微電子元器件第六章場(chǎng)效應(yīng)晶體管

微電子元器件第六章場(chǎng)效應(yīng)晶體管第一頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日6.1場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作原理場(chǎng)效應(yīng)管（英縮寫(xiě)FET）是電壓控制器件，它利用輸入電壓來(lái)控制輸出電流的變化。具有輸入阻抗高噪聲低，動(dòng)態(tài)范圍大，溫度系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于各種電子線路中。第二頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日

由實(shí)驗(yàn)測(cè)得電壓和電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可得器件的I-V特性曲線。該電路的電壓回路方程可寫(xiě)為：負(fù)載線與特性曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流ID電壓VD即為器件在這種偏置條件下的穩(wěn)態(tài)電流和電壓。晶體管的負(fù)載線第三頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日

器件的工作狀態(tài)受到了VG的控制。比如，在該例中，VG=0.5V時(shí)，器件兩端的直流電壓和通過(guò)負(fù)載的直流電流分別是VD=5V和ID=10mA。不管VG是多大，通過(guò)負(fù)載的電流和器件兩端的電壓總是在負(fù)載線上變化。為器件增加一控制電極VG，VG增大時(shí)，通過(guò)器件的電流增大。VG不同，對(duì)應(yīng)Id~VD

特性曲線不同，由此可得到一簇Id~VD

特性曲線。第四頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日6.1.2放大和開(kāi)關(guān)作用電壓控制的放大作用：

VG上疊加一交流分量，如VG圍繞直流分量變化0.25V,VD變化2V,交流電壓放大倍數(shù)為2/0.25=8;開(kāi)關(guān)作用：

VG適當(dāng)變化，電流在iD=0點(diǎn)和iD=E/R之間切換，類(lèi)似于一個(gè)開(kāi)關(guān)。第五頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日6.2結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET

）圖6-3-0由兩種工藝制成的溝道JFET（a）外延—擴(kuò)散工藝

（b）雙擴(kuò)散工藝源極－Source－S漏極－Drain－D柵極－Gate－G：上柵、下柵

JFET的基本結(jié)構(gòu)第六頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日nP+P+如圖6.3所示的器件中，電子的流向從左向右。電子離開(kāi)的一端為源極,電子流向的一端為漏極P+區(qū)為柵極。P+nP+第七頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日

圖6-0-1的JFET：（a）＜，（b）=，（c）理想的漏極特性

第八頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日夾斷和飽和-工作原理在小電流情況下，耗盡區(qū)的寬度也近似等于平衡態(tài)耗盡區(qū)的寬度，如圖6-4a所示。當(dāng)VD增大引起電流增大時(shí)，漏端電勢(shì)高于源端電勢(shì)，且柵-溝結(jié)處于反偏狀態(tài)；反偏壓從漏端的VD降低到源端的0。由此可以判斷VG=0V時(shí)溝道耗盡區(qū)的形狀是如圖6-4b所示的形狀，即漏端附近的耗盡區(qū)深入到了溝道之中，溝道的有效面積減小。當(dāng)VD和ID繼續(xù)增大時(shí)，漏端附近的耗盡區(qū)擴(kuò)展到溝道中心線附近，使溝道電阻進(jìn)一步增大。當(dāng)VD增大到一定程度時(shí)，耗盡區(qū)在溝道中心線上相遇，此時(shí)溝道被夾斷了，如圖6-4c所示。溝道夾斷后，電流ID不再隨VD的增大而顯著增大，而是基本保持在夾斷時(shí)的水平，即電流飽和。圖6-4JFET的溝道耗盡區(qū)和電流隨漏偏壓VD變化情況(VG=0V)(a)線性變化區(qū)；(b)接近于夾斷的情形：(c)夾斷后的情形第九頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日6.2.2柵的控制作用若在柵極上施加負(fù)偏壓，即VG0，那么即使漏極偏壓很小，溝道也很容易被夾斷。負(fù)柵偏壓使耗盡區(qū)的寬度增大，從而使溝道的寬度減??；在較小的漏極偏壓下，溝道漏端將首先被夾斷。柵壓越負(fù)，將溝道夾斷所需的漏極偏壓就越??；同時(shí)，飽和電流也比VG=0V時(shí)的飽和電流減小了，如圖6.5b所示。顯然，在不同的柵偏壓下，可得到一簇，I-V曲線。

夾斷后的漏電流如即飽和電流的大小取決于柵偏壓VG的大小。若在柵極上施加交流信號(hào)，則漏電流的變化就反映了JFET對(duì)交流信號(hào)的放大作用。由于柵偏壓總是作用在反偏的柵-溝結(jié)上，所以JFET的輸入阻抗很高。第十頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日第十一頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日第十二頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日6.2.3JFET的I-V特性

理想的JFET基本假設(shè)及其意義

單邊突變結(jié)：SCR在輕摻雜一側(cè)溝道內(nèi)雜質(zhì)分布均勻：無(wú)內(nèi)建電場(chǎng)，載流子分布均勻，無(wú)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。溝道內(nèi)載流子遷移率為常數(shù)；忽略有源區(qū)以外源、漏區(qū)以及接觸上的電壓降，于是溝道長(zhǎng)度為L(zhǎng)；緩變溝道近似，即空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)沿y方向，而中性溝道內(nèi)的電場(chǎng)只有X方向上的分量：二維問(wèn)題化為一維問(wèn)題。長(zhǎng)溝道近似：L2（2a），于是W沿著L改變很小，看作是矩形溝道。

第十三頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日6.2.3JFET的I-V特性圖6.2.3-1有源溝道內(nèi)空間電荷區(qū)逐漸改變.第十四頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日6.2.3JFET的I-V特性一、夾斷前的電流－電壓特性JFET中x處耗盡層寬度為

(6-2)

(6-6)

漏極電流為電流流過(guò)的截面積。(6-8)

(6-7)

第十五頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日J(rèn)FET的I-V特性(6-9)

式中(6-10)

令VD<<上式表明，漏極電流對(duì)漏極電壓的確是線性依賴(lài)關(guān)系。也反映出柵極電壓對(duì)I-V曲線斜率的明顯影響。第十六頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日第十七頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵壓---漏流特性曲線，稱(chēng)為轉(zhuǎn)移特性曲線，第十八頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日6.2.3JFET的I-V特性

圖

的硅N溝道JFET

電流電壓特性：（a）的理論曲線，（b）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

第十九頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日6.2.3JFET的I-V特性溝道夾斷與夾斷電壓：

在夾斷點(diǎn)，令以及，可求得夾斷電壓：

式中為夾斷電壓。常稱(chēng)為內(nèi)夾斷電壓。由式（5-6）可見(jiàn)，夾斷電壓僅由器件的材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，是器件的固有參數(shù)。（6-4）

第二十頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日6.2.3JFET的I-V特性例題

N溝道JFET有：以及。求：（a）夾斷電壓和，（b）在柵極和源極兩者接地時(shí)，的漏極電流。解：：

：

第二十一頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日理想JFET的I-V特性小結(jié)建立了理想JFET的基本假設(shè)。

在理想JFET的基本假設(shè)的基礎(chǔ)上導(dǎo)出了夾斷前JFET的I－V特性方程深入介紹了溝道夾斷和夾斷電壓的概念。由

可見(jiàn)，夾斷電壓僅由器件的材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，是器件的固有參數(shù)。這就是“在夾斷點(diǎn)夾斷電壓相等”一語(yǔ)的根據(jù)。

（5-4）

（5-6）

第二十二頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日一、線性區(qū)

令<<,（5-4）式中的第二項(xiàng)：

把（5-7）式代入（5-4）式并簡(jiǎn)化，得到

（5-8）上式表明，漏極電流對(duì)漏極電壓的確是線性依賴(lài)關(guān)系（5-8）式也反映出柵極電壓對(duì)I-V曲線斜率的明顯影響。

（5-7）（5-4）第二十三頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日靜態(tài)特性二、飽和區(qū)

在夾斷點(diǎn)首先發(fā)生在漏端，漏極和柵極上的偏置電壓的大小滿(mǎn)足條件可見(jiàn)，夾斷電壓由柵電壓和漏電壓共同確定。對(duì)于不同的柵電壓來(lái)說(shuō)，為達(dá)到夾斷條件所需要的漏電壓是不同的。在圖5-4

a中把（5-9）式繪成曲線，稱(chēng)為夾斷曲線。超出夾斷曲線的電流—電壓特性稱(chēng)為飽和區(qū)，這是由于漏極電流是飽和的。把（5-9）式代入（5-4）式，導(dǎo)出飽和漏極電流：

（5-9）（5-10）第二十四頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日（5-10）式稱(chēng)為JFET的轉(zhuǎn)移特性，并繪于圖5-5中。在圖5-5中，還畫(huà)出了拋物線式中表示柵極電壓為零（即柵源短路）時(shí)的漏極飽和電流。注意表示在（5-11）式中的簡(jiǎn)單平方律與（5-10）式非常接近。（5-11）第二十五頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日教學(xué)要求JFET的夾斷曲線的意義：

掌握線性區(qū)條件：

掌握線性區(qū)I－V特性：〔公式（5-8）〕掌握飽和區(qū)條件：

掌握飽和區(qū)I－V特性：公式（5-10）作業(yè)：

（5-9）<<

第二十六頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日J(rèn)FET的幾個(gè)突出的特點(diǎn):

①JFET的電流傳輸主要由一種型號(hào)的載流子—多數(shù)載流子承擔(dān)，不存在少數(shù)載流子的貯存效應(yīng)，因此有利于達(dá)到比較高的截止頻率和快的開(kāi)關(guān)速度。

②

JFET是電壓控制器件。它的輸入電阻要比BJT的高得多，因此其輸入端易于與標(biāo)準(zhǔn)的微波系統(tǒng)匹配，在應(yīng)用電路中易于實(shí)現(xiàn)級(jí)間直接耦合。③

由于是多子器件，因此抗輻射能力強(qiáng)。④

與BJT及MOS工藝兼容，有利于集成。早期的大多JFET用半導(dǎo)體硅材料制做，進(jìn)入二十世紀(jì)九十年代，LnP、GaLnAsP等化合物半導(dǎo)體JFET被成功地制造出來(lái)，它們易于同GaLnAsP激光器及探測(cè)器集成在同一光電集成電路芯片上。此外，在高速GaAs數(shù)字集成電路中，用JFET代替MESFET，可以改善電路單元的一些性能并能提高芯片的電學(xué)參數(shù)的合格率。

第二十七頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日第二十八頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日忽略源極、漏極的歐姆壓降和溝道兩端附近區(qū)域內(nèi)的壓降;忽略源區(qū)和漏區(qū)的接觸電阻。若把柵和源短路，使VG=0V(見(jiàn)圖6-4)，則VD小時(shí)整個(gè)柵區(qū)的電勢(shì)和X=0處的電勢(shì)相同。在小電流情況下，耗盡區(qū)的寬度也近似等于平衡態(tài)耗盡區(qū)的寬度，如圖6-4a所示。當(dāng)VD增大引起電流增大時(shí)，漏端電勢(shì)高于源端電勢(shì)，且柵-溝結(jié)處于反偏狀態(tài)；反偏壓從漏端的VD降低到源端的0。由此可以判斷VG=0V時(shí)溝道耗盡區(qū)的形狀是如圖6-4b所示的形狀，即漏端附近的耗盡區(qū)深入到了溝道之中，溝道的有效面積減小。電流如較小時(shí)，I-V曲線近似為直線；如較大時(shí)，由于溝道電阻的影響，I-V曲線開(kāi)始偏離直線關(guān)系。當(dāng)VD和ID繼續(xù)增大時(shí)，漏端附近的耗盡區(qū)擴(kuò)展到溝道中心線附近，使溝道電阻進(jìn)一步增大。當(dāng)VD增大到一定程度時(shí)，耗盡區(qū)在溝道中心線上相遇，此時(shí)溝道被夾斷了，如圖6-4c所示。溝道夾斷后，電流ID不再隨VD的增大而顯著增大，而是基本保持在夾斷時(shí)的水平，即電流飽和。第二十九頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日金屬-半導(dǎo)體結(jié)在制造工藝上比p-n結(jié)更容易精確實(shí)現(xiàn)，所以MESFET在高速數(shù)字電路和微波電路中應(yīng)用很廣,特別是III-V族化合物半導(dǎo)體(如GaAs、GaP等)MESFET，因其載流子遷移率和漂移速度都很高，所以工作速度比SiMESFET快得多。6.3金屬一半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管如果用金屬-半導(dǎo)體肖特基結(jié)取代JFET中的p-n結(jié)，則相應(yīng)形成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管稱(chēng)為金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)。在金屬--半導(dǎo)體結(jié)上施加反偏壓也能使溝道耗盡，所以MESFET具有類(lèi)似于JFET的電學(xué)特性。6.3.1GaAs金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管在半絕緣的GaAs襯底上外延生長(zhǎng)一層輕摻雜的n型GaAs作為MESFET的溝道區(qū)。源極、漏極的接觸材料通常為Au、Ge合金，肖特基柵的接觸材料通常為Al。在肖特基柵上施加反偏壓，溝道耗盡區(qū)向襯底方向延伸，相應(yīng)的電流-電壓特性與FFET的類(lèi)似。第三十頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日高電子遷移率晶體管在兩層摻雜的寬禁帶半導(dǎo)體之間布置一層不摻雜的窄禁帶半導(dǎo)體，如圖6-8所示的那樣，在兩層摻雜的AlGaAs層之間制作一層不摻雜的GaAs薄層形成異質(zhì)結(jié)，則異質(zhì)結(jié)的勢(shì)壘使中間的GaAs薄層成為一個(gè)勢(shì)阱。通常把這種夾層結(jié)構(gòu)稱(chēng)為調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)。電子一旦由AlGaAs層進(jìn)入到GaAs勢(shì)阱層中，便會(huì)陷入其中并大量積累，因而勢(shì)阱中電子的濃度很高。而且，由于勢(shì)阱層未經(jīng)摻雜，電子在其中運(yùn)動(dòng)時(shí)不受雜質(zhì)散射的作用，所以遷移率也很高。第三十一頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日6.4金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管

金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MISFET)是在數(shù)字集成電路中應(yīng)用最廣的器件之一。這種器件的柵極和導(dǎo)電溝道之間由絕緣層隔開(kāi)，依靠柵上施加的偏壓控制源．漏極電流，因此有時(shí)也將這種器件叫做絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(簡(jiǎn)寫(xiě)為IGFET)。這種器件的襯底材料通常是Si，絕緣介質(zhì)材料是Si02，柵極可以采用金屬也可以采用多晶硅(更多地采用多晶硅)。所以，最常用的MISFET實(shí)際上是MOSFET。第三十二頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管分為增強(qiáng)型（EnhancementMOS或EMOS）和耗盡型(Depletion)MOS或DMOS）兩大類(lèi)，每一類(lèi)有N溝道和P溝道兩種導(dǎo)電類(lèi)型。第三十三頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日N溝道增強(qiáng)型MOSFET基本上是一種左右對(duì)稱(chēng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2

薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，一個(gè)是漏極D，一個(gè)是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。P型半導(dǎo)體稱(chēng)為襯底(substrat)，用符號(hào)B表示。

N溝道增強(qiáng)型MOS(EMOS)場(chǎng)效應(yīng)管第三十四頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管:柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。當(dāng)VGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。當(dāng)VGS＞0時(shí)，將使ID進(jìn)一步增加。VGS＜0時(shí)，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對(duì)應(yīng)ID=0的VGS稱(chēng)為夾斷電壓，用符號(hào)VGS(off)表示，有時(shí)也用VP表示。N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線N溝道耗盡型MOS（DMOS）場(chǎng)效應(yīng)管N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號(hào)第三十五頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日6.4.1MOSFET的基本工作原理n+源區(qū)和n+漏區(qū)采用擴(kuò)散或離子注入方法形成，柵氧化層是在輕摻雜的p型襯底上生長(zhǎng)而成的。從平衡態(tài)能帶圖(圖6.10a)可以看出，費(fèi)米能級(jí)是平坦的，且源、漏區(qū)和溝道形成p-n結(jié)處存在勢(shì)壘，與兩個(gè)背靠背的p-n結(jié)勢(shì)壘形狀是一樣的。當(dāng)在柵極上施加相對(duì)于襯底的正偏壓時(shí)(這里，襯底和源極是連接在一起的)，柵極上出現(xiàn)正電荷，相應(yīng)地在溝道區(qū)表面感應(yīng)出負(fù)電荷。當(dāng)柵偏壓增大時(shí)，溝道區(qū)表面附近出現(xiàn)耗盡層并進(jìn)而形成含有可動(dòng)電荷-電子的薄層，該薄層就是MOSFET的導(dǎo)電溝道，源．漏間的電流就是通過(guò)這個(gè)溝道流動(dòng)的。第三十六頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日第三十七頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日理想MOS結(jié)構(gòu)的性質(zhì)第三十八頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日理想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。〔由于假設(shè)（1）、（2），在無(wú)偏壓時(shí)半導(dǎo)體能帶是平直的。〕（3）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)。這些假設(shè)在以后將被取消而接近實(shí)際的MOS結(jié)構(gòu)。第三十九頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日修正的功函數(shù)，定義為:氧化物的導(dǎo)帶底與金屬或半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)之差(見(jiàn)圖6.12a中的qФm和qФs)。費(fèi)米勢(shì),定義為:半導(dǎo)體體內(nèi)本征費(fèi)米能級(jí)Ei和表面費(fèi)米能級(jí)EFs之差，反映半導(dǎo)體襯底的“p型程度”或“n型程度”,稱(chēng)為費(fèi)米勢(shì)。第四十頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日

理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

圖6-4幾種偏壓情況的能帶和電荷分布（a），

（b）小的，

（c）大的第四十一頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日

理想MOS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(shí)，稱(chēng)為載流子積累現(xiàn)象。單位面積下的空間電荷第四十二頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日

理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)載流子耗盡單位面積下的總電荷為

式中為耗盡層寬度。

載流子反型：載流子類(lèi)型發(fā)生變化的現(xiàn)象或者說(shuō)半導(dǎo)體的導(dǎo)電類(lèi)型發(fā)生變化的現(xiàn)象。圖6-4幾種偏壓情況的能帶和電荷分布：（a），

（b）小的，

（c）大的（6-6）（6-7）（6-5）第四十三頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日

理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)反型和強(qiáng)反型條件反型條件；

強(qiáng)反型條件；式中為出現(xiàn)強(qiáng)反型時(shí)的表面勢(shì)。

（6-17）（6-18）第四十四頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

圖6-5強(qiáng)反型時(shí)的能帶圖第四十五頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

總表面空間電荷為反型層中單位面積下的可動(dòng)電荷即溝道電荷：

（6-19）（6-20）（6-21）（6-52）第四十六頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日6.1理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

小結(jié)載流子積累、耗盡和反型的概念。載流子積累、耗盡和反型和強(qiáng)反型四種情況的能帶圖。體費(fèi)米勢(shì)的概念：反型和強(qiáng)反型條件：反型條件；

強(qiáng)反型條件；

（6-8）（6-17）（6-18）第四十七頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

教學(xué)要求了解理想結(jié)構(gòu)基本假設(shè)及其意義。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

掌握載流子積累、耗盡和反型和強(qiáng)反型的概念。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。導(dǎo)出反型和強(qiáng)反型條件

（6-1）第四十八頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日理想MOS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)：每個(gè)極板上的感應(yīng)電荷與電場(chǎng)之間滿(mǎn)足如下關(guān)系（6-1）式中=自由空間的電容率

=氧化物的相對(duì)介電常數(shù)

=半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)

=半導(dǎo)體相對(duì)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。外加電壓為跨越氧化層的電壓和表面勢(shì)所分?jǐn)偅?/p>

（6-2）第四十九頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)圖6-3加上電壓時(shí)MOS結(jié)構(gòu)內(nèi)的電位分布

第五十頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日理想MOS結(jié)構(gòu)的表面空間電荷區(qū)

小結(jié)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，如繪于圖6-2b中的情形?！灿捎诩僭O(shè)（1）、（2），在無(wú)偏壓時(shí)半導(dǎo)體能帶是平直的?！常?）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)。偏壓使半導(dǎo)體表面具有表面勢(shì)，出現(xiàn)表面空間電荷區(qū)?？臻g電荷與電場(chǎng)具有以下關(guān)系（6-1）

第五十一頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日第五十二頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日第五十三頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日平板電容器電容=電荷/電壓平板電容器的電容：為電介質(zhì)的介電常數(shù)第五十四頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日6-29第五十五頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日第五十六頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日第五十七頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日第五十八頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日第五十九頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日第六十頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D3-10a畫(huà)出了Si和GaAs沿[111]和[100]方向的能帶結(jié)構(gòu)(E-k關(guān)系)。我們看到，能帶極值附近的E-k關(guān)系近似為拋物線型，但在能量較高的地方則明顯偏離了拋物線型關(guān)系。沿[111]和[100]方向畫(huà)出的能帶是不對(duì)稱(chēng)的：在k=0附近即Γ極小附近有一個(gè)Γ能谷，沿[100]方向在X極小附近有一個(gè)x能谷，沿[111]方向在L極小附近有一個(gè)L能谷。大多數(shù)半導(dǎo)體的價(jià)帶最大值(即價(jià)帶頂)都位于Γ處。價(jià)帶有3個(gè)分支，分別是曲率最小的重空穴帶、曲率較大的輕空穴帶、以及一個(gè)因自旋-軌道耦合而形成的分裂帶。我們注意到，GaAs的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂都對(duì)應(yīng)著k=0，說(shuō)明GaAs是直接禁帶半導(dǎo)體。而對(duì)于si來(lái)說(shuō)，沿6個(gè)等價(jià)的<100>方向有6個(gè)等價(jià)的導(dǎo)帶能谷，但這些極小都不在K=0處，所以Si不是直接禁帶半導(dǎo)體．第六十一頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日第六十二頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日第六十三頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日第六十四頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日第六十五頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日第六十六頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日第六十七頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日第六十八頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日第六十九頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日第七十頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日6.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管第七十一頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日6.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程

圖6-15MOSFET的工作狀態(tài)和輸出特性：（a）低漏電壓時(shí)第七十二頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日6.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程

圖6-15MOSFET的工作狀態(tài)和輸出特性：（b）開(kāi)始飽和第七十三頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日6.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程

圖6-15MOSFET的工作狀態(tài)和輸出特性：（c）飽和之后第七十四頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日6.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管靜態(tài)特性圖6-16N溝道MOS晶體管第七十五頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日6.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管線性區(qū)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；（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)溝道近似和漸近溝道近似，即假設(shè)垂直電場(chǎng)和水平電路是互相獨(dú)立的。第七十六頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日6.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管線性區(qū)

感應(yīng)溝道電荷（6-67）漂移電子電流

（6-70）式稱(chēng)為薩支唐（C.T.Sah）方程。（6-68）（6-69）（6-70）第七十七頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日6.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管例題：采用6.4節(jié)例題中的MOS結(jié)構(gòu)作為一個(gè)MOSFET。已知下列參數(shù)：，。計(jì)算和時(shí)的解：由于在6.3節(jié)中給出。將此值代入（6-70）并令得將代入上式

第七十八頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日6.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管考慮到溝道電壓的作用于是第七十九頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日6.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管所有拋物線頂點(diǎn)右邊的曲線沒(méi)有物理意義。圖6-17式（6-68）和式（6-70）的比較

第八十頁(yè)，共八十六頁(yè)，2022年，8月28日6.5MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管飽和區(qū)

假設(shè)在L點(diǎn)發(fā)生夾斷，