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1、半导体物理器件半导体物理器件6 6MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管引言引言1960年年Kahng和和Alalla应用热氧化硅结构制造出第一只应用热氧化硅结构制造出第一只MOSFET 。Lilienfeld和和Heil于于1930年代初就提出了表面场效应晶体管原理年代初就提出了表面场效应晶体管原理。1940年代末年代末Shockley和和Pearson进行了深入研究进行了深入研究。MOSFET是大规模集成电路中的主流器件是大规模集成电路中的主流器件。其它叫法：绝缘栅场效应晶体管（其它叫法：绝缘栅场效应晶体管（IGFET）、金属绝缘体半导体场）、金属绝缘体半导体场效应晶体管（效应晶体管（MIS
2、FET）、金属氧化物半导体晶体管（）、金属氧化物半导体晶体管（MOST）等）等。MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.16.1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反型条件：反型条件：强反型条件：强反型条件：出现强反型时的表面势出现强反型时的表面势（6-176-17）（6-186-18）表面势等于体内费米
3、势时，半导体表面开始发生反型。表面势等于体内费米势时，半导体表面开始发生反型。当表面电子浓度等于体内平衡多子空穴浓度时，半导体表面形当表面电子浓度等于体内平衡多子空穴浓度时，半导体表面形成强反型层。成强反型层。MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.16.1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图图6-5 6-5 强反型时的能带图强反型时的能带图 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.16.1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得到强反型时
4、相应的感生得到强反型时相应的感生PNPN结耗尽层宽度为：结耗尽层宽度为：（6-196-19）（6-206-20）（6-216-21）（6-526-52）电离受主：电离受主：总表面空间电荷：总表面空间电荷：反型层中单位面积下的可动电荷，即沟道电荷：反型层中单位面积下的可动电荷，即沟道电荷：MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 学习要求学习要求了解理想结构基本假设及其意义了解理想结构基本假设及其意义。6.16.1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。正确画出流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况
5、的能带图。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。掌握反型和强反型条件。掌握反型和强反型条件。MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器电容器一、一、MOSMOS系统的电容系统的电容MOSMOS系统的电容效应，微分电容：系统的电容效应，微分电容：（6-226-22）1 1、MOSMOS电容定义电容定义微分电容微分电容C C与外加偏压与外加偏压 的关系称为的关系称为MOSMOS系统的电容系统的电容电压特性。电压特性。（6-236-23）MOSMOS电容有氧化层电容和半导体表面空间电荷区电容串联而成。电容有氧化层电容和半导体表面空间电荷区电容串联而
6、成。2 2、绝缘层单位面积电容、绝缘层单位面积电容（6-296-29）MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器电容器3 3、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（6-256-25）4 4、归一化电容、归一化电容（6-266-26）（6-286-28）MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器电容器二、二、MOSMOS的的C-VC-V特性特性电容随偏压的变化电容随偏压的变化图图6-7 P6-7 P型半导体型半导体MOSMOS的的C-VC-V特性特性 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.2 6.
7、2 理想理想MOSMOS电容器电容器1 1、积累区（、积累区（ ）MOSMOS系统的电容系统的电容C C基本上等于绝缘体电容基本上等于绝缘体电容 。当。当负偏压的数值逐渐减少时，空间电荷区积累的空负偏压的数值逐渐减少时，空间电荷区积累的空穴数随之减少，并且穴数随之减少，并且 随随 的变化也逐渐减的变化也逐渐减慢，慢， 变小。总电容变小。总电容C C也就变小。也就变小。2 2、平带情况（、平带情况（ ）（6-406-40）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MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器电容器3 3、耗尽区（、耗尽区（ ）（6-43
8、6-43）（6-426-42）氧化层电容氧化层电容 ，代入（，代入（6-26-2）式中有）式中有（6-446-44）（6-56-5）（6-66-6）把（把（6-46-4）（）（6-56-5）代入（）代入（6-446-44）式解出）式解出MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器电容器（6-456-45）（6-466-46）归一化电容归一化电容 随着外加偏压随着外加偏压 的增加而减小的增加而减小4 4、反型区（、反型区（ ）（6-476-47）MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器电容器 学习要求学习要求掌握理想系统的电
9、容掌握理想系统的电容电压特性，对图电压特性，对图6.76.7作出正确分析作出正确分析。导出公式（导出公式（6 64545）、（）、（6-466-46） 。MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.3 6.3 沟道电导与阈值电压沟道电导与阈值电压1 1、沟道电导、沟道电导在在MOSMOS晶体管的栅电极上加一足够大的正电压，栅电极下面半导体的表晶体管的栅电极上加一足够大的正电压，栅电极下面半导体的表面出现一层反型层，该反型层在源和漏之间提供了一条导电通道，称之面出现一层反型层，该反型层在源和漏之间提供了一条导电通道，称之为为沟道沟道。沟道电导：沟道电导：（6-516-51）式中式中 为沟道中的电子浓
10、度。为沟道中的电子浓度。 为沟道宽度。为沟道宽度。（6-526-52）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（6-536-53）MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.3 6.3 沟道电导与阈值电压沟道电导与阈值电压2 2、阈值电压、阈值电压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表面势 。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 ；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
11、需要的最小栅电压 。当出现强反型时当出现强反型时（6-56-54 4）（6-56-55 5）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：MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.3 6.3 沟道电导与阈值电压沟道电导与阈值电压 学习要求学习要求掌握概念：沟道电导、阈值电压。掌握概念：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）。）。说明阈值电压的物理意义。说明阈值电压的物理意义。MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.4 6.
12、4 实际实际MOSMOS的电容电压特性的电容电压特性6.4.1 6.4.1 功函数差的影响功函数差的影响MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容电压特性的电容电压特性6.4.1 6.4.1 功函数差的影响功函数差的影响以铝电极和以铝电极和P 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 P型硅的小，前者的费米能型硅的小，前者的费米能级比后者的高。接触前，功函数差：级比后者的高。接触前，功函数差：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系统在没有外加偏压的时系统在没有外加偏压的时候，在半导体表面就存在表面
13、势候，在半导体表面就存在表面势 。因此，欲使能带平直，即除。因此，欲使能带平直，即除去功函数差所带来的影响，就必须在金属电极上加一负电压。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。（6-566-56）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，使带，使 。因此称其为平带电压。因此称其为平带电压。MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容电压特性的电容电压特性6.4.1 6.4.1 功函数差的影响功函数差的影响MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.4 6.4 实际
14、实际MOSMOS的电容电压特性的电容电压特性6.4.1 6.4.1 功函数差的影响功函数差的影响在室温下，硅的修正功函数：在室温下，硅的修正功函数：（6-56-57 7） 起着有效电压的作用。实际系统的电容起着有效电压的作用。实际系统的电容C C作为作为 的函的函数，与理想数，与理想MOSMOS系统系统C C的作为的作为 的函数，在形式上应该是一样的。的函数，在形式上应该是一样的。MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容电压特性的电容电压特性6.4.2 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平衡时热平衡时MOSMOS系统除功函数
15、差之外，系统除功函数差之外，还受氧化层电荷和还受氧化层电荷和Si-SiOSi-SiO2 2界面陷阱界面陷阱的影响。的影响。l界面陷阱电荷界面陷阱电荷l氧化物固定电荷氧化物固定电荷l氧化物陷阱电荷氧化物陷阱电荷l可动离子电荷可动离子电荷MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容电压特性的电容电压特性l界面陷阱电荷（界面陷阱电荷（interface trapped chargeinterface trapped charge）硅（硅（100100）面，约）面，约 ，硅（硅（111111）面，约面，约 。l氧化物固定电荷（氧化物固定电荷（fixed oxide c
16、hargefixed oxide charge）位于位于Si-SiOSi-SiO2 2界面约界面约3 3nmnm的范围内，这些电荷是固定的，正的。的范围内，这些电荷是固定的，正的。（100100）面，约为）面，约为 ，（111111）面，约为）面，约为 ，因为（，因为（100100）面的）面的 和和 较低，故硅较低，故硅 MOSFETMOSFET一般采用（一般采用（100100）晶面。）晶面。大都可以通过低温退火消除。大都可以通过低温退火消除。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。化层内移动。l氧化物
17、陷阱电荷（氧化物陷阱电荷（oxide trapped chargeoxide trapped charge） l可动离子电荷（可动离子电荷（mobile ionic chargemobile ionic charge）MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容电压特性的电容电压特性克服硅二氧化硅界面电荷和二氧化硅中电荷影响所需要的平带电压：克服硅二氧化硅界面电荷和二氧化硅中电荷影响所需要的平带电压：如果氧化层中正电荷连续分布，电荷体密度为如果氧化层中正电荷连续分布，电荷体密度为 ，则，则（6-586-58）（6-596-59）(6-60)(6-60)总的平带
18、电压总的平带电压MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容电压特性的电容电压特性（6-66-61 1）其中其中（6-646-64）称为有效面电荷。称为有效面电荷。实际硅二氧化硅系统：实际硅二氧化硅系统：MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容电压特性的电容电压特性6.4.3 6.4.3 实际实际MOSMOS阈值电压和阈值电压和C-VC-V曲线曲线平带电压平带电压（6-656-65）（6-666-66）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，金属电极相对第一项是，为消除半导体和金属的功函数差的影响，金
19、属电极相对于半导体所需要加的外加电压；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电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；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。MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容电压特性的电容电压特性 学习要求学习要求画出铝二氧化硅硅系统的能带图。根据能带图说明（
20、画出铝二氧化硅硅系统的能带图。根据能带图说明（6-566-56）了解在二氧化硅、二氧化硅硅界面系统存在的电荷及其主要性质。了解在二氧化硅、二氧化硅硅界面系统存在的电荷及其主要性质。了解平带电压公式（了解平带电压公式（6-586-58）、（）、（6-6-6464）。掌握实际阈值电压的公式及各项的意义掌握实际阈值电压的公式及各项的意义。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6.5.1 6.5.1 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：（a a）低漏电压时低漏
21、电压时 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6.5.1 6.5.1 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 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6.5.1 6.5.1 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 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.5 6.5
22、MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.5.2 6.5.2 静态特性静态特性图图6-16 6-16 N N沟道沟道MOSMOS晶体管晶体管 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6.5.2 6.5.2 静态特性静态特性1 1、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 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 2）沟道内掺杂均匀；）沟道内掺杂均匀；（3 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 4）长沟道近似和渐近沟道近似，即
23、假设垂直电场和水平电）长沟道近似和渐近沟道近似，即假设垂直电场和水平电路是互相独立的。路是互相独立的。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1 1、线性区、线性区感应沟道电荷：感应沟道电荷：（6-686-68）（6-696-69）（6-706-70）（6-66-67 7）漂移电子电流漂移电子电流（6-706-70）式称为萨支唐（）式称为萨支唐（C.T. SahC.T. Sah）方程。是描述方程。是描述MOSFETMOSFET非饱和区直非饱和区直流特性的基本方程。流特性的基本方程。MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.5 6.5 MOSMOS场
24、效应晶体管场效应晶体管例题：例题： 采用采用6.46.4节例题中的节例题中的MOSMOS结构作为一个结构作为一个MOSFETMOSFET。已知下列参数：已知下列参数： ， 。计算。计算 和和 时的时的 。解：由于在解：由于在6.36.3节中给出节中给出将此值代入（将此值代入（6-706-70）并令）并令 得得将将 代入上式代入上式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 2、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（6-736-73）（6-746-74）把式（把式（6-736-73）代入式（）代入式（6-706-70）得）
25、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。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 2、饱和区、饱和区图图6-18 6-18 N N沟道沟道MOSFETMOSFET的电流的电流 电压特性电压特性 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（6-766-76）（6-756-75）1 1、线性导纳、线性导纳（6-776-77）对式（对式（6-706-70）求导数，得导纳）求导数，得导纳线性区的电阻，称为开态电阻，或导通电阻，
26、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1 1、线性导纳、线性导纳图图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 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2 2、跨导、跨导（6-796-79）（6-786-78）（6-806-80）在假设在假设 为常数时才成立，饱和区跨导为常数时才成立，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 线性区：对式（线性区：对式（6-706
27、-70）求导）求导饱和区：对式（饱和区：对式（6-746-74）求导）求导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（6-6-8181）3 3、饱和区的漏极电阻、饱和区的漏极电阻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。图图6-20 6-20 MOSMOS晶体管的小讯号等效电路。晶体管的小讯号等效电路。 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栅极电容：栅极电容：截止频率：截止频率：（6-6-8282）为了提高工作频率或工作速度，沟道长度要短，载流子迁移率
28、要高。为了提高工作频率或工作速度，沟道长度要短，载流子迁移率要高。4 4、截止频率、截止频率定义为输出电流和输入电流之比为定义为输出电流和输入电流之比为1 1时的频率，即当器件输出短路时，时的频率，即当器件输出短路时，器件不能够放大输入信号时的频率。器件不能够放大输入信号时的频率。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 学习要求学习要求理解交流小信号参数并导出公式（理解交流小信号参数并导出公式（6-766-76）、（）、（6-796-79）、（）、（6-806-80）线性导）线性导纳、导通电阻、线性区跨导、饱和区跨导、饱和区的漏极电阻和栅极电容
29、纳、导通电阻、线性区跨导、饱和区跨导、饱和区的漏极电阻和栅极电容。了解交流等效电路图了解交流等效电路图6-206-20。了解截止频率，指出提高工作频率或工作速度的途径了解截止频率，指出提高工作频率或工作速度的途径。MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.8 6.8 MOSMOS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，MOSFETMOSFET可分四种不同的基本类型可分四种不同的基本类型N N沟沟MOSFETMOSFET：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沟道，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沟道，那么，这种器件就是
30、那么，这种器件就是增强型增强型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，栅极必须加负电型沟道，为了减小沟道电导，栅极必须加负电压以耗尽沟道载流子，这样的器件是压以耗尽沟道载流子，这样的器件是耗尽型耗尽型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。须比阈值电压大。而耗尽型而耗尽型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。栅压可以增
31、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。MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.8 6.8 MOSMOS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MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.8 6.8 MOSMOS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
