器件物理MOSFET課件

第六章金屬—氧化物—半導(dǎo)體場(chǎng)

效應(yīng)晶體管

第六章金屬—氧化物—半導(dǎo)體場(chǎng)

16.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)26.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

教學(xué)要求1.了解理想MOS結(jié)構(gòu)基本假設(shè)及其意義。2.根據(jù)電磁場(chǎng)邊界條件導(dǎo)出空間電荷與電場(chǎng)的關(guān)系3.掌握載流子積累、耗盡和反型和強(qiáng)反型的概念。4.正確畫(huà)出流子積累、耗盡和反型和強(qiáng)反型四種情況的能帶圖。5.導(dǎo)出反型和強(qiáng)反型條件

（6-1-1）6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

教學(xué)要求（6-1-36.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)1.理想MOS結(jié)構(gòu)基于以下假設(shè)：（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。（2）金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差為零.（3）SiO2層是良好的絕緣體，能阻擋直流電流流過(guò)。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(gè)表面空間電荷區(qū)中費(fèi)米能級(jí)為常數(shù)。6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)1.理想MOS結(jié)構(gòu)基4圖6.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體電容6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

圖6.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體電容6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表5確定表面勢(shì)s和費(fèi)米勢(shì)F與MOS偏置狀態(tài)的關(guān)系取Ei（體內(nèi)）為零電勢(shì)能點(diǎn)，則任一x處電子的電勢(shì)能為Ei(x)-Ei(體內(nèi)）=-q(x)任一點(diǎn)電勢(shì)表面勢(shì)費(fèi)米勢(shì)6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

確定表面勢(shì)s和費(fèi)米勢(shì)F任一點(diǎn)電勢(shì)表面勢(shì)費(fèi)米勢(shì)6.1理想6

F的正負(fù)和大小與Si襯底的導(dǎo)電類(lèi)型和摻雜濃度有關(guān)p型半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

F的正負(fù)和大小與Si襯底的導(dǎo)電類(lèi)型和摻雜濃度有關(guān)p型76.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

1.VG=0平帶金屬和半導(dǎo)體表面無(wú)電荷，場(chǎng)強(qiáng)為6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)1.VG=08正常情況下，MOS電容背面接地，VG定義為加在柵上的直流偏置。由于在靜態(tài)偏置條件下沒(méi)有電流流過(guò)器件，所以費(fèi)米能級(jí)不受偏置的影響，且不隨位置變化。半導(dǎo)體體內(nèi)始終保持平衡，與MOS柵上加電壓與否無(wú)關(guān)所加偏置VG引起器件兩端費(fèi)米能級(jí)移動(dòng)：EFM-EFS=-qVGVG0導(dǎo)致器件內(nèi)部有電勢(shì)差，引起能帶彎曲。金屬是等勢(shì)體，無(wú)能帶彎曲。絕緣體中的電場(chǎng)為勻強(qiáng)電場(chǎng)，電勢(shì)和電勢(shì)能是位置x的線性函數(shù)，VG>0，絕緣體和半導(dǎo)體中的能帶向上傾斜，反之，向下傾斜。在半導(dǎo)體體內(nèi)，能帶彎曲消失。6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

正常情況下，MOS電容背面接地，VG定義為加在柵上的直流偏置96.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

2.VG<0由于垂直表面向上的電場(chǎng)的作用，緊靠硅表面的空穴的濃度大于體內(nèi)熱平衡多數(shù)載流子濃度時(shí)，稱(chēng)為載流子積累現(xiàn)象

積累狀態(tài)下xd非常小6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)2.VG<0積累狀態(tài)10電荷塊圖能帶圖6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

積累s<0電荷塊圖能帶圖6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)積113.VG>06.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

VG>0,(較小負(fù)偏置），空穴的濃度在O-S界面附近降低，稱(chēng)為空穴被“耗盡”，留下帶負(fù)電的受主雜質(zhì)。3.VG>06.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)VG>0126.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)電荷塊圖能帶圖耗盡0<s<2F6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)電荷塊圖能帶圖耗136.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)4.VG>0,若正偏電壓越來(lái)越大，半導(dǎo)體表面的能帶會(huì)越來(lái)越彎曲，在表面的電子濃度越來(lái)越多，當(dāng)表面的電子濃度ns=ni時(shí)，稱(chēng)為弱反型；繼續(xù)增加電壓VG=VT時(shí)，ns=NA,表面形成強(qiáng)反型，稱(chēng)為耗盡-反型的轉(zhuǎn)折點(diǎn)強(qiáng)反型條件；反型條件:

6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)4.VG>0,若正偏146.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

耗盡和反型轉(zhuǎn)折點(diǎn)電荷塊圖能帶圖6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)耗盡和反型轉(zhuǎn)折點(diǎn)電荷155.VG>VT時(shí),表面少數(shù)載流子濃度超過(guò)多數(shù)載流子濃度，這種情況稱(chēng)為“反型”。6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

反型電荷塊圖能帶圖5.VG>VT時(shí),表面少數(shù)載流子濃度超過(guò)多數(shù)載流子濃度，這166.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

n型MOS電容的不同偏置下的能帶圖和對(duì)應(yīng)的電荷塊圖6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)n型MOS電容的不同17n型MOS電容的不同偏置下的能帶圖和對(duì)應(yīng)的電荷塊圖6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

n型MOS電容的不同偏置下的能帶圖和對(duì)應(yīng)的電荷塊圖6.1理18結(jié)論

n型襯底VGACC(積累）DEPL（耗盡）INV（反型）0VT0VTACC(積累）DEPL（耗盡）INV（反型）P型6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

結(jié)論n型襯底VGACC(積累）DEPL（耗盡）IN19結(jié)論

n型(F<0)sACC(積累）DEPL（耗盡）INV（反型）02F0ACC(積累）DEPL（耗盡）INV（反型）P型(F>0)2F平帶耗盡-反型過(guò)渡點(diǎn)s6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

結(jié)論n型(F<0)sACC(積累）DEPL（耗20例題：兩個(gè)理想MOS電容的電荷塊圖分布如下圖所示，對(duì)每一種情況：完成以下三個(gè)問(wèn)題：（1）半導(dǎo)體是n型還是p型（2）器件偏置模式是積累、耗盡還是反型？（3）畫(huà)出該電荷塊圖對(duì)應(yīng)的MOS電容能帶（4）畫(huà)出該結(jié)構(gòu)的高頻C-V特性曲線，并在圖中用符號(hào)“”標(biāo)出與該電荷塊圖相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)（3分）6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

例題：兩個(gè)理想MOS電容的電荷塊圖分布如下圖所示，對(duì)每21

MOS電容的靜電特性1半導(dǎo)體靜電特性的定量描述

目標(biāo)：建立在靜態(tài)偏置條件下，理想MOS電容內(nèi)部的電荷，電場(chǎng)E和電勢(shì)金屬：M-O界面電荷分布在金屬表面幾?范圍內(nèi)=δ，E=0，=常數(shù)絕緣體：=0，E=Eox

，Δ=Eoxx0半導(dǎo)體體內(nèi)：體內(nèi)E=0處=06.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

MOS電容的靜電特性1半導(dǎo)體靜電特性的定量描述6.1理226.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

半導(dǎo)體中積累=（0）

E=0（x>0)=0(x>0)6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)半導(dǎo)體中積累236.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

半導(dǎo)體中耗盡層寬度耗盡層中的電荷密度泊松方程電場(chǎng)電勢(shì)x=xd處，E(xd)=0,(xd)=0邊界條件=qNa6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)半導(dǎo)體中耗盡層寬度耗246.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

耗盡層寬度和表面勢(shì)的關(guān)系表面勢(shì)最大耗盡層寬度6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)耗盡層寬度和表面勢(shì)的256.2理想MOS電容器6.2理想MOS電容器266.2理想MOS電容器

教學(xué)要求

2..了解電荷QI的產(chǎn)生機(jī)制

3.了解積累區(qū)、耗盡區(qū)、反型區(qū)和強(qiáng)反型情況下，MOS電容的變化規(guī)律及影響MOS電容的主要因素

1.導(dǎo)出公式（6－2-24）、（6-2-25）。6.2理想MOS電容器教學(xué)要求1.導(dǎo)出公式（6－2-2427MOS中無(wú)直流電流流過(guò)，所以MOS電容中最重要的特性就是C-V特性，把理想C-V特性曲線和實(shí)測(cè)C-V曲線比較，可以判斷實(shí)際MOS電容與理想情況的偏差。而且在MOS器件制備中，MOS電容的C-V特性檢測(cè)也常作為一種常規(guī)的工藝檢測(cè)手段。6.2理想MOS電容器

MOS中無(wú)直流電流流過(guò)，所以MOS電容中最重要的特性就是286.2理想MOS電容器MOS系統(tǒng)單位面積的微分電容微分電容C與外加偏壓VG

的關(guān)系稱(chēng)為MOS系統(tǒng)的電容—電壓特性。

（6-2-1）（6-2-2）6.2理想MOS電容器MOS系統(tǒng)單位面積的微分電容（6-29若令（6-2-3）（6-2-4）則

（6-2-5）C0絕緣層單位面積上的電容，Cs半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)單位面積電容。

6.2理想MOS電容器

若令（6-2-3）（6-2-4）則306.2理想MOS電容器

（6-2-6）（6-2-7）6.2理想MOS電容器（6-2-6）（6-2-7）31對(duì)于理想MOS系統(tǒng)，絕緣層單位面積電容：

6.2理想MOS電容器

半導(dǎo)體的表面電容Cs是表面勢(shì)s的函數(shù)，因而也是外加?xùn)烹妷篤G的函數(shù)對(duì)于理想MOS系統(tǒng)，絕緣層單位面積電容：6.2理想MOS電326.2理想MOS電容器

將電容隨偏壓的變化分成幾個(gè)區(qū)域，變化大致情況如圖6-7所示。

圖6-7P型半導(dǎo)體MOS的C-V特性n型MOS電容高、低頻C-V特性6.2理想MOS電容器將電容隨偏壓的變化分成幾個(gè)區(qū)域，變336.2理想MOS電容器

積累區(qū)（VG>0）(以n襯底為例）直流O-S界面積累多子，多子在10-10-10-13秒的時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡。加交變信號(hào)，積累電荷的改變量ΔQ，只在界面附近變化，因此MOS電容相當(dāng)于平板電容器

6.2理想MOS電容器積累區(qū)（VG>0）(34MOS系統(tǒng)的電容C基本上等于絕緣體電容C0。當(dāng)負(fù)偏壓的數(shù)值逐漸減少時(shí)，空間電荷區(qū)積累的電子數(shù)隨之減少，并且Qs隨s的變化也逐漸減慢，Cs變小?？傠娙軨也就變小。6.2理想MOS電容器

MOS系統(tǒng)的電容C基本上等于絕緣體電容C0。當(dāng)負(fù)偏壓的數(shù)值逐35平帶情況（VG=0）由摻雜濃度和氧化層厚度確定

6.2理想MOS電容器

平帶情況（VG=0）由摻雜濃度和氧化層厚度確定366.2理想MOS電容器

耗盡區(qū)（VG<0）(以n襯底為例）柵上有-Q電荷，半導(dǎo)體中有+Q的受主雜質(zhì)ND+，ND+的出現(xiàn)是由于多子被排斥，因此器件工作與多子有關(guān)，仍能在10-10-10-13秒內(nèi)達(dá)到平衡，交流信號(hào)作用下，耗盡層寬度在直流值附近呈準(zhǔn)靜態(tài)漲落，所以MOS電容看作兩個(gè)平板電容器的串聯(lián)。

6.2理想MOS電容器耗盡區(qū)（VG<0）(以n襯底為376.2理想MOS電容器

(氧化層電容)（半導(dǎo)體電容）耗盡區(qū)（VG<0）(以n襯底為例）6.2理想MOS電容器(氧化層電容)（半導(dǎo)體電容）38在耗盡區(qū)xd隨VG的增大而增大，所以C隨VG的增大而減小VG從0→VT，xd從0→xdm，Cdep從CO→CT6.2理想MOS電容器

在耗盡區(qū)xd隨VG的增大而增大，所以C隨VG的增大而減小6.396.2理想MOS電容器

氧化層電容

6.2理想MOS電容器406.2理想MOS電容器

（6-2-24）（6-46）（6-47）6.2理想MOS電容器（6-2-24）（6-46）（6-416.2理想MOS電容器

反型：出現(xiàn)反型層以后的電容C與測(cè)量頻率有很大的關(guān)系，在測(cè)量電容時(shí)，在MOS系統(tǒng)上施加有直流偏壓VG,然后在VG之上再加小信號(hào)的交變電壓，使電荷QM變化，從而測(cè)量C.6.2理想MOS電容器反型：42反型直流偏置使xd=xdm，O-S界面堆積很多少子，少子的產(chǎn)生過(guò)程很慢。在交流信號(hào)作用下平衡柵電荷的變化→少子電荷的變化，

→耗盡層寬度的變化，究竟哪一種電荷起主要作用呢？低頻0，少子的產(chǎn)生和消除跟得上交流信號(hào)的變化，此時(shí)如同在積累情況

6.2理想MOS電容器

反型6.2理想MOS電容器436.2理想MOS電容器

高頻：少子的變化跟不上交流信號(hào)的變化，此時(shí)少子的數(shù)目固定在直流時(shí)的值，主要依靠耗盡層寬度的變化來(lái)平衡柵電荷的變化，類(lèi)似于耗盡偏置6.2理想MOS電容器高頻：44

積累

耗盡）

反型（

=

反型（（6.2理想MOS電容器

積累耗盡）456.2理想MOS電容器

將電容隨偏壓的變化分成幾個(gè)區(qū)域，變化大致情況如圖6-7所示。

圖6-7P型半導(dǎo)體MOS的C-V特性n型MOS電容高、低頻C-V特性6.2理想MOS電容器將電容隨偏壓的變化分成幾個(gè)區(qū)域，變46例1：6.2理想MOS電容器

下圖是理想MOS電容在不同靜態(tài)偏置下的能帶圖，每個(gè)圖對(duì)應(yīng)的MOS電容的偏置狀態(tài)為：A圖對(duì)應(yīng)于

；B圖對(duì)應(yīng)于

；C圖對(duì)應(yīng)于

；D圖對(duì)應(yīng)于

；

例1：6.2理想MOS電容器下圖是理想MOS電容在不同靜47例2理想MOS-C結(jié)構(gòu)的C-V特性圖和能帶圖如下圖所示，則與C-V特性圖上各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的能帶圖為6.2理想MOS電容器

例2理想MOS-C結(jié)構(gòu)的C-V特性圖和能帶圖如下圖所示，則與48例3下圖是一個(gè)工作在T=300K、VG0的理想MOS電容能帶圖，在硅-二氧化硅界面處EF=Ei。（1）F=？（2）s=？（3）VG=?(4)畫(huà)出對(duì)應(yīng)于該能帶圖的電荷塊分布圖。（5）畫(huà)出所給MOS電容的低頻C-V特性曲線的大致形狀，用符號(hào)大致標(biāo)出與該能帶圖所給狀態(tài)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。6.2理想MOS電容器

例36.2理想MOS電容器496.2理想MOS電容器

6.2理想MOS電容器50

例4.T=300K下的理想MOS電容，x0=0.2m,其能帶圖如圖所示。所施加的柵極偏壓使得能帶彎曲，在Si-SiO2界面EF=Ei?；卮鹣铝袉?wèn)題：（a）畫(huà)出半導(dǎo)體內(nèi)部的靜電勢(shì)作為空間位置函數(shù)的曲線（b）粗略的畫(huà)出半導(dǎo)體內(nèi)部以及氧化層內(nèi)部的電場(chǎng)E作為空間位置函數(shù)的曲線（c）半導(dǎo)體達(dá)到平衡了嗎？為什么（d）粗略的畫(huà)出半導(dǎo)體內(nèi)部電子濃度隨位置變化的曲線（e）Si-SiO2表面的電子濃度是多少6.2理想MOS電容器

例4.T=300K下的理想MOS電容，x0=0.2m,其51（f）ND=?(g)S=？

(h)VG=?(i)氧化層上的壓降Δox是多少？(j)在圖中所示偏置點(diǎn)上MOS電容的歸一化小信號(hào)電容C/CO是多少？6.2理想MOS電容器

（f）ND=?6.2理想MOS電容器526.2理想MOS電容器

6.2理想MOS電容器53(a)(b)(c)半導(dǎo)體處于平衡態(tài)，因費(fèi)米能級(jí)處于一條直線6.2理想MOS電容器

xbxbxbxbxbxb(a)(b)(c)半導(dǎo)體處于平衡態(tài)，因費(fèi)米能級(jí)處于一條直線54（d)(e)n=ni

因?yàn)樵诮缑嫣嶦F=Eixb6.2理想MOS電容器

（d)(e)n=ni因?yàn)樵诮缑嫣嶦F=Eixb6.255（h)(j)耗盡狀態(tài)

xb6.2理想MOS電容器

（h)(j)耗盡狀態(tài)xb6.2理想MOS電容器566.2理想MOS電容器

6.2理想MOS電容器57例5對(duì)于本征硅上的理想MOS電容，（a）畫(huà)出該電容在平帶情況下的能帶圖。圖中要求包含MOS電容的三個(gè)部分，畫(huà)出金屬和半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)，并且標(biāo)出能級(jí)位置（b）畫(huà)出在正柵極偏壓下，該電容對(duì)應(yīng)的電荷塊圖（c）畫(huà)出所給MOS電容的低頻C-V特性曲線，在每個(gè)工作區(qū)證明你所畫(huà)的曲線形狀6.2理想MOS電容器

例56.2理想MOS電容器586.2理想MOS電容器

6.2理想MOS電容器596.2理想MOS電容器

6.2理想MOS電容器60

一個(gè)理想MOS電容，工作在T=300K下。X0=0.1m，ND=21015/cm3，AG=10-3cm2。（a）畫(huà)出該器件的高頻C-V特性曲線的大致形狀（b）定義CMAX為最大的高頻電容，求CMAX（c）定義CMIN為最小的高頻電容，求CMIN（d）若VG=VT，求S。（給出表達(dá)式及數(shù)值答案）（e）計(jì)算VT6.2理想MOS電容器

一個(gè)理想MOS電容，工作在T=300K下。X0=0.1m61（f）假設(shè)柵極偏壓使得S=3F/2，請(qǐng)畫(huà)出MOS電容對(duì)應(yīng)于該柵偏置時(shí)的能帶圖。（要求畫(huà)出MOS電容的所以三個(gè)部分，畫(huà)出氧化層和半導(dǎo)體中正確的能帶彎曲，以及金屬和半導(dǎo)體中費(fèi)米能級(jí)的正確位置。）（g）假設(shè)柵偏壓使得S=5F/2，請(qǐng)畫(huà)出對(duì)應(yīng)于該柵偏置的電荷塊圖。（h）若測(cè)量該器件的C-V特性時(shí)，所加的直流偏壓很快的從積累掃描到反型，請(qǐng)用虛線在（a）答案的同一坐標(biāo)下畫(huà)出這種情況將會(huì)得到的C-V特性曲線。6.2理想MOS電容器

（f）假設(shè)柵極偏壓使得S=3F/2，請(qǐng)畫(huà)出MOS電容對(duì)應(yīng)626.2理想MOS電容器

6.2理想MOS電容器636.2理想MOS電容器

6.2理想MOS電容器646.2理想MOS電容器

6.2理想MOS電容器65（a）考慮圖所示的C-V特性曲線，哪個(gè)或哪些曲線反映了當(dāng)VG>VT時(shí)，存在平衡的反型層？請(qǐng)給予解釋。（a）考慮圖所示的C-V特性曲線，哪個(gè)或哪些曲線反映了66（b）下圖中比較了兩個(gè)相同的柵極面積（AG）的MOS電容的C-V特性曲線。曲線b與曲線a相比，其氧化層厚度（選擇：更薄，相同，更厚）？其摻雜濃度有何不同（選擇：更低，相同，更高）請(qǐng)給予簡(jiǎn)單解釋?zhuān)╞）下圖中比較了兩個(gè)相同的柵極面積（AG）的MOS電容的676.2理想MOS電容器

小結(jié)MOS電容定義為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

（6-22）（6-29）（6-25）6.2理想MOS電容器小結(jié)（6-22）（6-29）（6-686.2理想MOS電容器

小結(jié)歸一化電容在耗盡區(qū)

歸一化MOS電容隨著外加偏壓的增加而減小畫(huà)出了理想系統(tǒng)的電容—電壓特性（圖6.7）。

（6-28）（6-45）（6-46）6.2理想MOS電容器小結(jié)（6-28）（6-45）（6-696.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓6.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓706.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓

一溝道電導(dǎo)式中為溝道中的電子濃度。為溝道寬度。

即為反型層中單位面積下的總的電子電荷溝道電導(dǎo)為

（6-51）（6-52）（6-53）6.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓一溝道電導(dǎo)（6-51）（6-52716.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓二閾值電壓：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(shí)

溝道電荷受到偏壓控制，這正是MOSFET工作的基礎(chǔ)。閾值電壓：

第一項(xiàng)表示在形成強(qiáng)反型時(shí)，要用一部分電壓去支撐空間電荷；第二項(xiàng)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(shí)所需要的表面勢(shì)。

（6-51）（6-54）（6-55）6.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓二閾值電壓：定義為形成強(qiáng)726.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓

小結(jié)二個(gè)概念：溝道電導(dǎo)、閾值電壓溝道電導(dǎo)公式閾值電壓公式

（6-53）（6-54）6.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓小結(jié)（6-53）（6-54）736.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓

教學(xué)要求掌握概念：溝道電導(dǎo)、閾值電壓導(dǎo)出溝道電導(dǎo)公式（6-53）導(dǎo)出閾值電壓公式（6-54）說(shuō)明閾值電壓的物理意義。

6.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓教學(xué)要求746.4實(shí)際MOS的電容－電壓特性6.4實(shí)際MOS的電容－電壓特性756.41金屬-半導(dǎo)體功函數(shù)差實(shí)際器件中MS，系統(tǒng)處于平衡時(shí)，金屬和半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)一致，則兩種材料的真空能級(jí)必然不同，在系統(tǒng)的不同部分之間出現(xiàn)電場(chǎng)Evac，半導(dǎo)體中出現(xiàn)能帶彎曲，6.4實(shí)際MOS的電容－電壓特性6.41金屬-半導(dǎo)體功函數(shù)差6.4實(shí)際MOS的電容－電壓特76M=SMOS結(jié)構(gòu)的平衡能帶圖MSMOS結(jié)構(gòu)的平衡能帶圖6.4實(shí)際MOS的電容－電壓特性M=SMOS結(jié)構(gòu)的平衡能帶圖MSMOS結(jié)構(gòu)的平776.4實(shí)際MOS的電容—電壓特性

以鋁電極和P型硅襯底為例。鋁的功函數(shù)比p型硅的小，前者的費(fèi)米能級(jí)比后者的高。接觸前，功函數(shù)差

由于功函數(shù)的不同，鋁—二氧化硅—P型硅MOS系統(tǒng)在沒(méi)有外加偏壓的時(shí)候，在半導(dǎo)體表面就存在表面勢(shì)s>0。因此，欲使能帶平直，即除去功函數(shù)差所帶來(lái)的影響，就必須在金屬電極上加一負(fù)電壓。6.4實(shí)際MOS的電容—電壓特性以鋁電極和P型硅78這個(gè)電壓一部分用來(lái)拉平二氧化硅的能帶，一部分用來(lái)拉平半導(dǎo)體的能帶，使s＝0。因此稱(chēng)其為平帶電壓。6.4實(shí)際MOS的電容－電壓特性這個(gè)電壓一部分用來(lái)拉平二氧化硅的能帶，一部分用來(lái)拉平半導(dǎo)體的796.4實(shí)際MOS的電容—電壓特性

MS0對(duì)器件特性的影響對(duì)理想MOS，平帶電壓為0，對(duì)應(yīng)的高頻C-V特性曲線如圖中的虛線。對(duì)實(shí)際器件，需要加?xùn)烹妷篤G=MS,以達(dá)到平帶狀態(tài)。由于兩種情況在平帶條件下的電容相同，實(shí)際器件的平帶點(diǎn)沿電壓軸橫向移動(dòng)了MS

對(duì)理想器件C-V特性曲線上的任意一點(diǎn)，在實(shí)際器件上需在柵上加電壓MS，才能得到相同的電容理想C-V與實(shí)際C-V曲線之間的電壓飄移了VGVG=(VG-VG1)sameC=MS6.4實(shí)際MOS的電容—電壓特性MS806.4實(shí)際MOS的電容—電壓特性

功函數(shù)差對(duì)MOS電容高頻特性的影響6.4實(shí)際MOS的電容—電壓特性功函數(shù)差對(duì)MOS電容高頻81n型襯底MSMOS結(jié)構(gòu)的平衡能帶圖n型襯底MSMOS結(jié)構(gòu)的平衡能帶圖82器件物理MOSFET課件836.4實(shí)際MOS的電容—電壓特性

6.4.2界面陷阱和氧化物電荷的影響

熱生長(zhǎng)的SiO2-Si結(jié)構(gòu)中電荷中心的特點(diǎn)和位置理想MOS假設(shè)在氧化層中或氧化層-半導(dǎo)體界面沒(méi)有電荷中心。而實(shí)際器件中，氧化層電荷則會(huì)帶來(lái)很大的電壓漂移和不穩(wěn)定性。通過(guò)廣泛研究，已確定了一些處于氧化層中或氧化層-半導(dǎo)體界面的電荷中心。6.4實(shí)際MOS的電容—電壓特性6.4.2界面陷阱和氧化846.4實(shí)際MOS的電容—電壓特性

界面陷阱電荷Qit（interfacetrappedcharge）

硅（100）面，Qit約1010cm2，硅（111）面，Qit約1011cm2。

氧化物固定電荷Qf（fixedoxidecharge）

Qf位于Si-SiO2界面約3nm的范圍內(nèi)，這些電荷是固定的，

Qf是正的。硅（100）面，

Qf約1010cm2硅（111）面，Qf約51010cm2。因?yàn)椋?00）面的Qit和Qf較低，故硅MOSFET一般采用（100）晶面。6.4實(shí)際MOS的電容—電壓特性界面陷阱電荷Qit85氧化物陷阱電荷QOt（oxidetrappedcharge）

界面陷阱的來(lái)源Si界面的懸掛鍵減少界面陷阱濃度的方法金屬后退火或在氫氣氛中退火，以減少懸掛鍵的濃度大都可以通過(guò)低溫退火消除?？蓜?dòng)離子電荷Qm（mobileioniccharge）

諸如鈉離子和其它堿金屬離子，在高溫和高壓下工作時(shí)，它們能在氧化層內(nèi)移動(dòng)。6.4實(shí)際MOS的電容—電壓特性

氧化物陷阱電荷QOt（oxidetrappedcharg86氧化物電荷對(duì)平帶電壓的影響絕緣層中的電荷對(duì)平帶電壓的影響與他們所處的位置有關(guān)6.4實(shí)際MOS的電容—電壓特性

氧化物電荷對(duì)平帶電壓的影響絕緣層中的電荷對(duì)平帶電壓的影響與他876.4實(shí)際MOS的電容—電壓特性

6.4實(shí)際MOS的電容—電壓特性881.在M-SiO2界面的電荷對(duì)平帶電壓沒(méi)影響2.在SiO2-Si界面的固定電荷QF6.4實(shí)際MOS的電容—電壓特性

1.在M-SiO2界面的電荷對(duì)平帶電壓沒(méi)影響6.4實(shí)際MO89界面陷阱是指界面缺陷在禁帶中引入了允許電子占據(jù)的能級(jí)，使界面在不同偏置狀態(tài)下具有不同的與界面陷阱相關(guān)的電荷，從而使MOS器件的C-V特性與理想C-V特性偏離。6.4實(shí)際MOS的電容—電壓特性

界面陷阱是指界面缺陷在禁帶中引入了允許電子占據(jù)的能級(jí)，使906.4實(shí)際MOS的電容—電壓特性

圖n型器件，在不同偏置下，界面能級(jí)填充情況反型(b)耗盡(c)積累施主型陷阱，被電子占據(jù)為中性，空態(tài)帶正電受主型陷阱，被電子占據(jù)帶負(fù)電，空態(tài)為電中性反型QIT最大，積累QIT最小，耗盡QIT界于二者之間6.4實(shí)際MOS的電容—電壓特性圖n型器件，在不同偏置916.4實(shí)際MOS的電容—電壓特性

6.4實(shí)際MOS的電容—電壓特性926.4實(shí)際MOS的電容—電壓特性

結(jié)論QF，QM、MS導(dǎo)致C-V特性曲線相對(duì)理想曲線沿電壓軸產(chǎn)生平行的負(fù)漂移QIT引起的VG會(huì)因所加偏置的不同或正或負(fù)，因而使C-V特性曲線產(chǎn)生畸變目前生產(chǎn)商開(kāi)發(fā)了一些減少M(fèi)OS器件非理想性的工藝技術(shù)，可制備出近乎理想的器件6.4實(shí)際MOS的電容—電壓特性結(jié)論QF，QM、MS導(dǎo)936.4實(shí)際MOS的電容—電壓特性

6.4.3實(shí)際的MOS閾值電壓和C-V曲線平帶電壓:為實(shí)現(xiàn)平帶條件所需的偏壓：

（6-4-1）6.4實(shí)際MOS的電容—電壓特性6.4.394

第一項(xiàng)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(duì)于半導(dǎo)體所需要加的外加電壓；第二項(xiàng)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；第三項(xiàng)是支撐出現(xiàn)強(qiáng)反型時(shí)的體電荷，所需要的外加電壓；

第四項(xiàng)是開(kāi)始出現(xiàn)強(qiáng)反型層時(shí)，半導(dǎo)體表面所需的表面勢(shì)。閾值電壓6.4實(shí)際MOS的電容—電壓特性

第一項(xiàng)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(duì)95例題：標(biāo)準(zhǔn)MOSFET，其理想情況下的閾值電壓為0.8V。

xo=0.05m,AG=10-3cm2,

非理想特性的相關(guān)參數(shù)為：MS=-0.89eV,QM=0,QIT=0,假設(shè)T=300K。1.確定平帶電壓VFB2.確定實(shí)際MOSFET反型開(kāi)始對(duì)應(yīng)的柵電壓VTH

（4分）3.給定的MOSFET是增強(qiáng)型MOSFET還是耗盡型MOSFET（2分6.4實(shí)際MOS的電容—電壓特性

例題：標(biāo)準(zhǔn)MOSFET，其理想情況下的閾值電壓為0.8V。696VG=0時(shí)器件導(dǎo)通，因此是耗盡型MOSFET6.4實(shí)際MOS的電容—電壓特性

VG=0時(shí)器件導(dǎo)通，因此是耗盡型MOSFET6.4實(shí)際MO976.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管6.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管986.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管

6.5.1基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程6.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管6.5.1基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程991.源極（S），漏極（D），柵極（G），有源區(qū)，場(chǎng)區(qū)2.S與D在沒(méi)有加外電壓之前不能確定。3.nFET（p型襯底，溝道電子導(dǎo)電）,D極是具有較高電壓的一斷4.pFET（n型襯底，溝道空穴導(dǎo)電），D極是具有較低電壓的一端

5.電流流動(dòng)是由載流子（nFET為電子，pFET為空穴）在受柵極（G）控制的情況下，從源（S)向漏（D)運(yùn)動(dòng)而形成的。

6.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管

1.源極（S），漏極（D），柵極（G），有源區(qū)，場(chǎng)區(qū)6.1006.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管

2.MOSFET器件工作機(jī)理的定性分析VG=0，VD>0，從源到漏是兩個(gè)背靠背的反偏PN結(jié)，只有很小的反偏電流流過(guò)。VGVT,MOS處于積累或耗盡，溝道中只有NA-耗盡層，MOS開(kāi)路，ID=0VGVT,溝道中電子堆積，反型層導(dǎo)電能力增強(qiáng)，MOS導(dǎo)通。VG越大，反型層電子越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)6.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管2.MOSFET器件工作機(jī)理的定101VG<VTH,溝道沒(méi)有電子反型層，漏電流為06.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管

VG<VTH,溝道沒(méi)有電子反型層，漏電流為06.5MOS102VG>VTH,溝道有電子反型層，漏電流為ID6.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管

VG>VTH,溝道有電子反型層，漏電流為ID6.5MOS103（1）VD=0，熱平衡ID=0VG>VTH的導(dǎo)通情況下，VD對(duì)電流ID的影響（2）VD增加小的正電壓，溝道類(lèi)似簡(jiǎn)單電阻，ID隨VD成正比增加（1）VD=0，熱平衡ID=0VG>VTH的導(dǎo)通情況下，VD104（3）VD大于零點(diǎn)幾伏，VD對(duì)柵的反型起負(fù)面影響，因?yàn)槁┒藀n結(jié)反向偏置。VD增加，耗盡層增大，使漏端附近反型層電子減少，溝道導(dǎo)電能力下降，ID隨VD增加的斜率變小VG>VT的導(dǎo)通情況下，VD對(duì)電流ID的影響（3）VD大于零點(diǎn)幾伏，VD對(duì)柵的反型起負(fù)面影響，因?yàn)?05（4）VD繼續(xù)增加，直到漏端附近反型層電子消失，稱(chēng)作溝道夾斷，對(duì)應(yīng)于B點(diǎn)，此時(shí)的VD=VDS定義為夾斷電壓VG>VT的導(dǎo)通情況下，VD對(duì)電流ID的影響VG>VT的導(dǎo)通情況下，VD對(duì)電流ID的影響106VG>VT的導(dǎo)通情況下，VD對(duì)電流ID的影響(5)VD>VDS時(shí)，溝道夾斷部分ΔL增寬，夾斷區(qū)載流子很少，電導(dǎo)率減小，VD超過(guò)VDS的部分主要降落在ΔL夾斷區(qū)。對(duì)于長(zhǎng)溝道MOS,

ΔL<<L），當(dāng)VD>VDS，ID基本保持不變;對(duì)于短溝道MOS（ΔL~L），當(dāng)VD>VDS，ID隨VD的增加略有增加VG>VT的導(dǎo)通情況下，VD對(duì)電流ID的影響(5)VD>V107VGS>VT的導(dǎo)通情況下，VDS對(duì)電流ID的影響（6）VG>VTH,VG越大，反型層電子越多，對(duì)應(yīng)夾斷的VDS越大；ID-VD特性曲線起始斜率隨VG增大而增大。（7）MOS管輸出電流受柵電壓控制，VG<VTH,截止；VG>VTH導(dǎo)通，導(dǎo)通情況下，VD<VDS，MOS工作在線性區(qū)VD>VDS,MOS工作在飽和區(qū)VGS>VT的導(dǎo)通情況下，VDS對(duì)電流ID的影響（6）VG>108。VG>VT的導(dǎo)通情況下，VD對(duì)電流ID的影響。VG>VT的導(dǎo)通情況下，VD對(duì)電流ID的影響109理想假設(shè)：（1）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；（3）載流子在反型層內(nèi)的遷移率為常數(shù)；（4）長(zhǎng)溝道近似和緩變溝道近似，即Ex為一常數(shù)（5）溝道中的電流主要是由漂移產(chǎn)生的6.5.2電流-電壓關(guān)系：數(shù)學(xué)推導(dǎo)理想假設(shè)：6.5.2電流-電壓關(guān)系：數(shù)學(xué)推導(dǎo)110用來(lái)推導(dǎo)ID-VD關(guān)系的MOSFET示意圖6.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管用來(lái)推導(dǎo)ID-VD關(guān)系的MOSFET示意圖6.5MOS場(chǎng)效1116.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管

VGVT，0VDVDs情況下，ID-VD特性曲線的平方律理論推導(dǎo)平方律理論假設(shè)柵上電荷的變化僅由反型電荷QI變化來(lái)平衡，即耗盡層寬度不變.在MOSFET溝道中，漂移占主導(dǎo)作用6.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管

VGVT，0VDVDs1126.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管6.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管1136.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管線性區(qū)感應(yīng)溝道電荷漂移電子電流

（6-70）式稱(chēng)為薩支唐（C.T.Sah）方程。MOSFET的半導(dǎo)體的電勢(shì)從S端的0升到D端的VD，平板電容器在源端的電勢(shì)差VG-VTH-0，漏端VG-VTH-VD，中間任一點(diǎn)為VG-VTH-V(y）6.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管線性區(qū)MOSFET的半導(dǎo)體的電1146.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管6.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管1156.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管

飽和區(qū)

假設(shè)在L點(diǎn)發(fā)生夾斷，

方法二：6.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管飽和區(qū)方法二：116總結(jié)MOSFET的平方律理論

NMOS：VTH>0VG<VTHMOSFET截止，ID=0

VD<VDs

VG>VTHMOSFET導(dǎo)通

VD>VDsPMOS:VTH<0VG>VTH,MOSFET截止

VG<VTH,MOSFET導(dǎo)通總結(jié)MOSFET的平方律理論P(yáng)MOS:VTH<0117例題

N溝MOSFET的特性由下列參數(shù)表征。（1）柵電壓VG是多少？（2）若VG=2V，VD=2V，求：ID=？gd=?gm=?（3）若VG=3V，VD=1V，求：ID=？gd=?gm=?（4）對(duì)（2）和（3）給定的條件，分別畫(huà)出通過(guò)溝道的反型層電荷和耗盡區(qū)6.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管

例題N溝MOSFET的特性由下列參數(shù)表征。6.5MOS場(chǎng)118器件物理MOSFET課件1196.6等效電路和頻率響應(yīng)6.6等效電路和頻率響應(yīng)1206.6等效電路和頻率響應(yīng)

教學(xué)要求1.線性導(dǎo)納、導(dǎo)通電阻、線性區(qū)跨導(dǎo)、飽和區(qū)跨導(dǎo)、飽和區(qū)的漏極電阻，柵極電容

2.導(dǎo)出公式（6-6-2）、（6-6-5）、（6-6-6）

3.畫(huà)出交流等效電路圖6-20

4.計(jì)算了截止頻率，指出提高工作頻率或工作速度的途徑作業(yè)：6.11、6.12

6.6等效電路和頻率響應(yīng)教學(xué)要求1216.6等效電路和頻率響應(yīng)

6.6等效電路和頻率響應(yīng)122夾斷前6.6等效電路和頻率響應(yīng)

夾斷前6.6等效電路和頻率響應(yīng)123線性區(qū)的電阻，稱(chēng)為開(kāi)態(tài)電阻，或?qū)娮?，可用下式表?/p>

6.6等效電路和頻率響應(yīng)

線性區(qū)的電阻，稱(chēng)為開(kāi)態(tài)電阻，或?qū)娮瑁?.6等效電路和頻124夾斷后夾斷后1256.6等效電路和頻率響應(yīng)

圖6-19MOSFET中溝道導(dǎo)納與的對(duì)應(yīng)關(guān)系6.6等效電路和頻率響應(yīng)圖6-19MOSFET中溝道導(dǎo)1266.6等效電路和頻率響應(yīng)

3.飽和區(qū)的漏極電阻rDS

飽和區(qū)漏極電阻可以用作圖法從漏極特性中求得。4.柵極電容(本征電容）

6.6等效電路和頻率響應(yīng)3.飽和區(qū)的漏極電阻rDS1276.6等效電路和頻率響應(yīng)

6.6等效電路和頻率響應(yīng)128輸出短路時(shí)減小溝道長(zhǎng)度可以提高工作頻率6.6等效電路和頻率響應(yīng)

輸出短路時(shí)減小溝道長(zhǎng)度可以提高工作頻率6.6等效電路和頻率1296.6等效電路和頻率響應(yīng)

小結(jié)交流小信號(hào)參數(shù)：線性導(dǎo)納

導(dǎo)通電阻

線性區(qū)跨導(dǎo)：對(duì)式（6-70）求導(dǎo)

（6-76）（6-77）（6-79）6.6等效電路和頻率響應(yīng)小結(jié)（6-76）（6-77）（61306.6等效電路和頻率響應(yīng)

小結(jié)飽和區(qū)跨導(dǎo)：對(duì)式（6-74）求導(dǎo)

飽和區(qū)的漏極電阻

柵極電容

＝ZL

（6-79）（6-80）（6-81）6.6等效電路和頻率響應(yīng)小結(jié)（6-79）（6-80）（61316.6等效電路和頻率響應(yīng)

小結(jié)給出了交流等效電路圖6-20計(jì)算了截止頻率

提高工作頻率或工作速度的途徑：溝道長(zhǎng)度要短，載流子遷移率要高。

（6-82）6.6等效電路和頻率響應(yīng)小結(jié)（6-82）132制備出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)MOSFET，相關(guān)參數(shù)為：MS=-0.89eV,QM=0,QIT=0,

xo=0.05m,AG=10-3cm2,NA=1015/cm3,假設(shè)T=300K。確定平帶電壓VFB。確定反型開(kāi)始對(duì)應(yīng)的柵電壓VTh給定的MOSFET是增強(qiáng)型MOSFET還是耗盡型MOSFET圖1圖26.6等效電路和頻率響應(yīng)

制備出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)MOSFET，相關(guān)參數(shù)為：MS=-0.8133(4)如果MOSFET中內(nèi)部狀態(tài)如下圖1所示，在圖2所示的ID-VD特性曲線上確定相應(yīng)的工作點(diǎn)（5）若在VG-VTh=3V、VD=1V情況下，MOSFET的漏斷電流ID=2.510-4A,采用平方律關(guān)系，求在VG-VTh=3V、VD=4V情況下的漏斷電流？6.6等效電路和頻率響應(yīng)

(4)如果MOSFET中內(nèi)部狀態(tài)如下圖1所示，在圖2所示的I134（1）

(2)（1）(2)135(3)由于，MOSFET開(kāi)始導(dǎo)通，在VG=0時(shí)器件導(dǎo)通，因此是耗盡型MOSFET（4）可見(jiàn)MOSFET溝道被夾斷，相應(yīng)于飽和開(kāi)始的點(diǎn)為點(diǎn)D。（5）如果

MOSFET工作夾在夾斷前的情況，由平方定律公式，有

(3)由于，MOSFET開(kāi)始導(dǎo)通，在136

當(dāng)VG-VT=3V，VD=4V，器件進(jìn)入飽和，有

當(dāng)VG-VT=3V，VD=4V，器件進(jìn)入飽和，有1376.6等效電路和頻率響應(yīng)

作業(yè)題17-3室溫下理想P溝MOSFET（1）VD=0，器件開(kāi)啟時(shí)的能帶圖（2）VD=0，器件開(kāi)啟時(shí)的電荷塊圖（3）畫(huà)出器件夾斷時(shí)MOSFET中的反型層和耗盡層6.6等效電路和頻率響應(yīng)作業(yè)題17-3室溫下理想P溝MO1386.8場(chǎng)效應(yīng)晶體管的類(lèi)型6.8場(chǎng)效應(yīng)晶體管的類(lèi)型1396.8場(chǎng)效應(yīng)晶體管的類(lèi)型按照反型層類(lèi)型的不同，MOSFET可分四種不同的基本類(lèi)型

N溝MOSFET：P溝增強(qiáng)型：VG=0，器件沒(méi)有導(dǎo)通P溝耗盡型：VG=0，器件已經(jīng)導(dǎo)通

6.8場(chǎng)效應(yīng)晶體管的類(lèi)型按照反型層類(lèi)型的不同，140P溝MOSFET：P溝增強(qiáng)型：VG=0，器件沒(méi)有導(dǎo)通P溝耗盡型：VG=0，器件已經(jīng)導(dǎo)通

6.8場(chǎng)效應(yīng)晶體管的類(lèi)型

P溝MOSFET：6.8場(chǎng)效應(yīng)晶體管的類(lèi)型1416.8場(chǎng)效應(yīng)晶體管的類(lèi)型表6.2四種器件的截面、輸出特性和轉(zhuǎn)移特性

6.8場(chǎng)效應(yīng)晶體管的類(lèi)型表6.2四種器件的截面、輸出特性和1426.8場(chǎng)效應(yīng)晶體管的類(lèi)型表6.2四種器件的截面、輸出特性和轉(zhuǎn)移特性

6.8場(chǎng)效應(yīng)晶體管的類(lèi)型表6.2四種器件的截面、輸出特性和143亞閾值電導(dǎo)理想ID-VD關(guān)系中，當(dāng)VGVTH時(shí)，MOSFET截止，ID=0實(shí)際器件，當(dāng)VG

VTH時(shí)，ID并不為0，把VG

VTH時(shí)的漏電流稱(chēng)為亞閾值電流亞閾值電導(dǎo)144理想和實(shí)驗(yàn)函數(shù)關(guān)系的比較

理想和實(shí)驗(yàn)函數(shù)關(guān)系的比較145s<2fp時(shí)，在半導(dǎo)體表面EF更靠近EC，表面處于弱n型，溝道中存在少量電子，使溝道導(dǎo)通。fp<s<2fps<2fp時(shí)，在半導(dǎo)體表面EF更靠近EC，表面處于弱n型146夾斷前夾斷后漏端電流反比于溝道長(zhǎng)度，考慮溝道調(diào)制效應(yīng)夾斷前夾斷后漏端電流反比于溝道長(zhǎng)度，考慮溝道調(diào)制效應(yīng)147例題例1.一個(gè)理想的N溝道MOSFET,在T=300K下進(jìn)行特性分析，器件參數(shù)為：例題例1.一個(gè)理想的N溝道MOSFET,在T=300K下進(jìn)行148器件物理MOSFET課件149器件物理MOSFET課件150VG-VT<VDVG-VT>VDVG-VT<VDVG-VT>VD151器件物理MOSFET課件152器件物理MOSFET課件153器件物理MOSFET課件15424VGVD=2VVD=4VVD=6V24VGVD=2VVD=4VVD=6V155下圖給出了理想MOSFET的ID-VD特性圖，所給特性中IDS=10-3A,VDS=5V，請(qǐng)用平方律理論及圖中所給信息回答下列問(wèn)題：（1）若閾值電壓VTH=1V,為了得到圖中的特性曲線，需要在柵極施加多大的電壓？（2）若x0=0.1m,MOSFET偏置在圖中點(diǎn)2處，求其溝道區(qū)靠近漏端單位面積（每平方厘米）上的反型層電荷?（3）假設(shè)柵極電壓被調(diào)整到VG-VTH=3V，求VD=4V時(shí)的ID?（4)若圖中點(diǎn)3為該MOSFET的靜態(tài)工作點(diǎn)，請(qǐng)求出溝道電導(dǎo)(5)若圖中點(diǎn)3為該MOSFET的靜態(tài)工作點(diǎn)，請(qǐng)求出跨導(dǎo)gm?下圖給出了理想MOSFET的ID-VD特性圖，所給特性中I156第六章金屬—氧化物—半導(dǎo)體場(chǎng)

效應(yīng)晶體管

第六章金屬—氧化物—半導(dǎo)體場(chǎng)

1576.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)1586.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

教學(xué)要求1.了解理想MOS結(jié)構(gòu)基本假設(shè)及其意義。2.根據(jù)電磁場(chǎng)邊界條件導(dǎo)出空間電荷與電場(chǎng)的關(guān)系3.掌握載流子積累、耗盡和反型和強(qiáng)反型的概念。4.正確畫(huà)出流子積累、耗盡和反型和強(qiáng)反型四種情況的能帶圖。5.導(dǎo)出反型和強(qiáng)反型條件

（6-1-1）6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

教學(xué)要求（6-1-1596.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)1.理想MOS結(jié)構(gòu)基于以下假設(shè)：（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。（2）金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差為零.（3）SiO2層是良好的絕緣體，能阻擋直流電流流過(guò)。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(gè)表面空間電荷區(qū)中費(fèi)米能級(jí)為常數(shù)。6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)1.理想MOS結(jié)構(gòu)基160圖6.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體電容6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

圖6.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體電容6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表161確定表面勢(shì)s和費(fèi)米勢(shì)F與MOS偏置狀態(tài)的關(guān)系取Ei（體內(nèi)）為零電勢(shì)能點(diǎn)，則任一x處電子的電勢(shì)能為Ei(x)-Ei(體內(nèi)）=-q(x)任一點(diǎn)電勢(shì)表面勢(shì)費(fèi)米勢(shì)6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

確定表面勢(shì)s和費(fèi)米勢(shì)F任一點(diǎn)電勢(shì)表面勢(shì)費(fèi)米勢(shì)6.1理想162

F的正負(fù)和大小與Si襯底的導(dǎo)電類(lèi)型和摻雜濃度有關(guān)p型半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

F的正負(fù)和大小與Si襯底的導(dǎo)電類(lèi)型和摻雜濃度有關(guān)p型1636.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

1.VG=0平帶金屬和半導(dǎo)體表面無(wú)電荷，場(chǎng)強(qiáng)為6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)1.VG=0164正常情況下，MOS電容背面接地，VG定義為加在柵上的直流偏置。由于在靜態(tài)偏置條件下沒(méi)有電流流過(guò)器件，所以費(fèi)米能級(jí)不受偏置的影響，且不隨位置變化。半導(dǎo)體體內(nèi)始終保持平衡，與MOS柵上加電壓與否無(wú)關(guān)所加偏置VG引起器件兩端費(fèi)米能級(jí)移動(dòng)：EFM-EFS=-qVGVG0導(dǎo)致器件內(nèi)部有電勢(shì)差，引起能帶彎曲。金屬是等勢(shì)體，無(wú)能帶彎曲。絕緣體中的電場(chǎng)為勻強(qiáng)電場(chǎng)，電勢(shì)和電勢(shì)能是位置x的線性函數(shù)，VG>0，絕緣體和半導(dǎo)體中的能帶向上傾斜，反之，向下傾斜。在半導(dǎo)體體內(nèi)，能帶彎曲消失。6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

正常情況下，MOS電容背面接地，VG定義為加在柵上的直流偏置1656.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

2.VG<0由于垂直表面向上的電場(chǎng)的作用，緊靠硅表面的空穴的濃度大于體內(nèi)熱平衡多數(shù)載流子濃度時(shí)，稱(chēng)為載流子積累現(xiàn)象

積累狀態(tài)下xd非常小6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)2.VG<0積累狀態(tài)166電荷塊圖能帶圖6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

積累s<0電荷塊圖能帶圖6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)積1673.VG>06.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

VG>0,(較小負(fù)偏置），空穴的濃度在O-S界面附近降低，稱(chēng)為空穴被“耗盡”，留下帶負(fù)電的受主雜質(zhì)。3.VG>06.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)VG>01686.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)電荷塊圖能帶圖耗盡0<s<2F6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)電荷塊圖能帶圖耗1696.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)4.VG>0,若正偏電壓越來(lái)越大，半導(dǎo)體表面的能帶會(huì)越來(lái)越彎曲，在表面的電子濃度越來(lái)越多，當(dāng)表面的電子濃度ns=ni時(shí)，稱(chēng)為弱反型；繼續(xù)增加電壓VG=VT時(shí)，ns=NA,表面形成強(qiáng)反型，稱(chēng)為耗盡-反型的轉(zhuǎn)折點(diǎn)強(qiáng)反型條件；反型條件:

6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)4.VG>0,若正偏1706.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

耗盡和反型轉(zhuǎn)折點(diǎn)電荷塊圖能帶圖6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)耗盡和反型轉(zhuǎn)折點(diǎn)電荷1715.VG>VT時(shí),表面少數(shù)載流子濃度超過(guò)多數(shù)載流子濃度，這種情況稱(chēng)為“反型”。6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

反型電荷塊圖能帶圖5.VG>VT時(shí),表面少數(shù)載流子濃度超過(guò)多數(shù)載流子濃度，這1726.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

n型MOS電容的不同偏置下的能帶圖和對(duì)應(yīng)的電荷塊圖6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)n型MOS電容的不同173n型MOS電容的不同偏置下的能帶圖和對(duì)應(yīng)的電荷塊圖6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

n型MOS電容的不同偏置下的能帶圖和對(duì)應(yīng)的電荷塊圖6.1理174結(jié)論

n型襯底VGACC(積累）DEPL（耗盡）INV（反型）0VT0VTACC(積累）DEPL（耗盡）INV（反型）P型6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

結(jié)論n型襯底VGACC(積累）DEPL（耗盡）IN175結(jié)論

n型(F<0)sACC(積累）DEPL（耗盡）INV（反型）02F0ACC(積累）DEPL（耗盡）INV（反型）P型(F>0)2F平帶耗盡-反型過(guò)渡點(diǎn)s6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

結(jié)論n型(F<0)sACC(積累）DEPL（耗176例題：兩個(gè)理想MOS電容的電荷塊圖分布如下圖所示，對(duì)每一種情況：完成以下三個(gè)問(wèn)題：（1）半導(dǎo)體是n型還是p型（2）器件偏置模式是積累、耗盡還是反型？（3）畫(huà)出該電荷塊圖對(duì)應(yīng)的MOS電容能帶（4）畫(huà)出該結(jié)構(gòu)的高頻C-V特性曲線，并在圖中用符號(hào)“”標(biāo)出與該電荷塊圖相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)（3分）6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

例題：兩個(gè)理想MOS電容的電荷塊圖分布如下圖所示，對(duì)每177

MOS電容的靜電特性1半導(dǎo)體靜電特性的定量描述

目標(biāo)：建立在靜態(tài)偏置條件下，理想MOS電容內(nèi)部的電荷，電場(chǎng)E和電勢(shì)金屬：M-O界面電荷分布在金屬表面幾?范圍內(nèi)=δ，E=0，=常數(shù)絕緣體：=0，E=Eox

，Δ=Eoxx0半導(dǎo)體體內(nèi)：體內(nèi)E=0處=06.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

MOS電容的靜電特性1半導(dǎo)體靜電特性的定量描述6.1理1786.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

半導(dǎo)體中積累=（0）

E=0（x>0)=0(x>0)6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)半導(dǎo)體中積累1796.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

半導(dǎo)體中耗盡層寬度耗盡層中的電荷密度泊松方程電場(chǎng)電勢(shì)x=xd處，E(xd)=0,(xd)=0邊界條件=qNa6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)半導(dǎo)體中耗盡層寬度耗1806.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

耗盡層寬度和表面勢(shì)的關(guān)系表面勢(shì)最大耗盡層寬度6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)耗盡層寬度和表面勢(shì)的1816.2理想MOS電容器6.2理想MOS電容器1826.2理想MOS電容器

教學(xué)要求

2..了解電荷QI的產(chǎn)生機(jī)制

3.了解積累區(qū)、耗盡區(qū)、反型區(qū)和強(qiáng)反型情況下，MOS電容的變化規(guī)律及影響MOS電容的主要因素

1.導(dǎo)出公式（6－2-24）、（6-2-25）。6.2理想MOS電容器教學(xué)要求1.導(dǎo)出公式（6－2-24183MOS中無(wú)直流電流流過(guò)，所以MOS電容中最重要的特性就是C-V特性，把理想C-V特性曲線和實(shí)測(cè)C-V曲線比較，可以判斷實(shí)際MOS電容與理想情況的偏差。而且在MOS器件制備中，MOS電容的C-V特性檢測(cè)也常作為一種常規(guī)的工藝檢測(cè)手段。6.2理想MOS電容器

MOS中無(wú)直流電流流過(guò)，所以MOS電容中最重要的特性就是1846.2理想MOS電容器MOS系統(tǒng)單位面積的微分電容微分電容C與外加偏壓VG

的關(guān)系稱(chēng)為MOS系統(tǒng)的電容—電壓特性。

（6-2-1）（6-2-2）6.2理想MOS電容器MOS系統(tǒng)單位面積的微分電容（6-185若令（6-2-3）（6-2-4）則

（6-2-5）C0絕緣層單位面積上的電容，Cs半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)單位面積電容。

6.2理想MOS電容器

若令（6-2-3）（6-2-4）則1866.2理想MOS電容器

（6-2-6）（6-2-7）6.2理想MOS電容器（6-2-6）（6-2-7）187對(duì)于理想MOS系統(tǒng)，絕緣層單位面積電容：

6.2理想MOS電容器

半導(dǎo)體的表面電容Cs是表面勢(shì)s的函數(shù)，因而也是外加?xùn)烹妷篤G的函數(shù)對(duì)于理想MOS系統(tǒng)，絕緣層單位面積電容：6.2理想MOS電1886.2理想MOS電容器

將電容隨偏壓的變化分成幾個(gè)區(qū)域，變化大致情況如圖6-7所示。

圖6-7P型半導(dǎo)體MOS的C-V特性n型MOS電容高、低頻C-V特性6.2理想MOS電容器將電容隨偏壓的變化分成幾個(gè)區(qū)域，變1896.2理想MOS電容器

積累區(qū)（VG>0）(以n襯底為例）直流O-S界面積累多子，多子在10-10-10-13秒的時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡。加交變信號(hào)，積累電荷的改變量ΔQ，只在界面附近變化，因此MOS電容相當(dāng)于平板電容器

6.2理想MOS電容器積累區(qū)（VG>0）(190MOS系統(tǒng)的電容C基本上等于絕緣體電容C0。當(dāng)負(fù)偏壓的數(shù)值逐漸減少時(shí)，空間電荷區(qū)積累的電子數(shù)隨之減少，并且Qs隨s的變化也逐漸減慢，Cs變小。總電容C也就變小。6.2理想MOS電容器

MOS系統(tǒng)的電容C基本上等于絕緣體電容C0。當(dāng)負(fù)偏壓的數(shù)值逐191平帶情況（VG=0）由摻雜濃度和氧化層厚度確定

6.2理想MOS電容器

平帶情況（VG=0）由摻雜濃度和氧化層厚度確定1926.2理想MOS電容器

耗盡區(qū)（VG<0）(以n襯底為例）柵上有-Q電荷，半導(dǎo)體中有+Q的受主雜質(zhì)ND+，ND+的出現(xiàn)是由于多子被排斥，因此器件工作與多子有關(guān)，仍能在10-10-10-13秒內(nèi)達(dá)到平衡，交流信號(hào)作用下，耗盡層寬度在直流值附近呈準(zhǔn)靜態(tài)漲落，所以MOS電容看作兩個(gè)平板電容器的串聯(lián)。

6.2理想MOS電容器耗盡區(qū)（VG<0）(以n襯底為1936.2理想MOS電容器

(氧化層電容)（半導(dǎo)體電容）耗盡區(qū)（VG<0）(以n襯底為例）6.2理想MOS電容器(氧化層電容)（半導(dǎo)體電容）194在耗盡區(qū)xd隨VG的增大而增大，所以C隨VG的增大而減小VG從0→VT，xd從0→xdm，Cdep從CO→CT6.2理想MOS電容器

在耗盡區(qū)xd隨VG的增大而增大，所以C隨VG的增大而減小6.1956.2理想MOS電容器

氧化層電容

6.2理想MOS電容器1966.2理想MOS電容器

（6-2-24）（6-46）（6-47）6.2理想MOS電容器（6-2-24）（6-46）（6-1976.2理想MOS電容器

反型：出現(xiàn)反型層以后的電容C與測(cè)量頻率有很大的關(guān)系，在測(cè)量電容時(shí)，在MOS系統(tǒng)上施加有直流偏壓VG,然后在VG之上再加小信號(hào)的交變電壓，使電荷QM變化，從而測(cè)量C.6.2理想MOS電容器反型：198反型直流偏置使xd=xdm，O-S界面堆積很多少子，少子的產(chǎn)生過(guò)程很慢。在交流信號(hào)作用下平衡柵電荷的變化→少子電荷的變化，

→耗盡層寬度的變化，究竟哪一種電荷起主要作用呢？低頻0，少子的產(chǎn)生和消除跟得上交流信號(hào)的變化，此時(shí)如同在積累情況

6.2理想MOS電容器

反型6.2理想MOS電容器1996.2理想MOS電容器

高頻：少子的變化跟不上