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1、2018/10/16,Theory of Semiconductor Devices,1,第五章： MOS器件,5.1 MOS结构的基本性质及MOS二极管 5.2 MOS场效应晶体管的基本理论 5.3 MOSFET的频率特性 5.4 MOSFET的击穿特性 5.5 MOSFET的功率特性和功率MOSFET结构 5.6 MOSFET的开关特性 5.7 MOSFET的温度特性 5.8 MOSFET的短沟道和窄沟道效应 5.9 短沟道MOSFET,2018/10/16,Theory of Semiconductor Devices,2,简介,MOSFET在半导体器件中占有相当重要的地位，它是大规模集
2、成电路和超大规模集成电路中最主要的一种器件。 MOSFET是一种表面场效应器件，是靠多数载流子传输电流的单极器件。它和前面介绍的JFET、MESFET统称为场效应晶体管，其工作以半导体的场效应为物理基础。 与两种载流子都参加导电的双极晶体管不同。场效应晶体管的工作原理是以简单的欧姆定律为根据的，而双极晶体管是以扩散理论为根据的。双极晶体管是电流控制器件，而场效应晶体管则是电压控制器件。 与JFET和MESFET栅压控制导电沟道截面积不同， MOS器件栅压控制的是导电沟道的载流子浓度。,2018/10/16,Theory of Semiconductor Devices,3,与双极晶体管相比，场
3、效应晶体管的优点是： （1）输入阻抗高。一般为1010的数量级，最高可达1013，这有利于放大器各级间的直接耦合，且只需要很小的前级驱动电流，并可与多个FET并联； （2）场效应晶体管的输入功耗很小； （3）温度稳定性好；因为它是多子器件，其电学参数不易随温度而变化。例如当温度升高后，FET沟道中的载流子数略有增加，但同时又使载流子的迁移率稍为减小，这两个效应正好相互补偿，使FET的放大特性随温度变化较小； （4）场效应晶体管的增益（即栅的跨号gm）在较大漏电流条件下基本上不变化。而双极晶体管的hFE（IC）在大电流下却很快下降； （5）噪声系数小，这是因为FET依靠多子输运电流，故不存在双极
4、晶体管中的散粒噪声和配分噪声； （6）抗辐射能力强。双极晶体管受辐射后非平衡少子寿命降低，故电流增益下降。FET的特性与载流子的寿命关系不大，故抗辐射性能较好； （7）增强型MOS晶体管之间存在着天然的隔离，可以大大地提高MOS集成电路的集成度。,2018/10/16,Theory of Semiconductor Devices,4,场效应晶体管与双极晶体管相比也存在一些缺点： （1）工艺环境要求高； （2）场效应管的速度比双极晶体管的速度低等。,2018/10/16,Theory of Semiconductor Devices,5,5.1 MOS结构的基本性质及MOS二极管,1、基本结构
5、和能带图MOS结构指金属氧化物半导体结构：半导体作为衬底，假定均匀掺杂；氧化物一般为SiO2，生长工艺简单， SiO2 /Si的界面态密度0,EF,Ev,Ec,Ei,电荷分布,电场分布,2018/10/16,Theory of Semiconductor Devices,19,强反型:,2018/10/16,Theory of Semiconductor Devices,20,强反型:,x,wm,Qm,-d,Qn,Qsc,Charge Distribution,Electric Field,x,E(x),一旦反型层形成，能带只要再向下弯一点点，对应于耗尽层宽度增加很小，就会使反型层内的电荷Qn
6、大大增加，因此表面耗尽层宽度达到最大值 Wm。,2018/10/16,Theory of Semiconductor Devices,21,表面耗尽区,半导体内静电势为0，参考零点取本征费米能级Ei,在半导体表面,EF,Ei,Semiconductor surface,EC,Ev,Eg,Oxide,x,P-type silicon,2018/10/16,Theory of Semiconductor Devices,22,表面处载流子浓度为:,表面势分为以下几种：,空穴积累 (能带向上弯曲),平带条件,空穴耗尽 (能带向下弯曲),本征状态 ns=np=ni,反型 (能带向下弯曲),2018/1
7、0/16,Theory of Semiconductor Devices,23,表面势列表,2018/10/16,Theory of Semiconductor Devices,24,讨论： （1）表面势S=0时，表面与体内的电势相同，即为平带条件。这是“表面积累”和“表面耗尽”两种状态的分界； （2）S=B时，Ei和EF在表面处相交，表面处于本征状态。这是“表面耗尽”和“表面反型”两种状态的分界； （3）S=2B时，是“弱反型”和“强反型”的分界。,2018/10/16,Theory of Semiconductor Devices,25,对于MOSFET来说，最令人关注的是反型的表面状态。
8、当栅偏压VG0时，P型半导体表面的电子浓度将大于空穴浓度，形成与原来半导体导电类型相反的N型导电层，它不是因掺杂而形成的，而是由于外加电压产生电场而在原P型半导体表面感应出来的，故称为感应反型层。这一反型层与P型衬底之间被耗尽层隔开，它是MOSFET的导电沟道，是器件是否正常工作的关键。反型层与衬底间的PN结常称为感应结。,2018/10/16,Theory of Semiconductor Devices,26,反型使得能带向下弯曲，当半导体表面处的本征费米能级Ei不是比费米能级EF低很多时，反型层中的电子仍然相当少，基本上和本征载流子浓度ni同数量级。这种情况称为“弱反型”。为在表面形成实用的N型沟道，就必须规定一个实用的反型标准。 一般人们常用的最好标准就是“强反型”条件（或称“强反型”近似）。 强反型近似认为：当外加栅电压增加到某一值（VG0）时，能带向下弯曲到使表面处的Ei在EF下方的高度正好等于半导体内部Ei在EF上方的高度。也就是说表面处N型层的电子浓度正好等于P型衬底的空穴浓度。这就是“强反型”条件。,
