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1、n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础11.1 双端双端MOS结构结构n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n能带图n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础多子积累：1）能带）能带（向上向上）弯曲并接近弯曲并接近EF；2）多子（空穴）在半导体表面积累，越接近半导体表面多子浓度越高。）多子（空穴）在半导体表面积累，越接近半导体表面多子浓度越高。图 11.4 p型衬底MOS电容器的能带图 (a)加负栅压n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础
2、半导体场效应晶体管基础多子耗尽：多子耗尽：1）表面能带向下弯曲；2）表面上的多子浓度比体内少得多，基本上耗尽，表面带负电。图 11.4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础少子反型：少子反型：1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；2）表面区的少子数多子数表面反型；3）反型层和半导体内部之间还夹着一层耗尽层。图 11.4 p型衬底MOS电容器的能带图 (c)加大正栅压n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础图 11.4 p型衬底MOS电容器的能带图n第第
3、11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础图 11.7 n型衬底MOS电容器的能带图 (a)加正栅压 (c)加小负栅压 (c)加大负栅压n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压1）能带（向上）弯曲并接近EF；41 n沟道增强型MOSFET I-V特性曲线4 p型衬底MOS电容器的能带图 (c)加大正栅压13 p型衬底MOS结构加零栅压时的能带图 (a) n多晶硅栅 (b) p多晶硅栅4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压13 p型衬底MOS结构加零栅压时
4、的能带图 (a) n多晶硅栅 (b) p多晶硅栅27 p型衬底MOS电容器 C-V特性电流-电压关系-数学推导2）表面区的少子数多子数表面反型；沟道中的电流是漂移而非扩散产生3 MOSFET基本工作原理13 p型衬底MOS结构加零栅压时的能带图 (a) n多晶硅栅 (b) p多晶硅栅沟道中的电流是漂移而非扩散产生4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压G-P模型相对于E-M模型考虑了更多的物理特性沟道中载流子迁移率为常数14 n型衬底MOS结构加负栅压时的能带图1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；2）表面区的少子数多子数表面反型；n耗尽层厚度耗尽层厚度n第第11章章 金属金属
5、-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n功函数差功函数差n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础图 11.13 p型衬底MOS结构加零栅压时的能带图 (a) n多晶硅栅 (b) p多晶硅栅n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础复合系数复合系数包含表面效应图 11.14 n型衬底MOS结构加负栅压时的能带图n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n第第11章章
6、 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n小结复合系数基极输运系数发射极注入效率共基极电流增益共射极电流增益n平带电压平带电压n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n阈值电压阈值电压阈值反型点：阈值反型点：n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n电荷分布电荷分布n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础11.2 电容电容-电压特性电压特性n理想理想C
7、-V特性特性多子堆积多子堆积MOS电容：电容：n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础14 n型衬底MOS结构加负栅压时的能带图3 MOSFET基本工作原理4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压4 p型衬底MOS电容器的能带图 (c)加大正栅压4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压2）表面区的少子数多子数表面反型；13 p型衬底MOS结构加零栅压时的能带图 (a) n多晶硅栅 (b)
8、p多晶硅栅4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；2）表面区的少子数多子数表面反型；4 p型衬底MOS电容器的能带图 (c)加大正栅压4 p型衬底MOS电容器的能带图4 p型衬底MOS电容器的能带图 (a)加负栅压2）表面区的少子数多子数表面反型；2）表面区的少子数多子数表面反型；14 n型衬底MOS结构加负栅压时的能带图2）表面区的少子数多子数表面反型；多子耗尽多子耗尽MOS电容：电容：阈值反型点最小电容：阈值反型点最小电容：n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场
9、效应晶体管基础少子反型少子反型MOS电容：电容：平带电容：平带电容：n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础图 11.27 p型衬底MOS电容器 C-V特性图 11.28 n型衬底MOS电容器 C-V特性n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n频率特性频率特性n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n固定栅氧化层和界面电荷效应固定栅氧化层和界面电荷效应n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础11.3 MOSFET基本工
10、作原理基本工作原理n结构结构n沟道增强型沟道增强型n沟道耗尽型沟道耗尽型p沟道增强型沟道增强型p沟道耗尽型沟道耗尽型n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n电流电流-电压关系电压关系n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础图 11.41 n沟道增强型MOSFET I-V特性曲线n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础非饱和区：饱和区：n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体
11、场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础3 MOSFET基本工作原理固定栅氧化层和界面电荷效应13 p型衬底MOS结构加零栅压时的能带图 (a) n多晶硅栅 (b) p多晶硅栅1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；3）反型层和半导体内部之间还夹着一层耗尽层。4 p型衬底MOS电容器的能带图 (c)加大正栅压1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；13 p型衬底MOS结构加零栅压时的能带图 (a) n多晶硅栅 (b) p多晶硅栅2）表面区的少子数多子数表面反型；4 p型衬底MOS电容器的能带图 (c)加大正栅压电流-电压关系-数学推导3 MOSFET基本工作原理14 n型衬底MOS结构加
12、负栅压时的能带图2）表面区的少子数多子数表面反型；1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；3）反型层和半导体内部之间还夹着一层耗尽层。41 n沟道增强型MOSFET I-V特性曲线4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压27 p型衬底MOS电容器 C-V特性1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压2）表面上的多子浓度比体内少得多，基本上耗尽，表面带负电。4 p型衬底MOS电容器的能带图 (c)加大正栅压14 n型衬底MOS结构加负栅压时的能带图4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压4 p型衬底MOS电容器的能带图
13、(c)加大正栅压13 p型衬底MOS结构加零栅压时的能带图 (a) n多晶硅栅 (b) p多晶硅栅3）反型层和半导体内部之间还夹着一层耗尽层。1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；4 p型衬底MOS电容器的能带图3 MOSFET基本工作原理沟道中的电流是漂移而非扩散产生4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压13 p型衬底MOS结构加零栅压时的能带图 (a) n多晶硅栅 (b) p多晶硅栅14 n型衬底MOS结构加负栅压时的能带图4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压2）多子（空穴）在半导体表面积累，越接近半导体表面多子浓度越高。41 n沟道增强型MOSFET I-
14、V特性曲线3 MOSFET基本工作原理4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压2）表面区的少子数多子数表面反型；n电流电流-电压关系电压关系-数学推导数学推导假设：假设：1.沟道中的电流是漂移而非扩散产生沟道中的电流是漂移而非扩散产生2.栅氧化层中无电流栅氧化层中无电流3.利用沟道缓变近似利用沟道缓变近似4.任何固定氧化层电荷等价于在氧化层任何固定氧化层电荷等价于在氧化层-半导体界面处的电荷密度半导体界面处的电荷密度5.沟道中载流子迁移率为常数沟道中载流子迁移率为常数n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体
15、场效应晶体管基础复合系数电荷中和电荷中和高斯定理高斯定理总电荷数总电荷数n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础因为因为合并(11.50) (11.53)和（11.54）n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础代入(11.45)n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础p沟器件n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n跨导跨导非饱和区饱和区
16、n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n衬底偏置效应衬底偏置效应n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础饱和区：11.4 频率限制特性频率限制特性n小信号等效电路小信号等效电路n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础G-P模型相对于E-M模型考虑了更多的物理特性n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n频率限制因素与截止频率频率限制因素与截止频率n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础11.5 CMOS技术技术n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础
