半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 第六章 MOS

1、第六章第六章 金屬金屬氧化物氧化物半導(dǎo)體場半導(dǎo)體場 效應(yīng)晶體管效應(yīng)晶體管 Lienfeld和和Heil于于30年代初就提出了表面場效應(yīng)晶體管原理。年代初就提出了表面場效應(yīng)晶體管原理。 40年代末年代末Shockley和和Pearson進(jìn)行了深入研究。進(jìn)行了深入研究。 1960年年Kahng和和Alalla應(yīng)用熱氧化硅結(jié)構(gòu)制造出第一只應(yīng)用熱氧化硅結(jié)構(gòu)制造出第一只MOSFET. MOSFET是大規(guī)模集成電路中的主流器件。是大規(guī)模集成電路中的主流器件。 MOSFET是英文縮寫詞。是英文縮寫詞。 其它叫法：絕緣體場效應(yīng)晶體管（其它叫法：絕緣體場效應(yīng)晶體管（IGFET）、）、金屬金屬-絕緣體絕緣體-半導(dǎo)

2、體場效應(yīng)半導(dǎo)體場效應(yīng) 晶體管（晶體管（MISFET）、）、金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體晶體管（半導(dǎo)體晶體管（MOST）等。等。 6.1 6.1 理想理想MOSMOS結(jié)構(gòu)的表面空間電結(jié)構(gòu)的表面空間電 荷區(qū)荷區(qū) 6.1 6.1 理想理想MOSMOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū) 理想理想MOSMOS結(jié)構(gòu)基于以下假設(shè)：結(jié)構(gòu)基于以下假設(shè)： （1 1）在氧化物中或在氧化物和半導(dǎo)體之間的界面上不存在電荷。）在氧化物中或在氧化物和半導(dǎo)體之間的界面上不存在電荷。 （2 2）金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差為零，如繪于圖）金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差為零，如繪于圖6-26-2b b中的情形。中的情形。 由于

3、假設(shè)（由于假設(shè)（1 1）、（）、（2 2），），在在無偏壓時半導(dǎo)體能帶是平直的。無偏壓時半導(dǎo)體能帶是平直的。 （3 3） 層層是良好的絕緣絕緣體，能阻擋擋直流電電流流過過。因此，即使有外加電壓電壓，表面空 間電間電荷區(qū)區(qū)也處處于熱熱平衡狀態(tài)狀態(tài)，這這使得整個個表面空間電間電荷區(qū)區(qū)中費費米能級為級為常數(shù)數(shù)。這這些 假設(shè)設(shè)在以后將將被取消而接近實際實際的MOSMOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。 2 SiO 6.1 6.1 理想理想MOSMOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū) 半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū) ： 每個極板上的感應(yīng)電荷與電場之間滿足如下關(guān)系每個極板上的感應(yīng)電荷與電場之間滿足如下關(guān)系 （

4、6-16-1） 式中式中 = =自由空間的電容率自由空間的電容率 = =氧化物的氧化物的相對相對介電常數(shù)介電常數(shù) = =半導(dǎo)體表面的電場半導(dǎo)體表面的電場 = =半導(dǎo)體半導(dǎo)體相對相對介電常數(shù)介電常數(shù) =空間電荷區(qū)在半導(dǎo)體內(nèi)部的邊界亦即空間電荷區(qū)寬度。空間電荷區(qū)在半導(dǎo)體內(nèi)部的邊界亦即空間電荷區(qū)寬度。 外加電壓外加電壓 為跨越氧化層的電壓為跨越氧化層的電壓 和表面勢和表面勢 所分?jǐn)偅核謹(jǐn)偅?0 0 k S S k d x G V 0 V S SG VV 0 （6-26-2） SSSM kkQQ 0000 6.1 6.1 理想理想MOSMOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū) 圖圖6-3 加上

5、電壓加上電壓 時時MOSMOS結(jié)構(gòu)內(nèi)的電位分布結(jié)構(gòu)內(nèi)的電位分布 G V 6.1 6.1 理想理想MOSMOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū) 載流子積累、耗盡和反型載流子積累、耗盡和反型 載流子積累載流子積累 緊靠硅表面的多數(shù)載流子濃度大于體內(nèi)熱平衡多數(shù)載流子濃度時，稱為載流子積緊靠硅表面的多數(shù)載流子濃度大于體內(nèi)熱平衡多數(shù)載流子濃度時，稱為載流子積 累累現(xiàn)象現(xiàn)象。 單位面積下的空間電荷單位面積下的空間電荷 0 0 ( ) d x s Qqp xp dx 6.1 6.1 理想理想MOSMOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū) 圖圖6-4 幾種偏壓情況的能帶和電荷分布幾種偏壓情況的能

6、帶和電荷分布 （a） ， （b）小的小的 ， （c）大的大的 G V G V G V 6.1 6.1 理想理想MOSMOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū) 載流子耗盡載流子耗盡 單位面積下的總電荷為單位面積下的總電荷為 式中式中 為耗盡層寬度。為耗盡層寬度。 載流子反型：載流子類型發(fā)生變化的現(xiàn)象或者說半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型發(fā)生變化的現(xiàn)象載流子反型：載流子類型發(fā)生變化的現(xiàn)象或者說半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型發(fā)生變化的現(xiàn)象。 圖圖6-4 幾種偏壓情況的能帶和電荷分布：幾種偏壓情況的能帶和電荷分布： （a） ， （b）小的小的 ， （c）大的大的 daBS xqNQQ （6-66-6） 0 2 2 s da

7、S k xqN 2 1 d Sx x x （6-76-7） d x （6-56-5） 6.1 6.1 理想理想MOSMOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū) 6.1.36.1.3反型和強(qiáng)反型條件反型和強(qiáng)反型條件 反型條件；反型條件； 強(qiáng)反型條件；強(qiáng)反型條件； 式中式中 為出現(xiàn)強(qiáng)反型時的表面勢。為出現(xiàn)強(qiáng)反型時的表面勢。 （6-176-17） （6-186-18） fs fsi 2 Si 6.1 6.1 理想理想MOSMOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū) 圖圖6-5 強(qiáng)反型時的能帶圖強(qiáng)反型時的能帶圖 x 0 E I x f q f q c E v E i E 6.1 6.1 理想理

8、想MOSMOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū) 總表面空間電荷總表面空間電荷 為反型層中單位面積下的可動電荷即溝道電荷：為反型層中單位面積下的可動電荷即溝道電荷： qNa k qNa k x fS siS dm 0 0 4 2 dmaB xqNQ dmaIBIS xqNQQQQ I Q （6-196-19） （6-206-20） （6-216-21） （6-6-5252） I Q 0 I x I qnx dx 6.1 6.1 理想理想MOSMOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū) 小結(jié)小結(jié) 理想理想MOSMOS結(jié)構(gòu)基于以下假設(shè)：結(jié)構(gòu)基于以下假設(shè)： （1 1）在氧化物中或在氧化物和

9、半導(dǎo)體之間的界面上不存在電荷。）在氧化物中或在氧化物和半導(dǎo)體之間的界面上不存在電荷。 （2 2）金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差為零，如繪于圖）金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差為零，如繪于圖6-26-2b b中的情形。中的情形。 由于假設(shè)（由于假設(shè)（1 1）、（）、（2 2），在無偏壓時半導(dǎo)體能帶是平直的。），在無偏壓時半導(dǎo)體能帶是平直的。 （3 3） 層是良好的絕緣體，能阻擋直流電流流過。因此，即使有外加電壓，表面空層是良好的絕緣體，能阻擋直流電流流過。因此，即使有外加電壓，表面空 間電荷區(qū)也處于熱平衡狀態(tài)，這使得整個表面空間電荷區(qū)中費米能級為常數(shù)。間電荷區(qū)也處于熱平衡狀態(tài)，這使得整個表面空間電荷區(qū)中費

10、米能級為常數(shù)。 偏壓偏壓 使半導(dǎo)體表面具有表面勢，出現(xiàn)表面空間電荷區(qū)。使半導(dǎo)體表面具有表面勢，出現(xiàn)表面空間電荷區(qū)。 空間電荷與電場具有以下關(guān)系空間電荷與電場具有以下關(guān)系 （6-16-1） 2 SiO G V SSSM kkQQ 0000 6.1 6.1 理想理想MOSMOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū) 小結(jié)小結(jié) 載流子積累、耗盡和反型的概念。載流子積累、耗盡和反型的概念。 載流子積累、耗盡和反型和強(qiáng)反型四種情況的能帶圖。載流子積累、耗盡和反型和強(qiáng)反型四種情況的能帶圖。 體費米勢的概念：體費米勢的概念： 反型和強(qiáng)反型條件：反型和強(qiáng)反型條件： 反型條件；反型條件； 強(qiáng)反型條件；強(qiáng)反型條

11、件； q EE Fi f 0 fs fsi 2 （6-86-8） （6-176-17） （6-186-18） 6.1 6.1 理想理想MOSMOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū) 教學(xué)要求教學(xué)要求 了解理想結(jié)構(gòu)基本假設(shè)及其意義。了解理想結(jié)構(gòu)基本假設(shè)及其意義。 根據(jù)電磁場邊界條件導(dǎo)出空間電荷與電場的關(guān)系根據(jù)電磁場邊界條件導(dǎo)出空間電荷與電場的關(guān)系 掌握載流子積累、耗盡和反型和強(qiáng)反型的概念。掌握載流子積累、耗盡和反型和強(qiáng)反型的概念。 正確畫出流子積累、耗盡和反型和強(qiáng)反型四種情況的能帶圖。正確畫出流子積累、耗盡和反型和強(qiáng)反型四種情況的能帶圖。 導(dǎo)出反型和強(qiáng)反型條件導(dǎo)出反型和強(qiáng)反型條件 （6-1

12、6-1）SSSM kkQQ 0000 6.2 6.2 理想理想MOSMOS電容器電容器 6.2 6.2 理想理想MOSMOS電容器電容器 系統(tǒng)單位面積的微分電容系統(tǒng)單位面積的微分電容 微分電容微分電容C與外加偏壓與外加偏壓 的關(guān)系稱為的關(guān)系稱為MOS系統(tǒng)的電容系統(tǒng)的電容電壓特性。電壓特性。 若令若令 （6-226-22） G M dV dQ C G V M s MM G dQ d dQ dV dQ dV C 0 1 （6-236-23） 0 0 dV dQ C M （6-246-24） S S S M S d dQ d dQ C （6-256-25） 6.2 6.2 理想MOSMOS電電容器

13、則則 = =絕緣層單位面積上的電容，絕緣層單位面積上的電容， = =半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)單位面積電容。半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)單位面積電容。 稱為系統(tǒng)的歸一化電容。稱為系統(tǒng)的歸一化電容。 （6-266-26） （6-286-28） （6-296-29） S CCC 111 0 0 C S C S CCC C 00 1 1 0 CC 0 00 0 0 x k dV dQ C M 6.2 6.2 理想MOSMOS電電容器 將電容隨偏壓的變化分成幾個區(qū)域，變化大致情況如圖將電容隨偏壓的變化分成幾個區(qū)域，變化大致情況如圖6-7所示。所示。 圖圖6-7 6-7 P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體MOSMOS的的C-VC

14、-V特性特性 6.2 6.2 理想MOSMOS電電容器 積累區(qū)（積累區(qū)（ 0） 氧化層電容氧化層電容 ，代入（，代入（6-26-2）式中有）式中有 （6-436-43） G V d S S S S x k d dQ C 0 0 0 1 1 xk xk C C S d S 0 0 C Q V S S S G C Q V 0 daBS xqNQQ 0 2 2 s da S k xqN （6-426-42） （6-446-44） 和和 把把 （6-56-5） （6-66-6） 6.2 6.2 理想MOSMOS電電容器 代入（代入（6-446-44）式解出）式解出 歸一化電容歸一化電容 隨著外加偏壓隨

15、著外加偏壓 的增加而減小的增加而減小. . 反型區(qū)（反型區(qū)（ 0 0） （6-456-45） （6-466-46） （6-476-47） d x 2 00 0 000 2 1 SSG d Sa kkV XC CCqkN S S s d dQ C S B S I d dQ d dQ 0 CC G V G V 2 1 2 1 2 0 2 00 0 2 0 0 2 1 2 1 G Sa G Sa V xkqN k V kqN C C C 6.2 6.2 理想MOSMOS電電容器 小結(jié)小結(jié) MOSMOS電容定義為電容定義為 絕緣層單位面積電容絕緣層單位面積電容 導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)單位面積電容導(dǎo)體表面空

16、間電荷區(qū)單位面積電容 （6-226-22） （6-296-29） （6-256-25） G M dV dQ C 0 00 0 0 x k dV dQ C M S S S M S d dQ d dQ C 6.2 6.2 理想MOSMOS電電容器 小結(jié)小結(jié) 歸一化電容歸一化電容 在耗盡區(qū)在耗盡區(qū) 歸一化歸一化MOS電容電容 隨著外加偏壓隨著外加偏壓 的增加而減小的增加而減小 畫出了理想系統(tǒng)的電容畫出了理想系統(tǒng)的電容電壓特性（圖電壓特性（圖6.7）。）。 （6-286-28） （6-456-45） （6-466-46） S CCC C 00 1 1 2 00 0 000 2 1 SSG d Sa k

17、kV XC CCqkN 2 1 2 1 2 0 2 00 0 2 0 0 2 1 2 1 G Sa G Sa V xkqN k V kqN C C C 0 CC G V 6.2 6.2 理想MOSMOS電電容器 教學(xué)要求教學(xué)要求 掌握理想系統(tǒng)的電容掌握理想系統(tǒng)的電容電壓特性，對圖電壓特性，對圖6.76.7作出正確分析。作出正確分析。 導(dǎo)出公式（導(dǎo)出公式（6 64545）、（）、（6-466-46）。）。 6.36.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓溝道電導(dǎo)與閾值電壓 6.36.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓溝道電導(dǎo)與閾值電壓 一一 溝道電導(dǎo)溝道電導(dǎo) 式中式中 為溝道中的電子濃度。為溝道中的電子濃度。 為溝道寬度。為溝

18、道寬度。 即為反型層中單位面積下的總的電子電荷即為反型層中單位面積下的總的電子電荷 溝道電導(dǎo)為溝道電導(dǎo)為 （6-516-51） dxxnq L Z g I x nI I 0 0 I x II qnx dxQ （6-526-52） InI Q L Z g（6-536-53） xnI I x 6.36.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓溝道電導(dǎo)與閾值電壓 二二 閾值電壓閾值電壓 ：定義為形成強(qiáng)反型所需要的最小柵電壓。定義為形成強(qiáng)反型所需要的最小柵電壓。 當(dāng)出現(xiàn)強(qiáng)反型時當(dāng)出現(xiàn)強(qiáng)反型時 溝道電荷受到偏壓溝道電荷受到偏壓 控制，這正是控制，這正是MOSFETMOSFET工作的基礎(chǔ)。工作的基礎(chǔ)。 閾值電壓：閾值電壓：

19、第一項表示在形成強(qiáng)反型時，要用一部分電壓去支撐空間電荷第一項表示在形成強(qiáng)反型時，要用一部分電壓去支撐空間電荷 ； 第二項表示要用一部分電壓為半導(dǎo)體表面提供達(dá)到強(qiáng)反型時所需要的表面勢第二項表示要用一部分電壓為半導(dǎo)體表面提供達(dá)到強(qiáng)反型時所需要的表面勢 。 （6-516-51） （6-56-54 4） （6-56-55 5） TH V Si BI G C Q C Q V 00 THGSi B GI VVC C Q VCQ 0 0 0 G V Si B TH C Q V 0 Si B Q 6.36.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓溝道電導(dǎo)與閾值電壓 小結(jié)小結(jié) 二個概念：溝道電導(dǎo)、閾值電壓二個概念：溝道電導(dǎo)、閾值電

20、壓 溝道電導(dǎo)公式溝道電導(dǎo)公式 閾值電壓公式閾值電壓公式 （6-536-53） （6-546-54） InI Q L Z g THGSi B GI VVC C Q VCQ 0 0 0 6.36.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓溝道電導(dǎo)與閾值電壓 教學(xué)要求教學(xué)要求 掌握概念：掌握概念：溝道電導(dǎo)、閾值電壓溝道電導(dǎo)、閾值電壓 導(dǎo)出溝道電導(dǎo)公式導(dǎo)出溝道電導(dǎo)公式（6-536-53） 導(dǎo)出閾值電壓公式（導(dǎo)出閾值電壓公式（6-546-54） 說說明閾值電壓閾值電壓的物理意義義。 6.4實際MOS的電容電壓特性 6.4實際MOS的電容電壓特性 功函數(shù)差的影響功函數(shù)差的影響 6.4 6.4 實際實際MOSMOS的電容的電容電

21、壓特性電壓特性 以鋁電極和以鋁電極和P型硅襯底為例。鋁的功函數(shù)比型硅的小，前者的費米能級比后者的高型硅襯底為例。鋁的功函數(shù)比型硅的小，前者的費米能級比后者的高 。接觸前，功函數(shù)差。接觸前，功函數(shù)差 ( )000。因此，欲使能帶平直，即除去功函數(shù)差所帶來的影。因此，欲使能帶平直，即除去功函數(shù)差所帶來的影 響，就必須在金屬電極上加一負(fù)電壓。響，就必須在金屬電極上加一負(fù)電壓。 （6-566-56） 6.4 6.4 實際實際MOSMOS的電容的電容電壓特性電壓特性 6.4 6.4 實際實際MOSMOS的電容的電容電壓特性電壓特性 在室溫下，硅的修正功函數(shù)在室溫下，硅的修正功函數(shù) （6-576-57）

22、起著有效電壓的作用。實際系統(tǒng)的電容起著有效電壓的作用。實際系統(tǒng)的電容C C作為作為 的函數(shù)，與的函數(shù)，與 理想理想MOSMOS系統(tǒng)系統(tǒng)C C的作為的作為 的函數(shù)，在形式上應(yīng)該是一樣的。的函數(shù)，在形式上應(yīng)該是一樣的。 V ffs 8 . 3 2 1 . 1 3.25 1GG VV 1GG VV G V 6.4 6.4 實際實際MOSMOS的電容的電容電壓特性電壓特性 界面陷阱和氧化物電荷的影響界面陷阱和氧化物電荷的影響 金屬 2 SiO Si 可移動離子電荷 m Q K a N + + + 氧化物陷阱電荷 ot Q 氧化物固定電荷 f Q 界面陷阱電荷 it Q + + + + 圖 6-13 熱

23、氧化硅形成的 2 SiOSi 系統(tǒng)中 的各類電荷 6.4 6.4 實際實際MOSMOS的電容的電容電壓特性電壓特性 界面陷阱電荷（界面陷阱電荷（interface trapped chargeinterface trapped charge） 硅（硅（100100）面，）面， 約約 ， 硅（硅（111）面，面， 約約 。 氧化物固定電荷（氧化物固定電荷（fixed oxide chargefixed oxide charge） 位于位于 界面約界面約3nm的范圍內(nèi)，這些電荷是固定的，正的。的范圍內(nèi)，這些電荷是固定的，正的。 （100100）面，）面， 約為約為 ， （111111）面，）面，

24、約為約為 ，因為（，因為（100100）面的）面的 和和 較低，故硅較低，故硅 MOSFETMOSFET一般采用（一般采用（100100）晶面。）晶面。 氧化物陷阱電荷（氧化物陷阱電荷（oxide trapped chargeoxide trapped charge） 大都可以通過低溫退火消除。大都可以通過低溫退火消除。 可動離子電荷（可動離子電荷（mobile ionic chargemobile ionic charge） 諸如鈉離子和其它堿金屬離子，在高溫和高壓下工作時，它們能在氧化層內(nèi)移動。諸如鈉離子和其它堿金屬離子，在高溫和高壓下工作時，它們能在氧化層內(nèi)移動。 it Q it Q i

25、t Q 210 10 cm 211 10 cm f Q 2 SiOSi f Q 210 10 cm f Q 210 105 cmit Q f Q ot Q ot Q m Q 6.4 6.4 實際實際MOSMOS的電容的電容電壓特性電壓特性 克服硅二氧化硅界面電荷和二氧化硅中電荷影響所需要的平帶電壓：克服硅二氧化硅界面電荷和二氧化硅中電荷影響所需要的平帶電壓： 如果氧化層中正電荷連續(xù)分布，電荷體密度為如果氧化層中正電荷連續(xù)分布，電荷體密度為 ，則，則 總的平帶電壓總的平帶電壓 00 2 0000 G QQx Vx kC x x dxx x x C dVG 00 2 1 2G V 0 0 0 00

26、 2 01 C Q dxx x x C V S X G （6-586-58） （6-596-59） (6-60)(6-60) 6.4 6.4 實際實際MOSMOS的電容的電容電壓特性電壓特性 其中其中 （6-616-61） 稱為稱為有效面電荷有效面電荷。 實際硅二氧化硅系統(tǒng)：實際硅二氧化硅系統(tǒng)： （6-646-64） dxx x x Q x S 0 0 0 0 0 0 2 C Q VG 00 2 0000 G QQx Vx kC x 6.4 6.4 實際實際MOSMOS的電容的電容電壓特性電壓特性 實際的實際的MOS閾值電壓和閾值電壓和C-V曲線曲線 平帶電壓平帶電壓 閾值電壓閾值電壓 第一項

27、是，為消除半導(dǎo)體和金屬的功函數(shù)差的影響，金屬電極相對于半導(dǎo)體所第一項是，為消除半導(dǎo)體和金屬的功函數(shù)差的影響，金屬電極相對于半導(dǎo)體所 需要加的外加電壓；需要加的外加電壓； 第二項是為了把絕緣層中正電荷發(fā)出的電力線全部吸引到金屬電極一側(cè)所需要加第二項是為了把絕緣層中正電荷發(fā)出的電力線全部吸引到金屬電極一側(cè)所需要加 的外加電壓；的外加電壓； 第三項是支撐出現(xiàn)強(qiáng)反型時的體電荷第三項是支撐出現(xiàn)強(qiáng)反型時的體電荷 所需要的外加電壓；所需要的外加電壓； 第四項是開始出現(xiàn)強(qiáng)反型層時，半導(dǎo)體表面所需的表面勢。第四項是開始出現(xiàn)強(qiáng)反型層時，半導(dǎo)體表面所需的表面勢。 0 0 21 C Q VVV msGGFB Si B

28、 ms C Q C Q Si C B Q FB V TH V 00 0 0 （6-656-65） （6-666-66） B Q 6.4 6.4 實際實際MOSMOS的電容的電容電壓特性電壓特性 小結(jié)小結(jié) 畫出了鋁二氧化硅硅系統(tǒng)的能帶圖。由于功函數(shù)差畫出了鋁二氧化硅硅系統(tǒng)的能帶圖。由于功函數(shù)差 ( )0。因此，欲使能。因此，欲使能 帶平直，即除去功函數(shù)差所帶來的影響，就必須在金屬電極上加一負(fù)電壓帶平直，即除去功函數(shù)差所帶來的影響，就必須在金屬電極上加一負(fù)電壓: 這個電壓一部分用來拉平這個電壓一部分用來拉平二氧化硅的能帶，二氧化硅的能帶，一部分用來拉平一部分用來拉平半導(dǎo)體的能帶，使半導(dǎo)體的能帶，使

29、 0 因此稱其為平帶電壓。因此稱其為平帶電壓。 （6-656-65） m q q FMFS EE S 1smmsG V S S 6.4 6.4 實際實際MOSMOS的電容的電容電壓特性電壓特性 小結(jié)小結(jié) 在在二氧化硅、二氧化硅硅界面系統(tǒng)存在電荷：二氧化硅、二氧化硅硅界面系統(tǒng)存在電荷： 界面陷阱電荷（界面陷阱電荷（interface trapped chargeinterface trapped charge） 氧化物固定電荷（氧化物固定電荷（fixed oxide chargefixed oxide charge） 氧化物陷阱電荷（氧化物陷阱電荷（oxide trapped chargeoxi

30、de trapped charge） 可動離子電荷（可動離子電荷（mobile ionic chargemobile ionic charge） 綜合看來，可以把它們看做是位于二氧化硅硅界面的正電荷。綜合看來，可以把它們看做是位于二氧化硅硅界面的正電荷。 it Q f Q ot Q m Q 6.4 6.4 實際實際MOSMOS的電容的電容電壓特性電壓特性 小結(jié)小結(jié) 克服二氧化硅內(nèi)位于克服二氧化硅內(nèi)位于x x處的處的 電荷片造成的能帶彎曲所需的平帶電壓為電荷片造成的能帶彎曲所需的平帶電壓為 如果如果 位于二氧化硅硅界面則位于二氧化硅硅界面則 如果氧化層中正電荷連續(xù)分布，電荷體密度為，則如果氧化層

31、中正電荷連續(xù)分布，電荷體密度為，則總的平帶電壓總的平帶電壓 00 2 0000 G QQx Vx kC x 0 Q 0 Q 0 0 2 C Q VG 0 0 0 00 2 01 C Q dxx x x C V S X G dxx x x Q x S 0 0 0 0 （6-586-58） （6-646-64） （6-606-60） 其中其中 稱為有效面電荷。稱為有效面電荷。 6.4 6.4 實際實際MOSMOS的電容的電容電壓特性電壓特性 小結(jié)小結(jié) 平帶電壓：為實現(xiàn)平帶條件所需的偏壓叫做平帶電壓平帶電壓：為實現(xiàn)平帶條件所需的偏壓叫做平帶電壓 （6-656-65） 引入平帶電壓的意義之一是將理想引

32、入平帶電壓的意義之一是將理想MOSMOS的的C CV V曲線沿著電壓軸平移曲線沿著電壓軸平移 即可得到實際即可得到實際 MOSMOS的的C CV V曲線。曲線。 0 0 21 C Q VVV msGGFB FB V 6.4 6.4 實際實際MOSMOS的電容的電容電壓特性電壓特性 小結(jié)小結(jié) 實際的閾值電壓實際的閾值電壓 第一項是為消除半導(dǎo)體和金屬的功函數(shù)差的影響，金屬電極相對于半導(dǎo)體所需要加的柵偏壓第一項是為消除半導(dǎo)體和金屬的功函數(shù)差的影響，金屬電極相對于半導(dǎo)體所需要加的柵偏壓 ( (即拉平功函數(shù)差造成的能帶彎曲所需要加的柵偏壓即拉平功函數(shù)差造成的能帶彎曲所需要加的柵偏壓) )； 第二項是為了

33、把絕緣層中正電荷發(fā)出的電力線全部吸引到金屬電極一側(cè)所需要加的柵偏壓（即拉第二項是為了把絕緣層中正電荷發(fā)出的電力線全部吸引到金屬電極一側(cè)所需要加的柵偏壓（即拉 平二氧化硅中和硅二氧化硅中的電賀造成的能帶彎曲所需要加的柵偏壓）；平二氧化硅中和硅二氧化硅中的電賀造成的能帶彎曲所需要加的柵偏壓）； 第三項是支撐出現(xiàn)強(qiáng)反型時的體電荷第三項是支撐出現(xiàn)強(qiáng)反型時的體電荷 所需要的外加電壓；所需要的外加電壓； 第四項是開始出現(xiàn)強(qiáng)反型層時，半導(dǎo)體表面所需的表面勢。第四項是開始出現(xiàn)強(qiáng)反型層時，半導(dǎo)體表面所需的表面勢。 Si B FBTH C Q VV 0 Si B ms C Q C Q 00 0 對于鋁二氧化硅對于

34、鋁二氧化硅N N型硅系統(tǒng)式（型硅系統(tǒng)式（6-666-66）中四項都是負(fù)的；而鋁二氧化硅）中四項都是負(fù)的；而鋁二氧化硅P P型型 硅系統(tǒng)式（硅系統(tǒng)式（6-666-66）四項中第三、四項是正的。兩種情況下第一、二項總是負(fù)的。）四項中第三、四項是正的。兩種情況下第一、二項總是負(fù)的。 B Q 6.4 6.4 實際實際MOSMOS的電容的電容電壓特性電壓特性 教學(xué)要求教學(xué)要求 畫出鋁二氧化硅硅系統(tǒng)的能帶圖。畫出鋁二氧化硅硅系統(tǒng)的能帶圖。 根據(jù)能帶圖說明根據(jù)能帶圖說明 （6-566-56） 是否等于是否等于 ？ 了解在了解在二氧化硅、二氧化硅硅界面系統(tǒng)存在的電荷及其主要性質(zhì)。二氧化硅、二氧化硅硅界面系統(tǒng)存

35、在的電荷及其主要性質(zhì)。 1smmsG V S 1G V 6.4 6.4 實際實際MOSMOS的電容的電容電壓特性電壓特性 教學(xué)要求教學(xué)要求 平帶電壓公式平帶電壓公式 掌握實際閾值電壓的公式及各項的意義掌握實際閾值電壓的公式及各項的意義 為什么為什么將理想將理想MOSMOS的的C CV V曲線曲線沿著電壓軸平移即可得到實際沿著電壓軸平移即可得到實際MOSMOS的的C CV V曲線？曲線？ 對于鋁二氧化硅對于鋁二氧化硅P P型硅系統(tǒng)和鋁二氧化硅型硅系統(tǒng)和鋁二氧化硅N N型硅系統(tǒng)分析式（型硅系統(tǒng)分析式（6-666-66）各項的）各項的 符號。符號。 v 作業(yè)：作業(yè)：6.46.4、6.56.5、6.6

36、6.6、6.76.7、6.86.8。 00 2 0000 G QQx Vx kC x 0 0 2 C Q VG 0 0 0 00 2 01 C Q dxx x x C V S X G （6-586-58） （6-646-64） 6.5 6.5 MOSMOS場場效應(yīng)應(yīng)晶體管 6.5 6.5 MOSMOS場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管 基本結(jié)構(gòu)和工作過程基本結(jié)構(gòu)和工作過程 圖圖6-15 6-15 MOSFETMOSFET的工作狀態(tài)和輸出特性：（的工作狀態(tài)和輸出特性：（a a）低漏電壓時低漏電壓時 襯底p 小 D V S N N L G V TH V 溝道 耗盡區(qū) D V D I （a） y （a） 6.

37、5 6.5 MOSMOS場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管 基本結(jié)構(gòu)和工作過程基本結(jié)構(gòu)和工作過程 圖圖6-15 6-15 MOSFETMOSFET的工作狀態(tài)和輸出特性：（的工作狀態(tài)和輸出特性：（b b）開始飽和開始飽和 DsatD VV S N N G V TH V 耗盡區(qū) 夾斷點（P ） D V D I （b） Dsat I Dsat V （b） 6.5 6.5 MOSMOS場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管 基本結(jié)構(gòu)和工作過程基本結(jié)構(gòu)和工作過程 圖圖6-15 6-15 MOSFETMOSFET的工作狀態(tài)和輸出特性：（的工作狀態(tài)和輸出特性：（c c）飽和之后飽和之后 Dsat V S N N G V TH V

38、耗盡區(qū) （P ） D V L D V D I （c） y （c） 6.5 6.5 MOSMOS場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 圖圖6-16 6-16 N N溝道溝道MOSMOS晶體管晶體管 襯底p D V S N N G V dQ V dVV Al Al Al 2 SiO x y 6.5 6.5 MOSMOS場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管 線性區(qū)線性區(qū) 在下面的分析中，采用如下主要假設(shè)：在下面的分析中，采用如下主要假設(shè)： （1）忽略源區(qū)和漏區(qū)體電阻和電極接觸電阻；）忽略源區(qū)和漏區(qū)體電阻和電極接觸電阻； （2）溝道內(nèi)摻雜均勻；）溝道內(nèi)摻雜均勻； （3）載流子在反型層內(nèi)的遷移率為常數(shù)；）載流

39、子在反型層內(nèi)的遷移率為常數(shù)； （4）長溝道近似和漸近溝道近似，即假設(shè)垂直電場和水平電路是互相獨立的。）長溝道近似和漸近溝道近似，即假設(shè)垂直電場和水平電路是互相獨立的。 6.5 6.5 MOSMOS場場效應(yīng)應(yīng)晶體管 線性區(qū)線性區(qū) 感應(yīng)溝道電荷感應(yīng)溝道電荷 （6-676-67） 漂移電子電流漂移電子電流 （6-70）式稱為薩支唐（）式稱為薩支唐（C.T. Sah）方程。方程。 yVVVCQ THGI 0 yInD QZI dVVVVCZdyI THGnD 0 2 2 0 D DTHGnD V VVV L Z CI （6-686-68） （6-696-69） （6-706-70） 6.5 6.5 M

40、OSMOS場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管 例題：例題： 采用采用6.46.4節(jié)例題中的節(jié)例題中的MOSMOS結(jié)構(gòu)作為一個結(jié)構(gòu)作為一個MOSFETMOSFET。已知下列參數(shù)：已知下列參數(shù)： ， 。計算。計算 和和 時的時的 解：解：由于在由于在6.36.3節(jié)中給出節(jié)中給出 。 將此值代入（將此值代入（6-706-70）并令）并令 得得 將將 代入上式代入上式 mL10 mZ300 sVcm p 2 230VVG4VVG8 DS I 28 0 109 . 2cmFC SVF L Z C p 48 0 10230230109 . 2 THGD VVV 2 4 2 102 THGDS VVI VVTH1 .

41、 3 mA A I DS 4 . 21024 80108 . 0 4 4 VV VV G G 8 4 對于 對于 6.5 6.5 MOSMOS場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管 考慮慮到溝溝道電壓電壓的作用 于是 2 1 0 2VNqkQ SiaSB 2323 0 0 0 0 0 2 3 2 2 SiSiD aS D D SimsGnD V C Nqk V V C Q V L Z CI 6.5 6.5 MOSMOS場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管 所有拋物線頂點右邊的曲線沒有物理意義。所有拋物線頂點右邊的曲線沒有物理意義。 2 4 6 8 2 4 6 ID （mA） VD （V） VVG12 VVG8 式（ 6

42、-70） 式（ 6-72） 式（ 6-70） 式（ 6-72） 圖圖6-17 6-17 式（式（6-686-68）和式（）和式（6-706-70）的比較）的比較 6.5 6.5 MOSMOS場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管 飽和區(qū)飽和區(qū) 假設(shè)在假設(shè)在L L點發(fā)生夾斷，點發(fā)生夾斷， =0 =0則則 把式（把式（6-736-73）代入式（）代入式（6-706-70）得）得 此式在開始飽和時是有效的。超過這一點，漏極電流可看作是常數(shù)。此式在開始飽和時是有效的。超過這一點，漏極電流可看作是常數(shù)。 所有拋物線頂點右邊的曲線沒有物理意義。所有拋物線頂點右邊的曲線沒有物理意義。 yVVVCQ THGI 0 DSat

43、THG VVVLV（6-736-73） （6-746-74） 2 0 2 THG n DSat VV L ZC I 6.5 6.5 MOSMOS場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管 圖圖6-18 6-18 N N溝道溝道MOSFETMOSFET的電流的電流 電壓特性電壓特性 D V D I 1G V 2G V 3G V 4G V 5G V THDSG VVV 1 6.5 6.5 MOSMOS場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管 小結(jié)小結(jié) 畫出結(jié)構(gòu)示意圖說明了畫出結(jié)構(gòu)示意圖說明了MOSMOS場效應(yīng)晶體管工作原理。場效應(yīng)晶體管工作原理。 a. a.若加一小的漏電壓，電子將通過溝道從源流到漏。溝道的作用相當(dāng)于一個電阻，若加

44、一小的漏電壓，電子將通過溝道從源流到漏。溝道的作用相當(dāng)于一個電阻， 漏電流和漏電流和 漏電壓漏電壓 成正比。這是線性區(qū)成正比。這是線性區(qū). . b. b.當(dāng)漏電壓增加時，由于從源到漏存在電壓即當(dāng)漏電壓增加時，由于從源到漏存在電壓即 ，因此，導(dǎo)電溝道從，因此，導(dǎo)電溝道從 逐漸變窄，逐漸變窄， 致使致使 處反型層寬度減小到零。這種現(xiàn)象叫做溝道夾斷圖（處反型層寬度減小到零。這種現(xiàn)象叫做溝道夾斷圖（6-156-15b b）。）。溝道夾斷發(fā)溝道夾斷發(fā) 生的地點叫夾斷點。夾斷以后，漏電流基本上保持不變，因為夾斷點的電壓保持不變，即生的地點叫夾斷點。夾斷以后，漏電流基本上保持不變，因為夾斷點的電壓保持不變，

45、即 導(dǎo)電溝道兩端的電壓保持不變。因而從漏到源的電流也不變。這是飽和區(qū)。導(dǎo)電溝道兩端的電壓保持不變。因而從漏到源的電流也不變。這是飽和區(qū)。 C. C. 夾斷以后，夾斷以后，隨著漏電壓增加隨著漏電壓增加導(dǎo)電溝道兩端的電壓保持不變導(dǎo)電溝道兩端的電壓保持不變但但溝道長度溝道長度L縮短，因此漏電流縮短，因此漏電流 將增加從而呈現(xiàn)不飽和特性。將增加從而呈現(xiàn)不飽和特性。 D I D V DS V Ly L0 6.5 6.5 MOSMOS場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管 小結(jié)小結(jié) 薩支唐方程薩支唐方程 在推在推導(dǎo)薩支唐方程過程中假設(shè)導(dǎo)薩支唐方程過程中假設(shè) 與與V 無關(guān)。實際上，無關(guān)。實際上， 中所含的中所含的 與溝道

46、電與溝道電 壓有關(guān)?？紤]到溝道電壓的作用，壓有關(guān)。考慮到溝道電壓的作用， 應(yīng)寫成應(yīng)寫成 漏電流修正為漏電流修正為 公式為（公式為（6-726-72）。）。 （6-716-71） （6-706-70） 2 2 0 D DTHGnD V VVV L Z CI TH V TH V B Q B Q 1 2 0 2 BSaSi QqkNV 6.5 6.5 MOSMOS場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管 小結(jié)小結(jié) 夾斷條件：夾斷條件： 0 0或或 飽飽和區(qū)區(qū)I IV V特性： 截止區(qū)：截止區(qū)：若柵電壓小于閾值電壓，不會形成反型層。結(jié)果是，若柵電壓小于閾值電壓，不會形成反型層。結(jié)果是，MOSFET象是背對背象是背對背

47、 連接的兩個連接的兩個P-N結(jié)一樣，相互阻擋任何一方的電流流過。晶體管在這一工作區(qū)域與結(jié)一樣，相互阻擋任何一方的電流流過。晶體管在這一工作區(qū)域與 開路相似。開路相似。 （6-746-74） （6-76-73 3） yVVVCQ THGI 0 DSatTHG VVVLV 2 0 2 THG n DSat VV L ZC I 6.5 6.5 MOSMOS場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管 教學(xué)要求教學(xué)要求 畫出結(jié)構(gòu)示意圖說明了畫出結(jié)構(gòu)示意圖說明了MOSMOS場效應(yīng)晶體管工作原理。場效應(yīng)晶體管工作原理。 導(dǎo)出薩支唐方程導(dǎo)出薩支唐方程（6-706-70） 利用利用 導(dǎo)出漏電流修正為導(dǎo)出漏電流修正為 公式（公式（

48、6-726-72）。）。 說明夾斷條件：說明夾斷條件： 0 0或或 的物理意義的物理意義 導(dǎo)出飽和區(qū)導(dǎo)出飽和區(qū)I IV V特性公式（特性公式（6-746-74） v 作業(yè)：作業(yè)：6.96.9、6.106.10、6.116.11 （6-76-73 3） （6-706-70） 2 1 0 2VNqkQ SiaSB yVVVCQ THGI 0 DSatTHG VVVLV 6.6 6.6 等效電路和頻率響應(yīng)等效電路和頻率響應(yīng) 6.6 6.6 等效電路和頻率響應(yīng)等效電路和頻率響應(yīng) 小信號參數(shù)：小信號參數(shù)： 1.1.線性導(dǎo)納線性導(dǎo)納 對式（對式（6-706-70）求導(dǎo)數(shù)）求導(dǎo)數(shù) 線性區(qū)的電阻，稱為開態(tài)電阻

49、，或?qū)娮?，可用下式表示線性區(qū)的電阻，稱為開態(tài)電阻，或?qū)娮瑁捎孟率奖硎?（6-766-76） （6-756-75） d g 常數(shù) G V D D d V I g THGnDTHGnd VV L Z CVVV L Z Cg 00 THGnd on VVZC L g R 0 1 （6-776-77） 6.6 6.6 等效電路和頻率響應(yīng)等效電路和頻率響應(yīng) 圖圖6-19 6-19 MOSFETMOSFET中溝道導(dǎo)納與的對應(yīng)關(guān)系中溝道導(dǎo)納與的對應(yīng)關(guān)系 6.6 6.6 等效電路和頻率響應(yīng)等效電路和頻率響應(yīng) 跨導(dǎo)跨導(dǎo) 線性區(qū)：對線性區(qū)：對式（式（6-706-70）求導(dǎo)）求導(dǎo) 飽和區(qū)：對式（飽和區(qū)：對

50、式（6-746-74）求導(dǎo)）求導(dǎo) 在假設(shè)在假設(shè) 為常數(shù)時才成立，飽和區(qū)跨導(dǎo)為常數(shù)時才成立，飽和區(qū)跨導(dǎo) 的表示式和線性區(qū)導(dǎo)納的表示式和線性區(qū)導(dǎo)納 的相同的相同 （6-796-79） （6-786-78） （6-806-80） m g 常數(shù) D V G D m V I g Dnm V L Z Cg 0 THG n m VV L ZC g 0 B Q m g d g 6.6 6.6 等效電路和頻率響應(yīng)等效電路和頻率響應(yīng) 3.3.飽和區(qū)的漏極電阻飽和區(qū)的漏極電阻 飽和區(qū)漏極電阻可以用作圖法從漏極特性中求得。飽和區(qū)漏極電阻可以用作圖法從漏極特性中求得。 4.4.柵極電容柵極電容 = = ZLZL 常數(shù)

51、G V DSat DSat atdds I V srr （6-6-8181） dS r G C G C 0 C 6.6 6.6 等效電路和頻率響應(yīng)等效電路和頻率響應(yīng) 圖圖6-20 6-20 MOSMOS晶體管的小訊號等效電路。晶體管的小訊號等效電路。 MOSFETMOSFET的等效電路的等效電路 ds r D S gSmV g gd C gS C G gS v S dS C 截止頻率截止頻率 定義為輸出電流和輸入電流之比為定義為輸出電流和輸入電流之比為1 1時的頻率，即當(dāng)器件輸出短路時，器件不能夠放時的頻率，即當(dāng)器件輸出短路時，器件不能夠放 大輸入信號時的頻率。大輸入信號時的頻率。 為為了提高工作了提高工作頻頻率或工作速度，率或