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(chǎng)半導(dǎo)體場(chǎng) 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(chǎng)效應(yīng)晶體管原理。年代初就提出了表面場(chǎng)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是是英文縮寫詞。英文縮寫詞。其它叫法：絕緣體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（其它叫法：絕緣體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（IGFET）、）、金屬金屬-絕緣體絕緣體-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)

2、半導(dǎo)體場(chǎng)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。由于假設(shè)（由于假設(shè)（1 1

3、）、（）、（2 2），），在在無(wú)偏壓時(shí)半導(dǎo)體能帶是平直的。無(wú)偏壓時(shí)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(guò)過(guò)。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(gè)個(gè)表面空間電間電荷區(qū)區(qū)中費(fèi)費(fèi)米能級(jí)為級(jí)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(shí)際實(shí)際的MOSMOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。 2SiO6.1 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(gè)極板上的感應(yīng)電荷與電場(chǎng)之間滿足如下關(guān)系每個(gè)極板上的感應(yīng)電荷與電場(chǎng)之間滿足如下關(guān)系 （6-16-1） 式中式中 = =自

4、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(duì)相對(duì)介電常數(shù)介電常數(shù) = =半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)半導(dǎo)體表面的電場(chǎng) = =半導(dǎo)體半導(dǎo)體相對(duì)相對(duì)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?？臻g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(shì)和表面勢(shì) 所分?jǐn)偅核謹(jǐn)偅?00kSSkdxGV0VSSGVV0（6-26-2）SSSMkkQQ00006.1 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 加上電壓加上電壓 時(shí)時(shí)MOSMOS結(jié)構(gòu)內(nèi)的電位分布結(jié)構(gòu)內(nèi)的電位分布 GV6.1 6

5、.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(shí)，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(shí)，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00 ( )dxsQqp xp dx6.1 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帶和電荷分布（a） ， （b）小的小的 ， （c）大的大的GVGVGV6.1 6.1 理想理想MOS

6、MOS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(shuō)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(shuō)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daBSxqNQQ（6-66-6）022sdaSkxqN 21dSxxx（6-76-7）dx（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)

7、 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(shí)的表面勢(shì)。為出現(xiàn)強(qiáng)反型時(shí)的表面勢(shì)。 （6-176-17）（6-186-18）fsfsi2Si6.1 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(shí)的能帶圖強(qiáng)反型時(shí)的能帶圖 x 0 E Ix fq fq cE vE iE 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) 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(dòng)電荷即溝道電荷：為反型層中單位面積下的可動(dòng)電荷即溝道電荷： qNakqNakx

8、fSsiSdm0042dmaBxqNQdmaIBISxqNQQQQIQ（6-196-19）（6-206-20）（6-216-21）（6-6-5252）IQ 0IxIqnx dx6.1 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）、（）

9、、（2 2），在無(wú)偏壓時(shí)半導(dǎo)體能帶是平直的。），在無(wú)偏壓時(shí)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(guò)。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(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)。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)。使半導(dǎo)體表面具有表面勢(shì)，出現(xiàn)表面空間電荷區(qū)。 空間電荷與電場(chǎng)具有以下關(guān)系空間電荷與電場(chǎng)具有以下關(guān)系 （6-16-1） 2SiOGVSSSMkkQQ00006.1 6.1 理想理想MOSM

10、OS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(fèi)米勢(shì)的概念：體費(fèi)米勢(shì)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)反型條件； qEEFif0fsfsi2（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(chǎng)邊界條件導(dǎo)出空間

11、電荷與電場(chǎng)的關(guān)系根據(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。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。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)反型條件導(dǎo)出反型和強(qiáng)反型條件 （6-16-1）SSSMkkQQ00006.2 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 （

12、6-226-22）GMdVdQC GVMsMMGdQddQdVdQdVC01（6-236-23）00dVdQCM（6-246-24）SSSMSddQddQC（6-256-25）6.2 6.2 理想MOSMOS電電容器 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）SCCC11100CSCSCCCC00110CC00000 xkdVdQCM6.2 6.2 理想MOSMOS電電容器 將電容隨偏壓的變化分

13、成幾個(gè)區(qū)域，變化大致情況如圖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。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-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）GVdSSSSxkddQC00011xkxkCCSdS00CQVSSSGCQV0daBSxqNQQ022sdaSkxqN（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

14、）式解出）式解出歸一化電容歸一化電容 隨著外加偏壓隨著外加偏壓 的增加而減小的增加而減小. .反型區(qū)（反型區(qū)（ 0 0） （6-456-45）（6-466-46）（6-476-47）dx200000021SSGdSakkVXCCCqkN SSsddQCSBSIddQddQ0CCGVGV21212020002002121GSaGSaVxkqNkVkqNCCC6.2 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)體表面空間電荷區(qū)單位面積電容 （6-226-22）（6-296-29）（6-256-2

15、5）GMdVdQC 00000 xkdVdQCMSSSMSddQddQC6.2 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(huà)出了理想系統(tǒng)的電容畫(huà)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）SCCCC0011200000021SSGdSakkVXCCCqkN 21212020002002121GSaGSaVxkqNkVkqNCCC0CCGV6.2 6.2 理想MOSMOS電電容器 教學(xué)要求教學(xué)要求 掌握

16、理想系統(tǒng)的電容掌握理想系統(tǒng)的電容電壓特性，對(duì)圖電壓特性，對(duì)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） dxxnqLZgIxnII0 0IxIIqnx dxQ （6-526-52）InIQLZg（6-536-53） xn

17、IIx6.36.3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(shí)當(dāng)出現(xiàn)強(qiáng)反型時(shí) 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： 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)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) 。 （6-516-51）（6-56-54 4

18、）（6-56-55 5）THVSiBIGCQCQV00THGSiBGIVVCCQVCQ000GVSiBTHCQV0SiBQ6.36.3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(gè)概念：溝道電導(dǎo)、閾值電壓二個(gè)概念：溝道電導(dǎo)、閾值電壓 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）InIQLZgTHGSiBGIVVCCQVCQ0006.36.3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（

19、6-546-54） 說(shuō)說(shuō)明閾值電壓閾值電壓的物理意義義。 6.4實(shí)際MOS的電容電壓特性6.4實(shí)際MOS的電容電壓特性 功函數(shù)差的影響功函數(shù)差的影響 6.4 6.4 實(shí)際實(shí)際MOSMOS的電容的電容電壓特性電壓特性 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(fèi)米能級(jí)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(fèi)米能級(jí)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(lái)的影。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。響，就必須在金屬電極上加一負(fù)電壓。（6-566-56）6.4 6.

20、4 實(shí)際實(shí)際MOSMOS的電容的電容電壓特性電壓特性 6.4 6.4 實(shí)際實(shí)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） 起著有效電壓的作用。實(shí)際系統(tǒng)的電容起著有效電壓的作用。實(shí)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。 Vffs8 . 321 . 13.251GGVV 1GGVV GV6.4 6.4 實(shí)際實(shí)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

21、SiO Si 可移動(dòng)離子電荷mQ K aN + + + 氧化物陷阱電荷otQ 氧化物固定電荷fQ 界面陷阱電荷itQ + + + + 圖 6-13 熱氧化硅形成的2SiOSi 系統(tǒng)中的各類電荷 6.4 6.4 實(shí)際實(shí)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

22、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， 約為約為 ，因?yàn)椋ǎ驗(yàn)椋?00100）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(guò)低溫退火消除。大都可以通過(guò)低溫退火消除?？蓜?dòng)離子電荷（可動(dòng)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

23、和高壓下工作時(shí)，它們能在氧化層內(nèi)移動(dòng)。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)。itQitQitQ21010cm21110cmfQ2SiOSi fQ21010cmfQ210105cmitQfQotQotQmQ6.4 6.4 實(shí)際實(shí)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 0020000GQQxVxkC x x dxxxxCdVG0

24、0212GV 00000201CQdxxxxCVSXG（6-586-58）（6-596-59）(6-60)(6-60)6.4 6.4 實(shí)際實(shí)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(shí)際硅二氧化硅系統(tǒng)：實(shí)際硅二氧化硅系統(tǒng)： （6-646-64） dxxxxQxS0000002CQVG0020000GQQxVxkC x 6.4 6.4 實(shí)際實(shí)際MOSMOS的電容的電容電壓特性電壓特性 實(shí)際的實(shí)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(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

25、所第一項(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；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；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；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)。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)。 0021CQVVVmsGGFBSiBmsCQCQSiCBQFBVTHV0000（6-656-65）（6-666-66

26、）BQ6.4 6.4 實(shí)際實(shí)際MOSMOS的電容的電容電壓特性電壓特性 小結(jié)小結(jié) 畫(huà)出了鋁二氧化硅硅系統(tǒng)的能帶圖。由于功函數(shù)差畫(huà)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(lái)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(lái)的影響，就必須在金屬電極上加一負(fù)電壓: 這個(gè)電壓一部分用來(lái)拉平這個(gè)電壓一部分用來(lái)拉平二氧化硅的能帶，二氧化硅的能帶，一部分用來(lái)拉平一部分用來(lái)拉平半導(dǎo)體的能帶，使半導(dǎo)體的能帶，使 0因此稱其為平帶電壓。因此稱其為平帶電壓。 （6-656-65）mqqFMFSEES1smmsGVSS6.4 6.4 實(shí)

27、際實(shí)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 chargeoxide trapped charge） 可動(dòng)離子電荷（可動(dòng)離子電荷（mobile ionic chargemobile ionic charge）綜

28、合看來(lái)，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(lái)，可以把它們看做是位于二氧化硅硅界面的正電荷。 itQfQotQmQ6.4 6.4 實(shí)際實(shí)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 0020000GQQxVxkC x 0Q0Q002CQVG 00000201CQdxxxxCVSXG dx

29、xxxQxS0000（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(shí)際實(shí)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(shí)現(xiàn)平帶條件所需的偏壓叫做平帶電壓平帶電壓：為實(shí)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(shí)際即可得到實(shí)際MOSMOS的的C CV V曲線。曲線。 0021CQVVVmsGGFBFBV6.4 6.4 實(shí)際實(shí)際MOSMOS的電容的電容電壓特性電

30、壓特性 小結(jié)小結(jié)實(shí)際的閾值電壓實(shí)際的閾值電壓 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(duì)于半導(dǎo)體所需要加的柵偏壓第一項(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(duì)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(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)所需要加的柵偏壓（即拉第二項(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

31、加的柵偏壓）； 第三項(xiàng)是支撐出現(xiàn)強(qiáng)反型時(shí)的體電荷第三項(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；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)。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)。 SiBFBTHCQVV0SiBmsCQCQ000 對(duì)于鋁二氧化硅對(duì)于鋁二氧化硅N N型硅系統(tǒng)式（型硅系統(tǒng)式（6-666-66）中四項(xiàng)都是負(fù)的；而鋁二氧化硅）中四項(xiàng)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(xiàng)中第三、四項(xiàng)是正的。兩種情況下第一、二項(xiàng)總是負(fù)的。）四項(xiàng)中第三、四項(xiàng)是正的。兩種情況下第一、二項(xiàng)總是負(fù)的。BQ6.4 6.4 實(shí)際實(shí)際M

32、OSMOS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(huà)出鋁二氧化硅硅系統(tǒng)的能帶圖。畫(huà)出鋁二氧化硅硅系統(tǒng)的能帶圖。 根據(jù)能帶圖說(shuō)明根據(jù)能帶圖說(shuō)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)存在的電荷及其主要性質(zhì)。 1smmsGVS1GV6.4 6.4 實(shí)際實(shí)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(shí)際閾值電壓的公式及各項(xiàng)的意義掌握實(shí)際閾值電壓的公式及各項(xiàng)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(shí)際

33、沿著電壓軸平移即可得到實(shí)際MOSMOS的的C CV V曲線？曲線？ 對(duì)于鋁二氧化硅對(duì)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(xiàng)的）各項(xiàng)的符號(hào)。符號(hào)。v 作業(yè)：作業(yè)：6.46.4、6.56.5、6.66.6、6.76.7、6.86.8。 0020000GQQxVxkC x 002CQVG 00000201CQdxxxxCVSXG（6-586-58）（6-646-64）6.5 6.5 MOSMOS場(chǎng)場(chǎng)效應(yīng)應(yīng)晶體管6.5 6.5 MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程 圖圖6-15 6-1

34、5 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(shí)低漏電壓時(shí) 襯底p 小DV S N N LGVTHV 溝道 耗盡區(qū) DV DI （a） y （a） 6.5 6.5 MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)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(kāi)始飽和開(kāi)始飽和 DsatDVV S N N GVTHV 耗盡區(qū) 夾斷點(diǎn)（P） DV DI （b） DsatI DsatV （b） 6.5 6.5 MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 基本結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程基本結(jié)

35、構(gòu)和工作過(guò)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 DsatV S N N GVTHV 耗盡區(qū) （P） DV LDV DI （c） y （c） 6.5 6.5 MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)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 DV S N N GV dQ V dVV Al Al Al 2SiO x y 6.5 6.5 MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)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)

36、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。）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。6.5 6.5 MOSMOS場(chǎng)場(chǎng)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。 yVVVCQTHGI0yInDQZIdVVVVCZdyITHGnD0220DDT

37、HGnDVVVVLZCI（6-686-68）（6-696-69）（6-706-70）6.5 6.5 MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)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(gè)結(jié)構(gòu)作為一個(gè)MOSFETMOSFET。已知下列參數(shù)：已知下列參數(shù)： ， 。計(jì)算。計(jì)算 和和 時(shí)的時(shí)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 mL10mZ300sVcmp2230VVG4VVG8DSI280109 . 2cmFCSVFLZCp48010230230109 . 2THGDV

38、VV242102THGDSVVIVVTH1 . 3mAAIDS4 . 2102480108 . 044VVVVGG84對(duì)于對(duì)于6.5 6.5 MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 考慮慮到溝溝道電壓電壓的作用于是 2102VNqkQSiaSB2323000002322SiSiDaSDDSimsGnDVCNqkVVCQVLZCI6.5 6.5 MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(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。所有拋物線頂點(diǎn)右邊的曲線沒(méi)有物理意義。 2 4 6 8 2 4 6 ID （mA） VD （V） VVG12 VVG8 式（ 6-70） 式（ 6-72） 式（ 6-70） 式（

39、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(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)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(diǎn)發(fā)生夾斷，點(diǎn)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(kāi)始飽和時(shí)是有效的。超過(guò)這一點(diǎn)，漏極電流可看作是常數(shù)。此式在開(kāi)始飽和時(shí)是有效的。超過(guò)這一點(diǎn)，漏極電流可看作是常數(shù)。所有拋物線頂點(diǎn)右邊的曲線沒(méi)有物理意義。所有拋物線頂點(diǎn)右邊的曲線沒(méi)有物理意義。 yVVVCQTHGI0 DSatTHGVVVLV（6-736-73）（6-746-74）2

40、02THGnDSatVVLZCI6.5 6.5 MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)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 DV DI 1GV 2GV 3GV 4GV 5GV THDSGVVV1 6.5 6.5 MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 小結(jié)小結(jié) 畫(huà)出結(jié)構(gòu)示意圖說(shuō)明了畫(huà)出結(jié)構(gòu)示意圖說(shuō)明了MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作原理。場(chǎng)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(guò)溝道從源流到漏。溝道的作用相當(dāng)于一個(gè)電阻，若加一小的漏電壓，電子將通過(guò)溝道從源流到漏。溝道的作用相當(dāng)于一個(gè)電阻， 漏電流和漏電流和 漏電壓漏電壓 成

41、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(shí)，由于從源到漏存在電壓即當(dāng)漏電壓增加時(shí)，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(diǎn)叫夾斷點(diǎn)。夾斷以后，漏電流基本上保持不變，因?yàn)閵A斷點(diǎn)的電壓保持不變，即生的地點(diǎn)叫夾斷點(diǎn)。夾斷以后，漏電流基本上保持不變，因?yàn)閵A斷點(diǎn)的電壓保持不變，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

42、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(zhǎng)度溝道長(zhǎng)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。DIDVDSVLy L06.5 6.5 MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)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(guò)程中假設(shè)導(dǎo)薩支唐方程過(guò)程中假設(shè) 與與V 無(wú)關(guān)。實(shí)際上，無(wú)關(guān)。實(shí)際上， 中所含的中所含的 與溝道電與溝道電壓有關(guān)?？紤]到溝道電壓的作用，壓有關(guān)?？紤]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

43、（公式為（6-726-72）。）。（6-716-71）（6-706-70）220DDTHGnDVVVVLZCITHVTHVBQBQ1202BSaSiQqkNV 6.5 6.5 MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)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(huì)形成反型層。結(jié)果是，若柵電壓小于閾值電壓，不會(huì)形成反型層。結(jié)果是，MOSFET象是背對(duì)背象是背對(duì)背 連接的兩個(gè)連接的兩個(gè)P-N結(jié)一樣，相互阻擋任何一方的電流流過(guò)。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(guò)。晶體管在這一工作區(qū)域與 開(kāi)路相似。開(kāi)路相似。（6-

44、746-74）（6-76-73 3） yVVVCQTHGI0 DSatTHGVVVLV202THGnDSatVVLZCI6.5 6.5 MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 教學(xué)要求教學(xué)要求 畫(huà)出結(jié)構(gòu)示意圖說(shuō)明了畫(huà)出結(jié)構(gòu)示意圖說(shuō)明了MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作原理。場(chǎng)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（6-726-72）。）。 說(shuō)明夾斷條件：說(shuō)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.

45、10、6.116.11 （6-76-73 3）（6-706-70）2102VNqkQSiaSB yVVVCQTHGI0 DSatTHGVVVLV6.6 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(hào)參數(shù)：小信號(hào)參數(shù)：1.1.線性導(dǎo)納線性導(dǎo)納 對(duì)式（對(duì)式（6-706-70）求導(dǎo)數(shù)）求導(dǎo)數(shù) 線性區(qū)的電阻，稱為開(kāi)態(tài)電阻，或?qū)娮?，可用下式表示線性區(qū)的電阻，稱為開(kāi)態(tài)電阻，或?qū)娮?，可用下式表?（6-766-76）（6-756-75）dg常數(shù)GVDDdVIgTHGnDTHGndVVLZCVVVLZCg00THGndonVVZCLgR01（6

46、-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(duì)應(yīng)關(guān)系中溝道導(dǎo)納與的對(duì)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(duì)線性區(qū)：對(duì)式（式（6-706-70）求導(dǎo)）求導(dǎo)飽和區(qū)：對(duì)式（飽和區(qū)：對(duì)式（6-746-74）求導(dǎo)）求導(dǎo) 在假設(shè)在假設(shè) 為常數(shù)時(shí)才成立，飽和區(qū)跨導(dǎo)為常數(shù)時(shí)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）mg常數(shù)DVGDmVIgDnmVLZCg0THGnmVVLZCg0BQmg

47、dg6.6 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)GVDSatDSatatddsIVsrr（6-6-8181）dSrGCGC0C6.6 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(hào)等效電路。晶體管的小訊號(hào)等效電路。 MOSFETMOSFET的等效電路的等效電路 dsr D S gSmVg gdC gSC G gSv S dSC 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(shí)的頻率，即當(dāng)器件輸出短路時(shí)，器件不能夠放時(shí)的頻率，即當(dāng)器件輸出短路時(shí)，器件不能夠放大輸入信號(hào)時(shí)的頻率。大輸入信號(hào)時(shí)的頻率。為為了提高工作了提高工作頻頻率或工作速度，率或工作速度，溝溝道道長(zhǎng)長(zhǎng)度要短，度要短，載