半導(dǎo)體器件物理19

1、第五章第五章 MOS 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管1基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 5.1 MOS 場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理MOS 管的基本參數(shù)主要有：管的基本參數(shù)主要有：溝道長度溝道長度 （兩個（兩個 結(jié)間的結(jié)間的距離）；溝道寬度距離）；溝道寬度 ；氧化層厚度；氧化層厚度 ；漏區(qū)和源區(qū)的結(jié)；漏區(qū)和源區(qū)的結(jié)深深 ；襯底摻雜濃度；襯底摻雜濃度 等。等。PNx0 xjNaLZ上一章簡單提到了金屬上一章簡單提到了金屬/ /半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MESFET），），它的工作原理和它的工作原理和 JEFET 的工作原理有許多類似之處。如果的工作原理有許多類似之處。如果在金

2、屬半導(dǎo)體結(jié)之間加一層氧化物絕緣層（如在金屬半導(dǎo)體結(jié)之間加一層氧化物絕緣層（如 SiO2）就）就可以形成另一種場效應(yīng)晶體管，即：金屬可以形成另一種場效應(yīng)晶體管，即：金屬/ /氧化物氧化物/ /半導(dǎo)體半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（場效應(yīng)晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，縮寫，縮寫 MOSFET），如上圖所示。），如上圖所示。本章主要以本章主要以金屬金屬/ /SiO2/P型型Si 構(gòu)成的構(gòu)成的 MOS 管為例來討論其工管為例來討論其工作原理。作原理。MOS 場效應(yīng)晶體管可以以半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管可以以半導(dǎo)體 Ge、Si 為材料，也可以用為

3、材料，也可以用化合物化合物 GaAs、InP 等材料制作，目前以使用等材料制作，目前以使用 Si 材料的最多。材料的最多。MOS 器件柵下的絕緣層可以選用器件柵下的絕緣層可以選用 SiO2、Si3N4 和和 Al2O3 等絕等絕緣材料，其中使用緣材料，其中使用 SiO2 最為普遍。最為普遍。 MOS 管主要是利用半導(dǎo)體表面效應(yīng)而制成的晶體管，參與工管主要是利用半導(dǎo)體表面效應(yīng)而制成的晶體管，參與工作的只有一種載流子（即多數(shù)載流子），所以又稱為單極型作的只有一種載流子（即多數(shù)載流子），所以又稱為單極型晶體管。在雙極型晶體管中，參加工作的不僅有多數(shù)載流子，晶體管。在雙極型晶體管中，參加工作的不僅有多

4、數(shù)載流子，也有少數(shù)載流子，故稱為雙極型晶體管。也有少數(shù)載流子，故稱為雙極型晶體管。（1）載流子積累）載流子積累2載流子的積累、耗盡和反型載流子的積累、耗盡和反型先不考慮漏極電壓先不考慮漏極電壓 ，將源極和襯底接地，如圖所示。如果，將源極和襯底接地，如圖所示。如果在柵極加一負(fù)偏壓（在柵極加一負(fù)偏壓（ ），就將產(chǎn)生由襯底指向柵極的垂），就將產(chǎn)生由襯底指向柵極的垂直電場。在電場作用下，將使空穴在半導(dǎo)體表面積累，而電子直電場。在電場作用下，將使空穴在半導(dǎo)體表面積累，而電子在金屬表面積累。在金屬表面積累。 VD0GV（2）載流子耗盡）載流子耗盡如果在柵極加一正偏壓（如果在柵極加一正偏壓（ ），就將產(chǎn)生由

5、柵極指向襯），就將產(chǎn)生由柵極指向襯底的垂直電場。在此電場作用下，將造成半導(dǎo)體表面多子空底的垂直電場。在此電場作用下，將造成半導(dǎo)體表面多子空穴耗盡（即在半導(dǎo)體表面感應(yīng)出負(fù)電荷，這些負(fù)電荷是空間穴耗盡（即在半導(dǎo)體表面感應(yīng)出負(fù)電荷，這些負(fù)電荷是空間電荷，不可移動），而在金屬表面感應(yīng)出正電荷，如圖所示。電荷，不可移動），而在金屬表面感應(yīng)出正電荷，如圖所示。 0GV（3）載流子反型）載流子反型若在耗盡的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增大偏壓若在耗盡的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增大偏壓 ，半導(dǎo)體表面將由耗盡，半導(dǎo)體表面將由耗盡逐步進(jìn)入反型狀態(tài)。在反型層中，少子電子濃度高于本征載逐步進(jìn)入反型狀態(tài)。在反型層中，少子電子濃度高于本征載流子濃度

6、，而多子空穴的濃度低于本征載流子濃度，這一層流子濃度，而多子空穴的濃度低于本征載流子濃度，這一層半導(dǎo)體由半導(dǎo)體由 P 型變成了型變成了 N 型。在半導(dǎo)體表面產(chǎn)生電子積累，這型。在半導(dǎo)體表面產(chǎn)生電子積累，這些電子是可以移動的，如圖所示。些電子是可以移動的，如圖所示。VG達(dá)到強(qiáng)反型時，半導(dǎo)體表面附近出現(xiàn)的與體內(nèi)極性相反的電達(dá)到強(qiáng)反型時，半導(dǎo)體表面附近出現(xiàn)的與體內(nèi)極性相反的電子導(dǎo)電層，在子導(dǎo)電層，在 MOS 場效應(yīng)晶體管中稱之為導(dǎo)電溝道，電子場效應(yīng)晶體管中稱之為導(dǎo)電溝道，電子導(dǎo)電的反型層稱作導(dǎo)電的反型層稱作 N 溝道。溝道。 當(dāng)柵壓當(dāng)柵壓 增加到使半導(dǎo)體表面積累的電子濃度等于或超過增加到使半導(dǎo)體表面

7、積累的電子濃度等于或超過襯底內(nèi)部的空穴平衡濃度襯底內(nèi)部的空穴平衡濃度 時，半導(dǎo)體表面達(dá)到強(qiáng)反型，時，半導(dǎo)體表面達(dá)到強(qiáng)反型，此時所對應(yīng)的柵壓稱為閾值電壓（通常用此時所對應(yīng)的柵壓稱為閾值電壓（通常用 表示）。表示）。p0pVTHVG當(dāng)今，大多數(shù)集成電路都是同時采用當(dāng)今，大多數(shù)集成電路都是同時采用 N 溝和溝和 P 溝兩種器件，溝兩種器件，稱為互補(bǔ)稱為互補(bǔ) MOSFET （或（或CMOS）。將）。將 換成換成 ，而襯底，而襯底不變，可形成不變，可形成 P 溝道。溝道。 NP3工作過程工作過程（1） 時的工作過程時的工作過程VVTHG上面分析表明，當(dāng)柵極電壓大于閾值電壓（上面分析表明，當(dāng)柵極電壓大于閾

8、值電壓（ ）時，）時，在兩個在兩個 區(qū)之間的區(qū)之間的 P 型半導(dǎo)體形成一個表面反型層（即導(dǎo)型半導(dǎo)體形成一個表面反型層（即導(dǎo)電溝道）。于是源和漏之間被能通過大電流的電溝道）。于是源和漏之間被能通過大電流的 N 型表面溝道型表面溝道連接在一起。這個溝道的電導(dǎo)可以通過改變柵電壓連接在一起。這個溝道的電導(dǎo)可以通過改變柵電壓 來調(diào)來調(diào)控。背面接觸（稱為下柵極）可以接參考電壓或負(fù)電壓，這控。背面接觸（稱為下柵極）可以接參考電壓或負(fù)電壓，這個電壓也會影響溝道電導(dǎo)。個電壓也會影響溝道電導(dǎo)。VVTHGNVG 若加一小的漏電壓若加一小的漏電壓 ，電子將通過溝道從源極（，電子將通過溝道從源極（S）流到）流到漏極（漏

9、極（D）。因此，溝道的作用相當(dāng)于一個電阻，且漏電流）。因此，溝道的作用相當(dāng)于一個電阻，且漏電流 與漏電壓與漏電壓 近似成正比。這是線性區(qū)，可用一條恒定電阻的近似成正比。這是線性區(qū)，可用一條恒定電阻的直線來表示，如圖所示。直線來表示，如圖所示。 VDIDVD 當(dāng)漏電壓當(dāng)漏電壓 增加時，由于從漏極到源極存在電壓降，因增加時，由于從漏極到源極存在電壓降，因此，導(dǎo)電溝道從此，導(dǎo)電溝道從 逐漸變窄，甚至使逐漸變窄，甚至使 處反型層寬處反型層寬度減小到零。這種現(xiàn)象叫做溝道夾斷（如圖所示）。溝道夾度減小到零。這種現(xiàn)象叫做溝道夾斷（如圖所示）。溝道夾斷發(fā)生的地點(diǎn)叫夾斷點(diǎn)，圖中用斷發(fā)生的地點(diǎn)叫夾斷點(diǎn)，圖中用 P

10、 表示。夾斷時的漏電壓記表示。夾斷時的漏電壓記為為 ，此時對應(yīng)的漏極電流記為，此時對應(yīng)的漏極電流記為 。Ly L0VDsatVDIDsat 夾斷以后，漏電流基本上保持不變，因?yàn)楫?dāng)夾斷以后，漏電流基本上保持不變，因?yàn)楫?dāng) 時，時，夾斷點(diǎn)左移，但夾斷點(diǎn)的電壓保持不變，即電導(dǎo)溝道兩端的電夾斷點(diǎn)左移，但夾斷點(diǎn)的電壓保持不變，即電導(dǎo)溝道兩端的電壓保持不變。因而從漏到源的電流也不變。主要變化是壓保持不變。因而從漏到源的電流也不變。主要變化是 的的縮短。載流子在縮短。載流子在 P 點(diǎn)注入到漏耗盡區(qū)，這與雙極晶體管載流子點(diǎn)注入到漏耗盡區(qū)，這與雙極晶體管載流子從基區(qū)注入到集電結(jié)耗盡區(qū)的情況非常類似。通過以上分析可

11、從基區(qū)注入到集電結(jié)耗盡區(qū)的情況非常類似。通過以上分析可以看到以看到 MOSFET 的的 特性和特性和 JFET 的很相似。的很相似。LVIDDVVDsatD若施加不同的柵極電壓若施加不同的柵極電壓 ，可以得到如圖所示的輸出特性，可以得到如圖所示的輸出特性曲線。曲線。VG（2） 時的特性時的特性VVTHG當(dāng)柵極施加正向電壓且在當(dāng)柵極施加正向電壓且在 范圍內(nèi)時，半導(dǎo)體表面沒范圍內(nèi)時，半導(dǎo)體表面沒有出現(xiàn)導(dǎo)電溝道，在漏極加上電壓有出現(xiàn)導(dǎo)電溝道，在漏極加上電壓 （ ），則漏端），則漏端 PN 結(jié)為反偏，流過漏源的電流很小，只是結(jié)為反偏，流過漏源的電流很小，只是 PN 結(jié)反向飽和電結(jié)反向飽和電流，這種工作狀態(tài)稱為截止?fàn)顟B(tài)。流，這種工作狀態(tài)稱為截止?fàn)顟B(tài)。VVTHGVD0DV3MOS 場效應(yīng)晶體管的分類場效應(yīng)晶體管的分類MOS 場效應(yīng)管的分類和場效應(yīng)管的分類和 JFET 的分類類似。根據(jù)形成導(dǎo)電溝的分類類似。根據(jù)形成導(dǎo)電溝道的起因和溝道中載流子的類別，道的起因和溝道中載流子的類別，MOS 場效應(yīng)晶體管可分為場效應(yīng)晶體管可分為 N 溝和溝和 P 溝兩大類。根據(jù)溝兩大類。根據(jù) 時的工作狀態(tài)分為增強(qiáng)型時的工作狀態(tài)分為增強(qiáng)型（ 時不存在導(dǎo)電溝道，只有當(dāng)外加?xùn)烹妷捍笥陂撝惦姇r不存在導(dǎo)電溝道，只有當(dāng)外加?xùn)烹妷捍笥陂撝惦妷簳r才形成導(dǎo)電溝道）和耗盡型（壓時才形成導(dǎo)電