半導(dǎo)體器件 第十章 含作業(yè)

說明這樣我就可以光明正大的水經(jīng)驗(yàn)了，哈哈，我得意地笑，我得意地笑……第十章

金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管基礎(chǔ)MOSFET：MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管）n+n+P型硅基板柵極（金屬）絕緣層（SiO2）

場效應(yīng)管場效應(yīng)管：一種電壓控制器件，它是利用電場效應(yīng)來控制其電流的大小，從而實(shí)現(xiàn)放大。工作時(shí)，內(nèi)部參與導(dǎo)電的只有多子一種載流子，因此又稱為單極性器件。原理：利用改變垂直于導(dǎo)電溝道的電場強(qiáng)度來控制溝道的導(dǎo)電能力而實(shí)現(xiàn)放大作用;輸入阻抗高：柵和其他端點(diǎn)之間不存在直流通道。噪聲系數(shù)小。多子輸運(yùn)電流，不存在散粒噪聲和配分噪聲。功耗小，可用于制造高密度的半導(dǎo)體集成電路。輸入功率很低而有較高的輸出能力。溫度穩(wěn)定性好。多子器件，電學(xué)參數(shù)不易隨溫度而變化（n與）。一種載流子參與導(dǎo)電。抗輻射能力強(qiáng)：雙極型晶體管的下降（非平衡少子的壽命降低），而場效應(yīng)管的特性變化小（與載流子壽命關(guān)系不大）。其它：工藝衛(wèi)生要求較高，速度較低。特點(diǎn)n+n+P型硅基板柵極（金屬）絕緣層（SiO2）半導(dǎo)體基板漏極源極N溝MOS晶體管的基本結(jié)構(gòu)源極(S)漏極(D)柵極(G)MOSFET的類型溝道中導(dǎo)電的載流子類型N溝道（電子型）P溝道（空穴型）強(qiáng)反型時(shí)，導(dǎo)電溝道中的電子漂移運(yùn)動(dòng)形成電流強(qiáng)反型時(shí)，導(dǎo)電溝道中的空穴漂移運(yùn)動(dòng)形成電流VG＝0時(shí)，是否有導(dǎo)電溝道增強(qiáng)型耗盡型VG＝0時(shí)，無導(dǎo)電溝道VG＝0時(shí)，有導(dǎo)電溝道比較常用的是NMOS管，原因是導(dǎo)通電阻小，且容易制造。兩個(gè)PN結(jié)：1）N型漏極與P型襯底；2）N型源極與P型襯底。一個(gè)電容器結(jié)構(gòu)：柵極與柵極下面的區(qū)域形成一個(gè)電容器，是MOS管的核心。10.1MOS電容結(jié)構(gòu)氧化層厚度氧化層介電常數(shù)Al或高摻雜的多晶Sin型Si或p型SiSiO2MOS電容的組成MOS電容是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的電容，有多層介質(zhì)：在柵極電極下面有一層SiO2介質(zhì)。SiO2下面是P型襯底，襯底是比較厚的。最后，是一個(gè)襯底電極，它同襯底之間必須是歐姆接觸。MOS電容還與外加電壓有關(guān)。MOS電容的特性與柵極上所加的電壓緊密相關(guān)，這是因?yàn)榘雽?dǎo)體的表面狀態(tài)隨柵極電壓的變化可處于積累層、耗盡層、反型層三種狀態(tài)。

SiO2V（a）MOS結(jié)構(gòu)

p-SiMCoxCsd（b）MOS結(jié)構(gòu)等效電路MOS+V-a.MOS結(jié)構(gòu)b.電場效應(yīng)雙端MOS場效應(yīng)當(dāng)柵源之間加上正向電壓，則柵極和p型硅片之間構(gòu)成了以二氧化硅為介質(zhì)的平板電容器，在正的柵源電壓作用下，介質(zhì)中便產(chǎn)生了一個(gè)垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向p型襯底的電場（由于絕緣層很薄，即使只有幾伏的柵源電壓VGS

，也可產(chǎn)生高達(dá)105~106V/cm數(shù)量級(jí)的強(qiáng)電場）。這個(gè)電場排斥空穴而吸引電子，因此，使柵極附近的p型襯底中的空穴被排斥，留下不能移動(dòng)的受主離子（負(fù)離子），形成耗盡層，同時(shí)p型襯底中的少子（電子）被吸引到襯底表面。10.1表面能帶圖:p型襯底負(fù)柵壓情形導(dǎo)帶底能級(jí)禁帶中心能級(jí)費(fèi)米能級(jí)價(jià)帶頂能級(jí)空穴積累：表面的多子濃度大于體內(nèi)的多子濃度。電場電勢電子能量以半導(dǎo)體體內(nèi)為零電勢10.1表面能帶圖:p型襯底小的正柵壓情形(耗盡層)空穴耗盡：表面的多子濃度遠(yuǎn)小于體內(nèi)的多子濃度。10.1表面能帶圖:p型襯底表面空穴濃度=表面電子濃度正柵壓增大↑10.1表面能帶圖:p型襯底(反型層+耗盡層)弱反型現(xiàn)象正柵壓繼續(xù)增大↑10.1表面能帶圖:p型襯底強(qiáng)反型閾值反型點(diǎn):表面電子濃度=體內(nèi)空穴濃度

大的正柵壓漏源之間形成的導(dǎo)電通道BPGSiO2SDN+N+++--++--++++VGS--------反型層iDVDS10.1表面能帶圖:n型襯底(1)正柵壓情形10.1表面能帶圖:n型襯底(2)小的負(fù)柵壓情形大的負(fù)柵壓情形(耗盡層)n型(反型層+耗盡層)n型10.1空間電荷區(qū)厚度:表面耗盡情形費(fèi)米勢表面勢表面空間電荷區(qū)厚度半導(dǎo)體表面電勢與體內(nèi)電勢之差半導(dǎo)體體內(nèi)費(fèi)米能級(jí)與禁帶中心能級(jí)之差的電勢表示采用單邊突變結(jié)的耗盡層近似P型襯底單邊突變結(jié)n+p邊界條件：x=xd

時(shí)，E=0根據(jù)：假定x=xd

處的電勢為010.1空間電荷區(qū)厚度:表面反型情形閾值反型點(diǎn)條件：表面處的電子濃度=體內(nèi)的空穴濃度表面空間電荷區(qū)厚度表面電子濃度：體內(nèi)空穴濃度：P型襯底柵電壓=閾值電壓表面空間電荷區(qū)厚度達(dá)到最大值:表面導(dǎo)電性增加，屏蔽外加電場10.1空間電荷區(qū)厚度:與摻雜濃度的關(guān)系實(shí)際器件參數(shù)區(qū)間10.1電子反型電荷濃度P型襯底電子反型電荷濃度：其中10.1表面反型層電子密度與表面勢的關(guān)系P型襯底10.1功函數(shù)差:MOS接觸前的能帶圖金屬的功函數(shù)金屬的費(fèi)米能級(jí)二氧化硅的禁帶寬度二氧化硅的電子親和能硅的電子親和能絕緣體不允許電荷在金屬和半導(dǎo)體之間進(jìn)行交換，要達(dá)到熱平衡，需要導(dǎo)線連接金屬和半導(dǎo)體！10.1功函數(shù)差:MOS結(jié)構(gòu)的能帶圖條件：零柵壓，熱平衡零柵壓下氧化物二側(cè)的電勢差修正的金屬功函數(shù)零柵壓下半導(dǎo)體的表面勢修正的硅的電子親和能二氧化硅的電子親和能10.1功函數(shù)差:計(jì)算公式內(nèi)建電勢差：功函數(shù)差10.1功函數(shù)差:計(jì)算公式內(nèi)建電勢差：功函數(shù)差10.1功函數(shù)差:n＋摻雜多晶硅柵(P-Si)<0近似相等n+摻雜至簡并簡并：degenerate退化，衰退10.1功函數(shù)差:p＋摻雜多晶硅柵(P-Si)p+摻雜至簡并≥010.1功函數(shù)差:與摻雜濃度的關(guān)系氧化膜中電荷的影響界面態(tài)電荷（界面陷阱電荷）這種由懸掛鍵引起的表面電子狀態(tài)稱為表面態(tài)，與SiO2交界，又稱界面態(tài)固定氧化物電荷位于界面SiO2側(cè)3nm的區(qū)域內(nèi)，密度約1011cm-2，帶正電荷。一般認(rèn)為是界面附近存在未充分氧化的Si離子—過剩硅離子及氧空位可動(dòng)離子電荷起因于進(jìn)入SiO2層中的Na+、K+、Li+等輕堿金屬離子及H+離子電離陷阱電荷X-射線、γ射線、高能/低能電子束等照射SiO2膜時(shí)產(chǎn)生電子-空穴對。上述4種電荷的作用統(tǒng)歸于Qox——等效電荷電荷本身與半導(dǎo)體表面的距離不同，對表面狀態(tài)的影響也不同。距離越近，影響越強(qiáng)。故等效為界面處的薄層電荷。氧化層中的電荷的影響10.1平帶電壓:定義MOS結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)體表面能帶彎曲的動(dòng)因金屬與半導(dǎo)體之間加有電壓（柵壓）半導(dǎo)體與金屬之間存在功函數(shù)差氧化層中存在凈的空間電荷平帶電壓定義：使半導(dǎo)體表面能帶無彎曲需施加的柵電壓來源：金屬與半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差，氧化層中的凈空間電荷單位面積電荷數(shù)金屬上的電荷密度MSiO2Si＋＋＋＋＋＋＋MSiO2Si＋＋＋＋＋＋＋氧化層中的電荷的影響平帶10.1平帶電壓:公式Vox0+s0=-ms零柵壓時(shí)：Vox

：柵電壓VG

降落在SiO2

絕緣層上的部分ΦS

：柵電壓VG

降落在半導(dǎo)體表面的部分Φms

：金屬-半導(dǎo)體功函數(shù)差10.1平帶電壓:公式單位面積電荷數(shù)金屬上的電荷密度平帶電壓第一項(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；MSiO2Si＋＋＋＋＋＋＋MSiO2Si＋＋＋＋＋＋＋Vox

：柵電壓VG

降落在SiO2

絕緣層上的部分ΦS

：柵電壓VG

降落在半導(dǎo)體表面的部分VFB

：平帶電壓

外加?xùn)烹妷撼^

VFB

的部分（VG

-VFB）稱為

有效柵電壓。有效柵電壓可分為兩部分：降在氧化層上的VOX與降在硅表面附近的表面電勢S

，即VG–VFB=VOX+S

小節(jié)內(nèi)容11.1.4平帶電壓來源定義如果沒有功函數(shù)差及氧化層電荷,平帶電壓為多少?如何算10.1閾值電壓:公式閾值電壓：達(dá)到閾值反型點(diǎn)時(shí)所需的柵壓表面勢=費(fèi)米勢的2倍|QSDmax|=eNa

xdTQSDns忽略反型層電荷10.1閾值電壓:與摻雜/氧化層電荷的關(guān)系P型襯底MOS結(jié)構(gòu)Q‘ss越大，則VTN的絕對值越大；Na越高，則VTN的值（帶符號(hào)）越大Na很小時(shí)，VTN隨Na的變化緩慢，且隨Q’ss的增加而線性增加

Na很大時(shí)，VTN

隨Na

的變化劇烈，且與Q’ss

的相關(guān)性變?nèi)?0.1閾值電壓:導(dǎo)通類型VTN>0MOSFET為增強(qiáng)型VG=0時(shí)未反型，加有正柵壓時(shí)才反型VTN<0MOSFET為耗盡型VG=0時(shí)已反型，加有負(fù)柵壓后才能脫離反型P型襯底MOS結(jié)構(gòu)10.1閾值電壓:n型襯底情形費(fèi)米勢表面耗盡層最大厚度單位面積表面耗盡層電荷單位面積柵氧化層電容平帶電壓閾值電壓10.1n型襯底與p型襯底的比較p型襯底MOS結(jié)構(gòu)n型襯底MOS結(jié)構(gòu)增強(qiáng)型、耗盡型都可能增強(qiáng)型（除非摻P型雜質(zhì)）MOSFET類型閾值電壓典型值金屬-半導(dǎo)體功函數(shù)差10.1表面反型層電子密度與表面勢的關(guān)系11.1MOS電容表面空間電荷層電荷與表面勢的關(guān)系堆積平帶耗盡弱反型強(qiáng)反型小節(jié)內(nèi)容11.1.6電荷分布分布圖為什么書中可以經(jīng)常忽略反型點(diǎn)的電荷?p32711.1.5閾值電壓概念電中性條件與誰有關(guān)?如何理解?N型P型及摻雜的關(guān)系10.2節(jié)內(nèi)容理想情況CV特性頻率特性氧化層電荷及界面態(tài)的影響實(shí)例10.2C-V特性什么是C-V特性？MOS電容電壓的微小變化→電荷密度的變化由于

xp

與

xn遠(yuǎn)小于勢壘區(qū)總寬度

W，所以可將這些變化的電荷看作是集中在勢壘區(qū)邊緣無限薄層中的面電荷。這時(shí)PN

結(jié)勢壘電容就像一個(gè)普通的平行板電容器

，所以單位面積的勢壘電容

C'可以簡單地表為P

區(qū)N

區(qū)10.2C-V特性什么是C-V特性？平帶電容-電壓特性10.2C-V特性堆積狀態(tài)加負(fù)柵壓，堆積層電荷能夠跟得上柵壓的變化，相當(dāng)于柵介質(zhì)平板電容平帶本征10.2C-V特性平帶狀態(tài)所加負(fù)柵壓正好等于平帶電壓VFB，使半導(dǎo)體表面能帶無彎曲平帶本征柵壓趨近于平帶電壓時(shí)，總電容隨表面德拜長度LD的增加而減少。10.2C-V特性耗盡狀態(tài)加小的正柵壓，表面耗盡層電荷隨柵壓的變化而變化，出現(xiàn)耗盡層電容平帶本征C’相當(dāng)與Cox與Csd’串聯(lián)10.2C-V特性強(qiáng)反型狀態(tài)(低頻)加大的正柵壓且柵壓變化較慢，反型層電荷跟得上柵壓的變化平帶本征MOS電容電壓的微小變化強(qiáng)反型層電荷密度的變化(耗盡層寬度基本不變)此時(shí)電容=柵氧化層電容反型層電荷—電子的來源:

①p型中少子—電子的擴(kuò)散;②耗盡層中的熱運(yùn)動(dòng)形成的電子-空穴對.

10.2C-V特性反型狀態(tài)(高頻)加較大的正柵壓，使反型層電荷出現(xiàn)，但柵壓變化較快，反型層電荷跟不上柵壓的變化，只有金屬和空間電荷區(qū)內(nèi)電荷變化，只有耗盡層電容對C有貢獻(xiàn)。此時(shí)，耗盡層寬度乃至耗盡層電容基本不隨柵壓變化而變化。柵壓頻率的影響反型層電荷—電子的來源:

①p型中少子—電子的擴(kuò)散;②耗盡層中的熱運(yùn)動(dòng)形成的電子-空穴對.

10.2C-V特性n型與p型的比較p型襯底MOS結(jié)構(gòu)n型襯底MOS結(jié)構(gòu)小節(jié)內(nèi)容理想情況CV特性CV特性概念堆積平帶耗盡反型下的概念堆積平帶耗盡反型下的計(jì)算頻率特性高低頻情況圖形及解釋10.2C-V特性氧化層電荷的影響例圖:因?yàn)镼ss均為正電荷,需要額外犧牲負(fù)電荷來中和界面的正電,所以平帶電壓更負(fù)-----++10.2C-V特性界面陷阱的分類被電子占據(jù)（在EFS之下）帶負(fù)電，不被電子占據(jù)（在EFS之上）為中性被電子占據(jù)（在EFS之下）為中性，不被電子占據(jù)（在EFS之上）帶正電（界面陷阱）受主態(tài)容易接受電子帶負(fù)電正常情況熱平衡不帶電施主態(tài)容易放出電子帶正電圖11.32氧化層界面處界面態(tài)示意圖702.電子占據(jù)施主界面態(tài)的分布函數(shù)施主界面態(tài)能值基態(tài)簡并度等于21.電子占據(jù)受主界面態(tài)的分布函數(shù)受主界面態(tài)能值基態(tài)簡并度等于4界面態(tài)能級(jí)被電子所占據(jù)的概率10.2C-V特性界面陷阱的影響:堆積狀態(tài)堆積狀態(tài)：界面陷阱帶正電，C-V曲線左移，平帶電壓更負(fù)例圖:需要額外犧牲三個(gè)負(fù)電荷來中和界面態(tài)的正電,所以平帶電壓更負(fù)------+++施主態(tài)容易放出電子帶正電禁帶中央：界面陷阱不帶電，對C-V曲線無影響10.2C-V特性界面陷阱的影響:本征狀態(tài)反型狀態(tài)：界面陷阱帶負(fù)電，C-V曲線右移，閾值電壓更正。10.2C-V特性界面陷阱的影響:反型狀態(tài)例圖:需要額外犧牲三個(gè)正電荷來中和界面態(tài)的負(fù)電,所以閾值電壓升高_(dá)__++++++受主態(tài)容易接受電子帶負(fù)電

課外作業(yè)1．畫出N溝臨界增強(qiáng)型MOS管()的能帶圖。（1）標(biāo)出圖中各處的

及

（2）從圖證明（3）計(jì)算空間電荷區(qū)的電場、電勢和寬度。3．簡述理想與實(shí)測的MOSFETC-V曲線平帶點(diǎn)有何不同?2．MOS結(jié)構(gòu)中，P型半導(dǎo)體表面在什么情況下成為積累層？什么情況下出現(xiàn)耗盡層和反型層？并請畫出相應(yīng)的能帶圖。4.從式,證明處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)處處相等。5.簡述(1)耗盡層近似(2)什么是空間電荷區(qū)復(fù)合電流和產(chǎn)生電流？(3)什么是場效應(yīng)？6.簡要的回答并說明理由：①pn結(jié)的勢壘電容與電壓和頻率分別有何關(guān)系？②pn結(jié)的擴(kuò)散電容與電壓和頻率分別有何關(guān)系？小節(jié)內(nèi)容氧化層電荷及界面態(tài)對C-V曲線的影響氧化層電荷影響及曲線界面態(tài)概念界面態(tài)影響概念曲線實(shí)例如何測C-V曲線如何看圖解釋出現(xiàn)的現(xiàn)象10.3節(jié)內(nèi)容MOS結(jié)構(gòu)電流電壓關(guān)系——概念電流電壓關(guān)系——推導(dǎo)跨導(dǎo)襯底偏置效應(yīng)10.3MOSFET原理

MOSFET結(jié)構(gòu)N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖BPGN+N+氮氮SDSiO2Ltox1.結(jié)構(gòu)SGDB2.符號(hào)3.基本參數(shù)溝道長度L(跟工藝水平有關(guān))溝道寬度W柵氧化層厚度toxMOSFET的類型溝道中導(dǎo)電的載流子類型N溝道（電子型）P溝道（空穴型）強(qiáng)反型時(shí)，導(dǎo)電溝道中的電子漂移運(yùn)動(dòng)形成電流強(qiáng)反型時(shí)，導(dǎo)電溝道中的空穴漂移運(yùn)動(dòng)形成電流VG＝0時(shí)，是否有導(dǎo)電溝道增強(qiáng)型耗盡型VG＝0時(shí)，無導(dǎo)電溝道VG＝0時(shí)，有導(dǎo)電溝道比較常用的是NMOS管，原因是導(dǎo)通電阻小，且容易制造。10.3MOSFET原理

MOSFET分類(1)n溝道MOSFETp型襯底，n型溝道，電子導(dǎo)電VDS>0，使電子從源流到漏p溝道MOSFETn型襯底，p型溝道，空穴導(dǎo)電VDS<0，使空穴從源流到漏按照導(dǎo)電類型的不同可分為：10.3MOSFET原理

MOSFET分類(2)n溝道增強(qiáng)型MOSFET零柵壓時(shí)不存在反型溝道，VTN>0n溝道耗盡型MOSFET零柵壓時(shí)已存在反型溝道，VTN<0按照零柵壓時(shí)有無導(dǎo)電溝道可分為：10.3MOSFET原理

MOSFET分類(3)p溝道增強(qiáng)型MOSFET零柵壓時(shí)不存在反型溝道，VTP<0p溝道耗盡型MOSFET零柵壓時(shí)已存在反型溝道，VTP>0增強(qiáng)型：柵壓為0時(shí)不導(dǎo)通N溝（正電壓開啟“1”導(dǎo)通）P溝（負(fù)電壓開啟“0”導(dǎo)通）耗盡型：柵壓為0時(shí)已經(jīng)導(dǎo)通N溝（很負(fù)才關(guān)閉）P溝（很正才關(guān)閉）理想MOS

施加偏壓后的幾種表面狀態(tài)反型層:表面少子濃度>

表面多子濃度強(qiáng)反型:表面少子濃度≥體內(nèi)多子濃度

導(dǎo)電溝道:強(qiáng)反型時(shí)漏源之間形成的導(dǎo)電通道閾值電壓VT

：使半導(dǎo)體表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)(ns≥p0)所需的柵源電壓漏極：載流子流出溝道源極：載流子流入溝道

(漏源電壓總是使載流子由源極流入溝道由漏極流出溝道)11.3.2N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管工作原理1.VGS對半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)狀態(tài)的影響(1)

VGS

=0漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，無論漏源之間加何種極性電壓，總是不導(dǎo)電。SBD

當(dāng)VGS

逐漸增大時(shí)，柵氧化層下方的半導(dǎo)體表面會(huì)發(fā)生什么變化？BPGSiO2SDN+N+(2)VGS

>0逐漸增大柵氧化層中的場強(qiáng)越來越大，它們排斥P型襯底靠近SiO2

一側(cè)的空穴，形成由負(fù)離子組成的耗盡層。增大VGS

耗盡層變寬。當(dāng)VGS繼續(xù)升高時(shí),溝道加厚，溝道電阻減少，在相同VDS的作用下，ID將進(jìn)一步增加。BPGSiO2SDN+N+++--++--++++VGS--------反型層iD由于吸引了足夠多P型襯底的電子，會(huì)在耗盡層和SiO2

之間形成可移動(dòng)的表面電荷層——反型層、N型導(dǎo)電溝道。這時(shí)，在VDS的作用下就會(huì)形成ID。(3)VGS

繼續(xù)增大弱反型強(qiáng)反型VDS

閾值電壓：使半導(dǎo)體表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)所需加的柵源電壓。用VT表示。閾值電壓MOS場效應(yīng)管利用VGS來控制半導(dǎo)體表面“感應(yīng)電荷”的多少，來改變溝道電阻，從而控制漏極電流ID。

MOSFET是一種電壓控制型器件。

MOSFET能夠工作的關(guān)鍵是半導(dǎo)體表面必須有導(dǎo)電溝道，而只有表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)才會(huì)有溝道形成。

2.VDS對導(dǎo)電溝道的影響(VGS>VT)c.VDS=VGS–VT，即VGD=VT：靠近漏極溝道達(dá)到臨界開啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷。VDS=VDSatb.0<VDS<VGS–VT，即VGD=VGS–VDS>VT:導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形?？拷┒说膶?dǎo)電溝道減薄。VDS>0，但值較小時(shí)：VDS對溝道影響可忽略，溝道厚度均勻VDSVGSBPGN+N+SDd.VDS>VGS–VT，即VGD<VT：夾斷區(qū)發(fā)生擴(kuò)展，夾斷點(diǎn)向源端移動(dòng)VGD=VGS–VDSVGSEL

半導(dǎo)體表面強(qiáng)反型形成導(dǎo)電溝道時(shí)，溝道呈現(xiàn)電阻特性，當(dāng)漏-源電流通過溝道電阻時(shí)將在其上產(chǎn)生電壓降。若忽略其它電阻，則漏端相當(dāng)于源端的溝道電壓降就等于漏-源偏置電壓VDS。由于溝道上存在電壓降，使柵絕緣層上的有效電壓降從源端到漏端逐漸減小，降落在柵下各處絕緣層上的電壓不相等，反型層厚度不相等，因而導(dǎo)電溝道中各處的電子濃度不相等。當(dāng)漏極電壓持續(xù)增加，直到漏端絕緣層上的有效電壓降低于表面強(qiáng)反型所需的閾值電壓VT時(shí)，在靠近y=L處的反型層厚度xi將趨近于零，此處稱為夾斷點(diǎn)P，如圖(b)．此時(shí)的漏-源電壓稱為飽和電壓VDsat。超過夾斷點(diǎn)后，漏極的電流量基本上維持不變，因?yàn)楫?dāng)VD>VDsat時(shí)，在P點(diǎn)的電壓VDsat保持固定．溝道被夾斷后，若VG不變，則當(dāng)漏極電壓持續(xù)增加時(shí)，超過夾斷點(diǎn)電壓VDsat的那部分即VDS-VDsat將降落在漏端附近的夾斷區(qū)上，因而夾斷區(qū)將隨VDS的增大而展寬，夾斷點(diǎn)P隨之向源端移動(dòng)，但由于P點(diǎn)的電壓保持為VDsat不變，反型層內(nèi)電場增強(qiáng)而同時(shí)反型載流子數(shù)減少，二者共同作用的結(jié)果是單位時(shí)間流到P點(diǎn)的載流子數(shù)即電流不變。一旦載流子漂移到P點(diǎn)，將立即被夾斷區(qū)的強(qiáng)電場掃入漏區(qū)，形成漏源電流，而且該電流不隨VDS的增大而變化，即達(dá)到飽和。此即為飽和區(qū)，如圖(c)所示．當(dāng)然，如果VDS過大，漏端p-n結(jié)會(huì)發(fā)生反向擊傳。3.N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管的特性曲線1）輸出特性曲線(假設(shè)VGS=5V)

輸出特性曲線非飽和區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)BVDSID/mAVDS/VOVGS=5VVGS=4VVGS=3V預(yù)夾斷軌跡VDSat

過渡區(qū)線性區(qū)(d)VDS:VGD<VTBPN+N+VDSVGSGSDL<<L

VTVGSVGD(b)VDS:

VGD>VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVGD(c)VDS:VGD=VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVT(a)VDS很小VGSBPGN+N+SDVDSVGSVGD≈VGS

ID=IDSatVT

VGS/VID/mAO2）轉(zhuǎn)移特性曲線(假設(shè)VDS=5V)

a.VGS<VT

器件內(nèi)不存在導(dǎo)電溝道，器件處于截止?fàn)顟B(tài)，沒有輸出電流。

b.VGS>VT

器件內(nèi)存在導(dǎo)電溝道，器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，有輸出電流。且VGS越大，溝道導(dǎo)電能力越強(qiáng)，輸出電流越大

轉(zhuǎn)移特性曲線4.N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管BPGN+N+SDSiO2

++++++1）N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2、符號(hào)SGDBID/mAVGS/VOVP(b)轉(zhuǎn)移特性IDSS(a)輸出特性ID/mAVDS/VO+1VVGS=0-3V-1V-2V432151015202）基本工作原理a.當(dāng)VGS=0時(shí)，VDS加正向電壓，產(chǎn)生漏極電流ID,此時(shí)的漏極電流稱為漏極飽和電流，用IDSS表示b.當(dāng)VGS＞0時(shí)，ID進(jìn)一步增加。c.當(dāng)VGS＜0時(shí)，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小。直至ID=0。對應(yīng)ID=0的VGS稱為夾斷電壓，用符號(hào)VP表示。種類符號(hào)轉(zhuǎn)移特性曲線輸出特性曲線

NMOS增強(qiáng)型耗盡型PMOS增強(qiáng)型耗盡型IDSGDBSGDBIDSGDBIDSGDBIDVGSIDOVTIDVGSVPIDSSOVDSID_VGS=0+__OIDVGSVTOIDVGSVPIDSSO_IDVGS=VTVDS_o_+VDSID+++OVGS=VTIDVGS=0V+_VDSo+小結(jié)按照導(dǎo)電類型分MOS管分為NMOS和PMOS。按照零柵壓時(shí)有無溝道又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種形式。

NMOS和PMOS結(jié)構(gòu)十分相似，只是兩者的襯底及源漏區(qū)摻雜類型剛好相反。特性曲線：輸出特性曲線(非飽和區(qū)、飽和區(qū)、擊穿區(qū))

轉(zhuǎn)移特性曲線(表征了VGS對ID的控制能力)工作原理：VGS：耗盡弱反型強(qiáng)反型

VDS：減薄夾斷擴(kuò)展耗盡型器件形成的原因，其基本特性與增強(qiáng)型器件之間的不同點(diǎn)。定性分析11.3MOSFET原理

I-V特性:基本假設(shè)溝道中的電流是由漂移而非擴(kuò)散產(chǎn)生的（長溝器件）柵氧化層中無電流緩變溝道近似，即垂直于溝道方向上的電場變化遠(yuǎn)大于平行于溝道方向上的電場變化氧化層中的所有電荷均可等效為Si-SiO2界面處的有效電荷密度耗盡層厚度沿溝道方向上是一個(gè)常數(shù)溝道中的載流子遷移率與空間坐標(biāo)無關(guān)襯底與源極之間的電壓為零電流密度:(漂移電流密度為)11.3MOSFET原理

I-V特性:溝道電流X方向的電流強(qiáng)度：反型層中平行于溝道方向的電場：11.3MOSFET原理I-V特性:電中性條件高斯定理相互抵消E5=E6=0，即使有也相互抵消E3＝0表面所在材料的介電常數(shù)某閉合表面沿閉合表面向外法線方向的電場強(qiáng)度該閉合表面所包圍區(qū)域的總電荷量11.3MOSFET原理

I-V特性:表面電荷dxW24315611.3MOSFET原理I-V特性:氧化層電勢11.3MOSFET原理I-V特性:反型層電荷與電場氧化層電勢半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)的單位面積電荷氧化層中垂直于溝道方向的電場由上三式可得反型層單位面積的電荷不應(yīng)是x或Vx的函數(shù)（電流連續(xù)性定律）11.3MOSFET原理

I-V特性:線性區(qū)與飽和區(qū)11.3MOSFET原理μ和VT的測試提取方法高場下遷移率隨電場上升而下降存在亞閾值電流n溝耗盡型n溝增強(qiáng)型11.3MOSFET原理p溝增強(qiáng)型MOSFET的I-V特性注：Vds=-Vsd

Vgs=-Vsg,等11.3MOSFET原理跨導(dǎo)(晶體管增益):模型跨導(dǎo)用來表征MOSFET的放大能力：令材料參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)工藝參數(shù)影響跨導(dǎo)的因素：小節(jié)內(nèi)容電流電壓關(guān)系——推導(dǎo)跨導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)遷移率閾值電壓WL(p350第二段有誤：L增加，跨導(dǎo)降低)tox作業(yè)：

試分析VGS,VDS對增強(qiáng)型PMOS及耗盡型PMOS導(dǎo)電溝道及輸出電流的影響，并推導(dǎo)其電流電壓方程。11.3MOSFET原理襯底偏置效應(yīng)(1)≥0必須反偏或零偏Vsb=Vs-Vb>0,即Vb更負(fù)（這樣才反偏）在溝道源端感應(yīng)出來的電子全跑掉了11.3MOSFET原理襯底偏置效應(yīng)(2)能帶圖襯底偏壓表面準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)反型條件耗盡層電荷不同襯偏電壓條件下的能帶圖：11.3MOSFET原理襯底偏置效應(yīng)(3)現(xiàn)象反型層電子勢能比源端電子勢能高→電子更容易從反型層流到源區(qū)→達(dá)到反型所需的電子濃度需更高的柵壓；反型層-襯底之間的電勢差更大→表面耗盡層更寬、電荷更多→同樣?xùn)艍合路葱蛯与姾筛?；表面費(fèi)米能級(jí)更低→要達(dá)到強(qiáng)反型條件需要更大的表面勢；11.3MOSFET原理襯底偏置效應(yīng)(4)閾值電壓負(fù)的耗盡層電荷更多需更大的正柵壓才能反型，且VSB越大，VT越大體效應(yīng)系數(shù)小節(jié)內(nèi)容襯底偏置效應(yīng)P阱更負(fù)，n管閾值上升N襯底更正，p管閾值更負(fù)此種類型偏置經(jīng)常做模擬用途。例11.10：T=300K，Na=3×1016cm-3，tox=500埃，VSB=1V△VT=0.66V11.4頻率限制特性交流小信號(hào)參數(shù)源極串聯(lián)電阻柵源交疊電容漏極串聯(lián)電阻柵漏交疊電容漏-襯底pn結(jié)電容柵源電容柵漏電容跨導(dǎo)寄生參數(shù)本征參數(shù)11.4頻率限制特性完整的小信號(hào)等效電路共源n溝MOSFET小信號(hào)等效電路總的柵源電容總的柵漏電容與I