。 8、MOSFET的等比例缩小规则 要求掌握等比例缩小规则下，器件各参数的变化及电路性能的变化。 例：按照等比例缩小规则，当栅长缩小K倍时，介质层厚度应如何 调整？
