半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)要點(diǎn)課件

第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.1半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1.2半導(dǎo)體能帶模型1.3半導(dǎo)體中的載流子1.4態(tài)密度與費(fèi)米能級(jí)1.5載流子的傳輸1.6PN結(jié)1.7金屬—半導(dǎo)體接觸1.8MOSFET器件基礎(chǔ)第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.1半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1.5載流子1.1半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

一切晶體，不論外形如何，其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)（原子、離子、離子團(tuán)或分子）都是有規(guī)律排列的。即晶體內(nèi)部相同質(zhì)點(diǎn)在三維空間均呈周期性重復(fù)?？煞殖蓡尉w和多晶體單晶：整個(gè)晶體由單一的晶格連續(xù)組成。多晶：晶體由相同結(jié)構(gòu)的很多小晶粒無(wú)規(guī)則地堆積而成非晶：固體中存在許多小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域的原子排列不同于其它小區(qū)域的原子排列硅晶體是金剛石結(jié)構(gòu),均為四面體結(jié)構(gòu)，并向空間無(wú)限伸展成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。1.1半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)一切晶體，不論外形如何，其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)（原按照構(gòu)成固體的粒子在空間的排列情況，可以講固體分為：按照構(gòu)成固體的粒子在空間的排列情況，可以講固體分為：硅的晶體結(jié)構(gòu)硅晶體中任何一原子都有4個(gè)最近鄰的原子與之形成共價(jià)鍵。一個(gè)原子處在正四面體的中心，其它四個(gè)與它共價(jià)的原子位于四面體的頂點(diǎn)，這種四面體稱(chēng)為共價(jià)四面體。硅的晶體結(jié)構(gòu)硅晶體中任何一原子都有4個(gè)最近鄰的原子與之形成共第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)要點(diǎn)課件1s2p2sEo原子間距禁帶禁帶能帶當(dāng)有N個(gè)相同的自由原子時(shí)，每個(gè)原子內(nèi)的電子有相同的分立的能級(jí)，它們是N重簡(jiǎn)并的，當(dāng)這N個(gè)原子逐漸靠近時(shí)，原來(lái)束縛在單原子的中的電子，不能在一個(gè)能級(jí)上存在（違反泡利不相容原則）從而只能分裂成N個(gè)非?？拷哪芗?jí)（10-22ev）1.2半導(dǎo)體能帶模型1s2p2sEo原子間距禁帶禁帶能帶當(dāng)有N個(gè)相同的自由原子時(shí)能帶論原子能級(jí)分裂成能帶的示意圖電子能量簡(jiǎn)化能帶圖價(jià)帶導(dǎo)帶Eg=帶隙EcEv在一般的原子中，內(nèi)層電子的能級(jí)是被電子填滿的。當(dāng)原子組成晶體后，與這些原子的內(nèi)層電子能級(jí)相對(duì)應(yīng)的那些能帶也是被電子所填滿的。其中能級(jí)較高的被電子填滿的能帶稱(chēng)為價(jià)帶，價(jià)帶以上的能帶未被填滿，稱(chēng)為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶和價(jià)帶間的能隙叫禁帶

能帶論原子能級(jí)分裂成能帶的示意圖電子能量簡(jiǎn)化能帶圖價(jià)帶Eg=1.3半導(dǎo)體中的載流子導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴統(tǒng)稱(chēng)為載流子，是在電場(chǎng)作用下能作定向運(yùn)動(dòng)的帶電粒子。1.3半導(dǎo)體中的載流子導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴統(tǒng)稱(chēng)為載滿帶半（不）滿帶

當(dāng)電子從原來(lái)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一狀態(tài)時(shí)，另一電子必作相反的轉(zhuǎn)移。沒(méi)有額外的定向運(yùn)動(dòng)。滿帶中電子不能形成電流。半滿帶的電子可在外場(chǎng)作用下躍遷到高一級(jí)的能級(jí)形成電流。滿帶半（不）滿帶當(dāng)電子從原來(lái)狀態(tài)轉(zhuǎn)移半滿帶的電子可在空帶滿帶禁帶-e-e-e-eIeIP1.本征半導(dǎo)體---不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體本征激發(fā)空穴電流導(dǎo)電機(jī)制：本征導(dǎo)電中的載流子是電子和空穴（本征導(dǎo)電）空帶滿帶禁帶-e-e-e-eIeIP2.雜質(zhì)半導(dǎo)體---含有少量雜質(zhì)的半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體（施主雜質(zhì)半導(dǎo)體）在純凈半導(dǎo)中摻入少量可提供導(dǎo)電電子的雜質(zhì)所形成的半導(dǎo)體。例在四價(jià)硅（Si）元素半導(dǎo)體中摻入五價(jià)砷（AS）所形成的半導(dǎo)體2.雜質(zhì)半導(dǎo)體---含有少量雜質(zhì)的半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體（施主雜+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4GeASAS+5+5

摻入AS以后，五個(gè)價(jià)電子中，有四個(gè)電子與周?chē)腉e組成共價(jià)鍵晶體，還多余一個(gè)電子，此電子處于特殊的能級(jí)。滿帶空帶施主能級(jí)能帶結(jié)構(gòu)：

理論證明:摻入這種雜質(zhì)后電子處于靠近空帶下沿處的一個(gè)能級(jí)中(“施主能級(jí)”)施主能級(jí)與上空帶下能級(jí)的能級(jí)間隔稱(chēng)“施主雜質(zhì)電離能”()+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4這種雜質(zhì)可提供導(dǎo)電電子故稱(chēng)為施主雜質(zhì)滿帶空帶導(dǎo)電機(jī)制：施主能級(jí)由于較小,施主能級(jí)中的電子很容易激發(fā)到空帶而在施主能級(jí)上留下不可移動(dòng)的空穴.此稱(chēng)“雜質(zhì)激發(fā)”,當(dāng)然也存在本征激發(fā).這種雜質(zhì)可提滿帶空帶導(dǎo)電機(jī)制：施主能級(jí)由于

總之,躍入空帶中的電子數(shù)等于滿帶及施主能級(jí)中的空穴數(shù),由于施主能級(jí)中的空穴不能移動(dòng),故在常溫下,能導(dǎo)電的空穴數(shù)遠(yuǎn)小于電子數(shù),導(dǎo)電作用主要靠躍入空帶中的電子.（多數(shù)載流子）導(dǎo)電機(jī)制：故n型半導(dǎo)體又稱(chēng)電子型半導(dǎo)體這種雜質(zhì)可提供導(dǎo)電電子故稱(chēng)為施主雜質(zhì)滿帶空帶施主能級(jí)總之,躍入空帶中的電子數(shù)等于滿帶及施主導(dǎo)電機(jī)1.4態(tài)密度與費(fèi)米能級(jí)態(tài)密度在能帶中，能量E附近單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù)在量子力學(xué)中，微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱(chēng)為量子態(tài)1.4態(tài)密度與費(fèi)米能級(jí)態(tài)密度在量子力學(xué)中，微觀粒子的運(yùn)動(dòng)費(fèi)米－狄拉克統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律溫度為T(mén)（絕對(duì)溫度）的熱平衡態(tài)下，半導(dǎo)體中電子占據(jù)能量為E的量子態(tài)的幾率是k是玻爾茲曼常數(shù)，EF是一個(gè)與摻雜有關(guān)的常數(shù)，稱(chēng)為費(fèi)米能級(jí)。當(dāng)E-EF>>kT時(shí)，f（E）=0，說(shuō)明高于EF幾個(gè)kT以上的能級(jí)都是空的；而當(dāng)E-EF<<kT時(shí)，f（E）＝1，說(shuō)明低于EF幾個(gè)kT以下的能級(jí)被電子填滿。特別是在絕對(duì)零度時(shí)，E<EF的能級(jí)全被填滿，E>EF的能級(jí)全是空的,EF是電子所占據(jù)的最高量子態(tài)的能量。EF反應(yīng)了半導(dǎo)體中被電子填滿了的能級(jí)水平，費(fèi)米能級(jí)的物理意義是，該能級(jí)上的一個(gè)狀態(tài)被電子占據(jù)的幾率是1/2。費(fèi)米能級(jí)是理論上引入的虛構(gòu)的能級(jí)費(fèi)米－狄拉克統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律溫度為T(mén)（絕對(duì)溫度）的熱平衡態(tài)下，半摻雜半導(dǎo)體能帶圖N型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)在本征費(fèi)米能級(jí)上面，隨著摻雜濃度ND的增加，費(fèi)米能級(jí)更加靠近導(dǎo)帶底；p型半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)靠近價(jià)帶頂

本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)叫本征費(fèi)米能級(jí)摻雜半導(dǎo)體能帶圖N型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)在本征費(fèi)米能級(jí)上面，隨著1.5載流子的傳輸載流子輸運(yùn)類(lèi)型：漂移、擴(kuò)散和產(chǎn)生-復(fù)合載流子的擴(kuò)散由于濃度差而產(chǎn)生的，濃度高的向濃度低的方向擴(kuò)散漂移：帶電粒子在外電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)載流子熱運(yùn)動(dòng)示意圖外電場(chǎng)作用下電子的漂移運(yùn)動(dòng)1.5載流子的傳輸載流子輸運(yùn)類(lèi)型：漂移、擴(kuò)散和產(chǎn)生-復(fù)合載流子的漂移運(yùn)動(dòng)無(wú)外加電場(chǎng)作用時(shí)載流子熱運(yùn)動(dòng)是無(wú)規(guī)則的，運(yùn)動(dòng)速度各向同性，不引起宏觀遷移，從而不會(huì)產(chǎn)生電流。外加電場(chǎng)作用時(shí)載流子沿電場(chǎng)方向的速度分量比其它方向大，將會(huì)引起載流子的宏觀遷移，從而形成電流。漂移運(yùn)動(dòng)：由電場(chǎng)作用而產(chǎn)生的、沿電場(chǎng)力方向的運(yùn)動(dòng)（電子和空穴漂移運(yùn)動(dòng)方向相反）。漂移速度：定向運(yùn)動(dòng)的速度。漂移電流：載流子的漂移運(yùn)動(dòng)所引起的電流。載流子的漂移運(yùn)動(dòng)無(wú)外加電場(chǎng)作用時(shí)載流子的漂移遷移率（μ）指載流子（電子和空穴）在單位電場(chǎng)作用下的平均漂移速度，即載流子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)速度的快慢的量度，運(yùn)動(dòng)得越快，遷移率越大；運(yùn)動(dòng)得慢，遷移率小。單位是cm2／V·s平均自由時(shí)間愈長(zhǎng)，或者說(shuō)單位時(shí)間內(nèi)遭受散射的次數(shù)愈少，載流子的遷移率愈高；電子和空穴的遷移率是不同的，因?yàn)樗鼈兊钠骄杂蓵r(shí)間和有效質(zhì)量不同。載流子的漂移遷移率（μ）指載流子（電子和空穴）在單位電場(chǎng)作用Hall效應(yīng)當(dāng)有一方向與電流垂直的磁場(chǎng)作用于一有限半導(dǎo)體時(shí)，則在半導(dǎo)體的兩側(cè)產(chǎn)生一橫向電勢(shì)差，其方向同時(shí)垂直于電流和磁場(chǎng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為半導(dǎo)體的Hall效應(yīng)。測(cè)量Hall系數(shù)示意圖Hall效應(yīng)當(dāng)有一方向與電流垂直的磁場(chǎng)作用于一有限半導(dǎo)體時(shí)，Hall系數(shù)RH定義單位磁場(chǎng)作用下通過(guò)單位電流密度所產(chǎn)生的霍耳電場(chǎng)RH

與宏觀測(cè)量值間關(guān)系，d為半導(dǎo)體厚度Hall遷移率RH與電導(dǎo)率σ的乘積，即│RH│σ，具有遷移率的量綱,故特別稱(chēng)為Hall遷移率，表示為μH=│RH│σHall系數(shù)RH定義Hall系數(shù)的一般表達(dá)式大多數(shù)半導(dǎo)體，b>1對(duì)n型半導(dǎo)體，溫度不太高時(shí)，n>>p，故對(duì)p型半導(dǎo)體，溫度不太高時(shí)，p>>n，故Hall效應(yīng)的意義：①Hall系數(shù)有正負(fù)之分，且與載流子濃度有關(guān)。②通過(guò)Hall系數(shù)的測(cè)量，可以確定半導(dǎo)體的導(dǎo)電類(lèi)型及載流子濃度。證實(shí)空穴以帶電載流子方式存在的最令人信服的方法之一③RH

與T有關(guān)。Hall系數(shù)的一般表達(dá)式大多數(shù)半導(dǎo)體，b>1Hall效應(yīng)的意1.6PN結(jié)

平衡PN結(jié)

正偏

反偏

1.6PN結(jié)平衡PN結(jié)平衡PN結(jié)

空間電荷區(qū)

內(nèi)建電場(chǎng)

W0=Wp+Wn是空間電荷區(qū)的總寬度

qV0＝EFN－EFPV0和PN結(jié)兩邊的摻雜濃度（ND，NA），溫度（T），材料（ni）有關(guān)。溫度T一定時(shí)，ND，NA愈大，V0愈大；材料禁帶寬度愈大，ni愈小，V0也愈大

平衡PN結(jié)特性空間電荷區(qū)中性N區(qū)中性P區(qū)(a)(b)(c)-Wpρ平衡PN結(jié)空間電荷區(qū)平衡PN結(jié)特性空間電荷區(qū)中性N區(qū)正偏當(dāng)P區(qū)接電源的正極，N區(qū)接負(fù)時(shí)，外加偏壓V基本上降落在勢(shì)壘區(qū)，在勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生外加電場(chǎng)

PN結(jié)的正向電流是由注入的非平衡少子引起的空穴穿過(guò)P區(qū)時(shí)是多子電流，經(jīng)過(guò)勢(shì)壘區(qū)進(jìn)入N區(qū)成為非平衡少子，它邊擴(kuò)散邊復(fù)合，最后消失。少子被多子復(fù)合并非電流的中斷，因?yàn)榕c少子復(fù)合的多子是從N區(qū)過(guò)來(lái)的多子，它們的復(fù)合正好實(shí)現(xiàn)了少子電流到多子電流的轉(zhuǎn)換

-Wp少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流總電流多數(shù)載流子的擴(kuò)散電流N區(qū)P區(qū)正偏當(dāng)P區(qū)接電源的正極，N區(qū)接負(fù)時(shí)，外加偏壓V基本上降落在勢(shì)反偏加反偏電壓V＝-Vr時(shí)，外加電場(chǎng)方向與內(nèi)建電場(chǎng)方向相同，增強(qiáng)了勢(shì)壘區(qū)中的電場(chǎng)強(qiáng)度，勢(shì)壘區(qū)加寬，勢(shì)壘高度由qV0增加為q（V0+Vr）。勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)的增強(qiáng)，打破了原有的擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)之間的平衡，漂移運(yùn)動(dòng)超過(guò)了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。這時(shí)N區(qū)中空穴一旦到達(dá)勢(shì)壘區(qū)邊界x=Wn處就要被電場(chǎng)掃向P區(qū)，P區(qū)中的電子一旦到達(dá)勢(shì)壘邊界x=Wp，也要被電場(chǎng)掃向N區(qū)。由于在勢(shì)壘邊界，少子濃度很小，若Vr>25mv＝kT/e，pn0幾乎為0，而勢(shì)壘區(qū)中空穴濃度為平衡載流子濃度。在勢(shì)壘區(qū)以外的少子要向勢(shì)壘區(qū)擴(kuò)散，擴(kuò)散進(jìn)來(lái)的少子一旦到達(dá)勢(shì)壘區(qū)邊界，就被電場(chǎng)掃向?qū)Ψ?，它們?gòu)成了PN結(jié)的反向電流。反偏加反偏電壓V＝-Vr時(shí)，外加電場(chǎng)方向與內(nèi)建電場(chǎng)方向相同，正偏

與反偏

PN結(jié)能帶圖（a）開(kāi)路，(b)正偏，(c)反偏，(d)反偏電流I非常小熱產(chǎn)生正偏

與反偏PN結(jié)能帶圖（a）開(kāi)路，(b)正偏，(c)1.7金屬—半導(dǎo)體接觸1.7金屬—半導(dǎo)體接觸上式表示一個(gè)起始能量等于費(fèi)米能級(jí)的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小值。金屬中的電子勢(shì)阱(EF)m

越大,金屬對(duì)電子的束縛越強(qiáng)金屬功函數(shù)的定義:真空中靜止電子的能量E0

與金屬的EF

能量之差上式表示一個(gè)起始能量等于費(fèi)米能級(jí)的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空半導(dǎo)體功函數(shù)的定義:真空中靜止電子的能量E0

與半導(dǎo)體的EF

能量之差，即E0ECEFEV電子的親合能半導(dǎo)體功函數(shù)的定義:真空中靜止電子的能量E0與半導(dǎo)體Ev接觸前半導(dǎo)體的功函數(shù)又寫(xiě)為Ev接觸前半導(dǎo)體的功函數(shù)又寫(xiě)為半導(dǎo)體一邊的勢(shì)壘高度金屬一邊的勢(shì)壘高度忽略接觸間隙qVD半導(dǎo)體一邊的勢(shì)壘高度金屬一邊的勢(shì)壘高度忽略接觸間隙qVD半導(dǎo)體表面形成一個(gè)正的空間電荷區(qū)電場(chǎng)方向由體內(nèi)指向表面半導(dǎo)體表面電子的能量高于體內(nèi)的，能帶向上彎曲，即形成表面勢(shì)壘當(dāng)金屬與n型半導(dǎo)體接觸在勢(shì)壘區(qū)中，空間電荷主要由電離施主形成，電子濃度要比體內(nèi)小得多，因此它是一個(gè)高阻的區(qū)域，常稱(chēng)為阻擋層。半導(dǎo)體表面形成一個(gè)正的空間電荷區(qū)當(dāng)金屬與n型半導(dǎo)體接觸在勢(shì)壘當(dāng)金屬與n型半導(dǎo)體接觸半導(dǎo)體表面形成一個(gè)負(fù)的空間電荷區(qū)電場(chǎng)方向由表面指向體內(nèi)半導(dǎo)體表面電子的能量低于體內(nèi)的，能帶向下彎曲在空間電荷區(qū)中，電子濃度要比體內(nèi)大得多，因此它是一個(gè)高電導(dǎo)的區(qū)域，稱(chēng)為反阻擋層。反阻擋層薄,高電導(dǎo),對(duì)接觸電阻影響小EcEvEF-Φm當(dāng)金屬與n型半導(dǎo)體接觸半導(dǎo)體表面形成一個(gè)負(fù)的空間電荷區(qū)在空間隧道效應(yīng)：重?fù)诫s的半導(dǎo)體與金屬接觸時(shí)，則勢(shì)壘寬度變得很薄，電子通過(guò)隧道效應(yīng)貫穿勢(shì)壘產(chǎn)生大隧道電流，甚至超過(guò)熱電子發(fā)射電流而成為電流的主要成分，即可形成接近理想的歐姆接觸。實(shí)際的歐姆接觸隧道效應(yīng)：重?fù)诫s的半導(dǎo)體與金屬接觸時(shí)，則勢(shì)壘寬度變得很薄，電1.8MOSFET

--場(chǎng)效應(yīng)理論1.8.1MOS結(jié)構(gòu)1.理想MOS結(jié)構(gòu)（1）金屬柵足夠厚,是等勢(shì)體（2）氧化層是完美的絕緣體無(wú)電流流過(guò)氧化層（3）在氧化層中或氧化層-半導(dǎo)體界面沒(méi)有電荷中心（4）半導(dǎo)體均勻摻雜（5）半導(dǎo)體足夠厚，無(wú)論VG多大，總有零電場(chǎng)區(qū)域（6）半導(dǎo)體與器件背面金屬之間處于歐姆接觸（7）MOS電容是一維結(jié)構(gòu)，所有變量?jī)H是x的函數(shù)（8）M=S=+(EC-EF)FB金屬-氧化物-半導(dǎo)體電容柵背接觸或襯底接觸0.01~1.0m1.8MOSFET

零偏壓VG<0（以P-Si襯底為例）由分立能帶圖得到MOS能帶圖包括兩個(gè)步驟；（a）將M和S放到一起相距為x0，達(dá)到平衡時(shí)，M和S的費(fèi)米能級(jí)必須持平；因假設(shè)m=S真空能級(jí)也必須對(duì)準(zhǔn)。（在M-空隙-S系統(tǒng)的任何地方都沒(méi)有電荷和電場(chǎng)）（b)將厚度為x0的絕緣體插入M與S之間的空隙。零偏壓VG<0（以P-Si襯底為例）由分立能帶圖得到MOS能

理想p型MOS在不同偏置下的能帶圖和電荷塊圖理想p型MOS在不同偏置下的能帶圖和電荷塊圖特殊偏置區(qū)域VG<0,在O-S界面附近的空穴濃度大于半導(dǎo)體體內(nèi)的濃度，稱(chēng)為“積累”。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)。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，增加到ns=NA,VG=VTH時(shí)，表面不再耗盡VG>VTH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”。特殊偏置區(qū)域VG<0,在O-S界面附近的空穴濃度大于半導(dǎo)體N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)1.8.2（增強(qiáng)型）MOS場(chǎng)效應(yīng)管漏極D源極S柵極G襯底B電極—金屬絕緣層—氧化物基體—半導(dǎo)體因此稱(chēng)之為MOS管N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)1.8.2（增強(qiáng)型）MOS

當(dāng)VGS較小時(shí)，雖然在P型襯底表面形成一層耗盡層，但負(fù)離子不能導(dǎo)電。當(dāng)VGS=VTH時(shí),在P型襯底表面形成一層電子層，形成N型導(dǎo)電溝道，在VDS的作用下形成ID。VDSID++--++--++++----VGS反型層

當(dāng)VGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，無(wú)論UDS之間加上電壓不會(huì)在D、S間形成電流ID,即ID≈0.

當(dāng)VGS>VTH時(shí),溝道加厚，溝道電阻減少，在相同VDS的作用下，ID將進(jìn)一步增加開(kāi)始無(wú)導(dǎo)電溝道，當(dāng)在VGSVTH時(shí)才形成溝道,這種類(lèi)型的管子稱(chēng)為增強(qiáng)型MOS管1.8.3

MOSFET工作原理的定性分析VDSID++--++--++++----VGVT

VGS/VID/mAO（1）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(méi)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43

N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線VTVGS/VID/mAO（1）轉(zhuǎn)移特性曲線(假（2）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(guò)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=IDSat44飽和電流IDsat，對(duì)應(yīng)的VDS稱(chēng)為VDSsatVDS=VDSsat的虛線將曲線劃分為亞線性區(qū)和飽和區(qū)。（2）輸出特性曲線(假設(shè)VGS=5V)輸出特性曲線非飽1.8.4MOSFET的直流I-V方程基本假設(shè)：漂移電流、緩變溝道近似、長(zhǎng)溝近似強(qiáng)反型近似坐標(biāo)系基本定義溝道中位置y處單位面積下的電荷為Qch(y)有效遷移率μEF1.8.4MOSFET的直流I-V方程基本假設(shè)：溝道電流的一般表達(dá)式Vch(y)為溝道相對(duì)于源端電壓溝道電流的一般表達(dá)式Vch(y)為溝道相對(duì)于源端電壓溝道電子電荷的面密度VGS≤VTH時(shí)，ID≈0,Qch≈0VGS>VTH,VDS=0時(shí),ID≈0,Qch≈-Ci(VGS-VTH)VGS>VTH,VDS>0時(shí),在S端，Vch=0；在漏端，Vch=VDSQch(y)=-Ci(VGS-VT-Vch(y))且VGS-VT＞Vch(y)當(dāng)VGS-VTH=Vch(y)，上式不成立

溝道電子電荷的面密度VGS≤VTH時(shí)，ID≈0,Qch≈0漏極飽和電流繼續(xù)增大漏極電壓VDS，當(dāng)VDS=VGS-VT時(shí)，電流首先在漏端達(dá)到飽和，這時(shí)的漏電壓叫漏極飽和電壓VDSsat當(dāng)VDS>VDSsat時(shí)，電子具有最大速度vsat，電荷有最小值，電流達(dá)到飽和電流IDsat=-WQchminvsat漏極飽和電流繼續(xù)增大漏極電壓VDS，當(dāng)VDS=VGS-VT時(shí)長(zhǎng)溝模型、恒定遷移率下的TFTI-V特性線性區(qū)，VDS<VGS-VTH時(shí)飽和區(qū)，VDSsat≥VGS-VTH電流-電壓方程長(zhǎng)溝模型、恒定遷移率下的TFTI-V特性電流-電壓方程作業(yè)1、仿照n-Si的導(dǎo)電機(jī)制解釋p-Si的導(dǎo)電機(jī)制。2、仿照p-MOS畫(huà)出理想n-MOS在不同偏置下的能帶圖和對(duì)應(yīng)的電荷塊圖。3、仿照金屬與n型半導(dǎo)體接觸，畫(huà)出金屬與p型半導(dǎo)體接觸時(shí)的能帶圖。4、給定N溝道增強(qiáng)型MOSFET參數(shù)，根據(jù)理論模型畫(huà)出其I-V關(guān)系圖。已知：di=0.1μmW/L=50μm/5μmVTH=1.42V VDS=0~10VVGS=0~10Vεr=3.9ε0=8.85×10-12F/m作業(yè)1、仿照n-Si的導(dǎo)電機(jī)制解釋p-Si的導(dǎo)電機(jī)制。已知：作業(yè)5、試用Hspice產(chǎn)生一電路，使用預(yù)設(shè)的LEVEL1模型參數(shù)（缺省值），并產(chǎn)生一漏極特性曲線（輸出特性）。其中的掃描條件為VDS=0~5V、增量為0.1V，而VGS=0~5V、增量為1V，VB=0V。作業(yè)5、試用Hspice產(chǎn)生一電路，使用預(yù)設(shè)的LEVEL1參考文獻(xiàn)半導(dǎo)體器件物理，RobertF.Pierret著，電子工業(yè)出版社半導(dǎo)體物理學(xué)，劉恩科等編著，國(guó)防工業(yè)出版社參考文獻(xiàn)半導(dǎo)體器件物理，RobertF.Pierret著，第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.1半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1.2半導(dǎo)體能帶模型1.3半導(dǎo)體中的載流子1.4態(tài)密度與費(fèi)米能級(jí)1.5載流子的傳輸1.6PN結(jié)1.7金屬—半導(dǎo)體接觸1.8MOSFET器件基礎(chǔ)第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.1半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1.5載流子1.1半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

一切晶體，不論外形如何，其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)（原子、離子、離子團(tuán)或分子）都是有規(guī)律排列的。即晶體內(nèi)部相同質(zhì)點(diǎn)在三維空間均呈周期性重復(fù)?？煞殖蓡尉w和多晶體單晶：整個(gè)晶體由單一的晶格連續(xù)組成。多晶：晶體由相同結(jié)構(gòu)的很多小晶粒無(wú)規(guī)則地堆積而成非晶：固體中存在許多小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域的原子排列不同于其它小區(qū)域的原子排列硅晶體是金剛石結(jié)構(gòu),均為四面體結(jié)構(gòu)，并向空間無(wú)限伸展成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。1.1半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)一切晶體，不論外形如何，其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)（原按照構(gòu)成固體的粒子在空間的排列情況，可以講固體分為：按照構(gòu)成固體的粒子在空間的排列情況，可以講固體分為：硅的晶體結(jié)構(gòu)硅晶體中任何一原子都有4個(gè)最近鄰的原子與之形成共價(jià)鍵。一個(gè)原子處在正四面體的中心，其它四個(gè)與它共價(jià)的原子位于四面體的頂點(diǎn)，這種四面體稱(chēng)為共價(jià)四面體。硅的晶體結(jié)構(gòu)硅晶體中任何一原子都有4個(gè)最近鄰的原子與之形成共第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)要點(diǎn)課件1s2p2sEo原子間距禁帶禁帶能帶當(dāng)有N個(gè)相同的自由原子時(shí)，每個(gè)原子內(nèi)的電子有相同的分立的能級(jí)，它們是N重簡(jiǎn)并的，當(dāng)這N個(gè)原子逐漸靠近時(shí)，原來(lái)束縛在單原子的中的電子，不能在一個(gè)能級(jí)上存在（違反泡利不相容原則）從而只能分裂成N個(gè)非?？拷哪芗?jí)（10-22ev）1.2半導(dǎo)體能帶模型1s2p2sEo原子間距禁帶禁帶能帶當(dāng)有N個(gè)相同的自由原子時(shí)能帶論原子能級(jí)分裂成能帶的示意圖電子能量簡(jiǎn)化能帶圖價(jià)帶導(dǎo)帶Eg=帶隙EcEv在一般的原子中，內(nèi)層電子的能級(jí)是被電子填滿的。當(dāng)原子組成晶體后，與這些原子的內(nèi)層電子能級(jí)相對(duì)應(yīng)的那些能帶也是被電子所填滿的。其中能級(jí)較高的被電子填滿的能帶稱(chēng)為價(jià)帶，價(jià)帶以上的能帶未被填滿，稱(chēng)為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶和價(jià)帶間的能隙叫禁帶

能帶論原子能級(jí)分裂成能帶的示意圖電子能量簡(jiǎn)化能帶圖價(jià)帶Eg=1.3半導(dǎo)體中的載流子導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴統(tǒng)稱(chēng)為載流子，是在電場(chǎng)作用下能作定向運(yùn)動(dòng)的帶電粒子。1.3半導(dǎo)體中的載流子導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴統(tǒng)稱(chēng)為載滿帶半（不）滿帶

當(dāng)電子從原來(lái)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一狀態(tài)時(shí)，另一電子必作相反的轉(zhuǎn)移。沒(méi)有額外的定向運(yùn)動(dòng)。滿帶中電子不能形成電流。半滿帶的電子可在外場(chǎng)作用下躍遷到高一級(jí)的能級(jí)形成電流。滿帶半（不）滿帶當(dāng)電子從原來(lái)狀態(tài)轉(zhuǎn)移半滿帶的電子可在空帶滿帶禁帶-e-e-e-eIeIP1.本征半導(dǎo)體---不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體本征激發(fā)空穴電流導(dǎo)電機(jī)制：本征導(dǎo)電中的載流子是電子和空穴（本征導(dǎo)電）空帶滿帶禁帶-e-e-e-eIeIP2.雜質(zhì)半導(dǎo)體---含有少量雜質(zhì)的半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體（施主雜質(zhì)半導(dǎo)體）在純凈半導(dǎo)中摻入少量可提供導(dǎo)電電子的雜質(zhì)所形成的半導(dǎo)體。例在四價(jià)硅（Si）元素半導(dǎo)體中摻入五價(jià)砷（AS）所形成的半導(dǎo)體2.雜質(zhì)半導(dǎo)體---含有少量雜質(zhì)的半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體（施主雜+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4GeASAS+5+5

摻入AS以后，五個(gè)價(jià)電子中，有四個(gè)電子與周?chē)腉e組成共價(jià)鍵晶體，還多余一個(gè)電子，此電子處于特殊的能級(jí)。滿帶空帶施主能級(jí)能帶結(jié)構(gòu)：

理論證明:摻入這種雜質(zhì)后電子處于靠近空帶下沿處的一個(gè)能級(jí)中(“施主能級(jí)”)施主能級(jí)與上空帶下能級(jí)的能級(jí)間隔稱(chēng)“施主雜質(zhì)電離能”()+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4這種雜質(zhì)可提供導(dǎo)電電子故稱(chēng)為施主雜質(zhì)滿帶空帶導(dǎo)電機(jī)制：施主能級(jí)由于較小,施主能級(jí)中的電子很容易激發(fā)到空帶而在施主能級(jí)上留下不可移動(dòng)的空穴.此稱(chēng)“雜質(zhì)激發(fā)”,當(dāng)然也存在本征激發(fā).這種雜質(zhì)可提滿帶空帶導(dǎo)電機(jī)制：施主能級(jí)由于

總之,躍入空帶中的電子數(shù)等于滿帶及施主能級(jí)中的空穴數(shù),由于施主能級(jí)中的空穴不能移動(dòng),故在常溫下,能導(dǎo)電的空穴數(shù)遠(yuǎn)小于電子數(shù),導(dǎo)電作用主要靠躍入空帶中的電子.（多數(shù)載流子）導(dǎo)電機(jī)制：故n型半導(dǎo)體又稱(chēng)電子型半導(dǎo)體這種雜質(zhì)可提供導(dǎo)電電子故稱(chēng)為施主雜質(zhì)滿帶空帶施主能級(jí)總之,躍入空帶中的電子數(shù)等于滿帶及施主導(dǎo)電機(jī)1.4態(tài)密度與費(fèi)米能級(jí)態(tài)密度在能帶中，能量E附近單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù)在量子力學(xué)中，微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱(chēng)為量子態(tài)1.4態(tài)密度與費(fèi)米能級(jí)態(tài)密度在量子力學(xué)中，微觀粒子的運(yùn)動(dòng)費(fèi)米－狄拉克統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律溫度為T(mén)（絕對(duì)溫度）的熱平衡態(tài)下，半導(dǎo)體中電子占據(jù)能量為E的量子態(tài)的幾率是k是玻爾茲曼常數(shù)，EF是一個(gè)與摻雜有關(guān)的常數(shù)，稱(chēng)為費(fèi)米能級(jí)。當(dāng)E-EF>>kT時(shí)，f（E）=0，說(shuō)明高于EF幾個(gè)kT以上的能級(jí)都是空的；而當(dāng)E-EF<<kT時(shí)，f（E）＝1，說(shuō)明低于EF幾個(gè)kT以下的能級(jí)被電子填滿。特別是在絕對(duì)零度時(shí)，E<EF的能級(jí)全被填滿，E>EF的能級(jí)全是空的,EF是電子所占據(jù)的最高量子態(tài)的能量。EF反應(yīng)了半導(dǎo)體中被電子填滿了的能級(jí)水平，費(fèi)米能級(jí)的物理意義是，該能級(jí)上的一個(gè)狀態(tài)被電子占據(jù)的幾率是1/2。費(fèi)米能級(jí)是理論上引入的虛構(gòu)的能級(jí)費(fèi)米－狄拉克統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律溫度為T(mén)（絕對(duì)溫度）的熱平衡態(tài)下，半摻雜半導(dǎo)體能帶圖N型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)在本征費(fèi)米能級(jí)上面，隨著摻雜濃度ND的增加，費(fèi)米能級(jí)更加靠近導(dǎo)帶底；p型半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)靠近價(jià)帶頂

本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)叫本征費(fèi)米能級(jí)摻雜半導(dǎo)體能帶圖N型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)在本征費(fèi)米能級(jí)上面，隨著1.5載流子的傳輸載流子輸運(yùn)類(lèi)型：漂移、擴(kuò)散和產(chǎn)生-復(fù)合載流子的擴(kuò)散由于濃度差而產(chǎn)生的，濃度高的向濃度低的方向擴(kuò)散漂移：帶電粒子在外電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)載流子熱運(yùn)動(dòng)示意圖外電場(chǎng)作用下電子的漂移運(yùn)動(dòng)1.5載流子的傳輸載流子輸運(yùn)類(lèi)型：漂移、擴(kuò)散和產(chǎn)生-復(fù)合載流子的漂移運(yùn)動(dòng)無(wú)外加電場(chǎng)作用時(shí)載流子熱運(yùn)動(dòng)是無(wú)規(guī)則的，運(yùn)動(dòng)速度各向同性，不引起宏觀遷移，從而不會(huì)產(chǎn)生電流。外加電場(chǎng)作用時(shí)載流子沿電場(chǎng)方向的速度分量比其它方向大，將會(huì)引起載流子的宏觀遷移，從而形成電流。漂移運(yùn)動(dòng)：由電場(chǎng)作用而產(chǎn)生的、沿電場(chǎng)力方向的運(yùn)動(dòng)（電子和空穴漂移運(yùn)動(dòng)方向相反）。漂移速度：定向運(yùn)動(dòng)的速度。漂移電流：載流子的漂移運(yùn)動(dòng)所引起的電流。載流子的漂移運(yùn)動(dòng)無(wú)外加電場(chǎng)作用時(shí)載流子的漂移遷移率（μ）指載流子（電子和空穴）在單位電場(chǎng)作用下的平均漂移速度，即載流子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)速度的快慢的量度，運(yùn)動(dòng)得越快，遷移率越大；運(yùn)動(dòng)得慢，遷移率小。單位是cm2／V·s平均自由時(shí)間愈長(zhǎng)，或者說(shuō)單位時(shí)間內(nèi)遭受散射的次數(shù)愈少，載流子的遷移率愈高；電子和空穴的遷移率是不同的，因?yàn)樗鼈兊钠骄杂蓵r(shí)間和有效質(zhì)量不同。載流子的漂移遷移率（μ）指載流子（電子和空穴）在單位電場(chǎng)作用Hall效應(yīng)當(dāng)有一方向與電流垂直的磁場(chǎng)作用于一有限半導(dǎo)體時(shí)，則在半導(dǎo)體的兩側(cè)產(chǎn)生一橫向電勢(shì)差，其方向同時(shí)垂直于電流和磁場(chǎng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為半導(dǎo)體的Hall效應(yīng)。測(cè)量Hall系數(shù)示意圖Hall效應(yīng)當(dāng)有一方向與電流垂直的磁場(chǎng)作用于一有限半導(dǎo)體時(shí)，Hall系數(shù)RH定義單位磁場(chǎng)作用下通過(guò)單位電流密度所產(chǎn)生的霍耳電場(chǎng)RH

與宏觀測(cè)量值間關(guān)系，d為半導(dǎo)體厚度Hall遷移率RH與電導(dǎo)率σ的乘積，即│RH│σ，具有遷移率的量綱,故特別稱(chēng)為Hall遷移率，表示為μH=│RH│σHall系數(shù)RH定義Hall系數(shù)的一般表達(dá)式大多數(shù)半導(dǎo)體，b>1對(duì)n型半導(dǎo)體，溫度不太高時(shí)，n>>p，故對(duì)p型半導(dǎo)體，溫度不太高時(shí)，p>>n，故Hall效應(yīng)的意義：①Hall系數(shù)有正負(fù)之分，且與載流子濃度有關(guān)。②通過(guò)Hall系數(shù)的測(cè)量，可以確定半導(dǎo)體的導(dǎo)電類(lèi)型及載流子濃度。證實(shí)空穴以帶電載流子方式存在的最令人信服的方法之一③RH

與T有關(guān)。Hall系數(shù)的一般表達(dá)式大多數(shù)半導(dǎo)體，b>1Hall效應(yīng)的意1.6PN結(jié)

平衡PN結(jié)

正偏

反偏

1.6PN結(jié)平衡PN結(jié)平衡PN結(jié)

空間電荷區(qū)

內(nèi)建電場(chǎng)

W0=Wp+Wn是空間電荷區(qū)的總寬度

qV0＝EFN－EFPV0和PN結(jié)兩邊的摻雜濃度（ND，NA），溫度（T），材料（ni）有關(guān)。溫度T一定時(shí)，ND，NA愈大，V0愈大；材料禁帶寬度愈大，ni愈小，V0也愈大

平衡PN結(jié)特性空間電荷區(qū)中性N區(qū)中性P區(qū)(a)(b)(c)-Wpρ平衡PN結(jié)空間電荷區(qū)平衡PN結(jié)特性空間電荷區(qū)中性N區(qū)正偏當(dāng)P區(qū)接電源的正極，N區(qū)接負(fù)時(shí)，外加偏壓V基本上降落在勢(shì)壘區(qū)，在勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生外加電場(chǎng)

PN結(jié)的正向電流是由注入的非平衡少子引起的空穴穿過(guò)P區(qū)時(shí)是多子電流，經(jīng)過(guò)勢(shì)壘區(qū)進(jìn)入N區(qū)成為非平衡少子，它邊擴(kuò)散邊復(fù)合，最后消失。少子被多子復(fù)合并非電流的中斷，因?yàn)榕c少子復(fù)合的多子是從N區(qū)過(guò)來(lái)的多子，它們的復(fù)合正好實(shí)現(xiàn)了少子電流到多子電流的轉(zhuǎn)換

-Wp少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流總電流多數(shù)載流子的擴(kuò)散電流N區(qū)P區(qū)正偏當(dāng)P區(qū)接電源的正極，N區(qū)接負(fù)時(shí)，外加偏壓V基本上降落在勢(shì)反偏加反偏電壓V＝-Vr時(shí)，外加電場(chǎng)方向與內(nèi)建電場(chǎng)方向相同，增強(qiáng)了勢(shì)壘區(qū)中的電場(chǎng)強(qiáng)度，勢(shì)壘區(qū)加寬，勢(shì)壘高度由qV0增加為q（V0+Vr）。勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)的增強(qiáng)，打破了原有的擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)之間的平衡，漂移運(yùn)動(dòng)超過(guò)了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。這時(shí)N區(qū)中空穴一旦到達(dá)勢(shì)壘區(qū)邊界x=Wn處就要被電場(chǎng)掃向P區(qū)，P區(qū)中的電子一旦到達(dá)勢(shì)壘邊界x=Wp，也要被電場(chǎng)掃向N區(qū)。由于在勢(shì)壘邊界，少子濃度很小，若Vr>25mv＝kT/e，pn0幾乎為0，而勢(shì)壘區(qū)中空穴濃度為平衡載流子濃度。在勢(shì)壘區(qū)以外的少子要向勢(shì)壘區(qū)擴(kuò)散，擴(kuò)散進(jìn)來(lái)的少子一旦到達(dá)勢(shì)壘區(qū)邊界，就被電場(chǎng)掃向?qū)Ψ?，它們?gòu)成了PN結(jié)的反向電流。反偏加反偏電壓V＝-Vr時(shí)，外加電場(chǎng)方向與內(nèi)建電場(chǎng)方向相同，正偏

與反偏

PN結(jié)能帶圖（a）開(kāi)路，(b)正偏，(c)反偏，(d)反偏電流I非常小熱產(chǎn)生正偏

與反偏PN結(jié)能帶圖（a）開(kāi)路，(b)正偏，(c)1.7金屬—半導(dǎo)體接觸1.7金屬—半導(dǎo)體接觸上式表示一個(gè)起始能量等于費(fèi)米能級(jí)的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小值。金屬中的電子勢(shì)阱(EF)m

越大,金屬對(duì)電子的束縛越強(qiáng)金屬功函數(shù)的定義:真空中靜止電子的能量E0

與金屬的EF

能量之差上式表示一個(gè)起始能量等于費(fèi)米能級(jí)的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空半導(dǎo)體功函數(shù)的定義:真空中靜止電子的能量E0

與半導(dǎo)體的EF

能量之差，即E0ECEFEV電子的親合能半導(dǎo)體功函數(shù)的定義:真空中靜止電子的能量E0與半導(dǎo)體Ev接觸前半導(dǎo)體的功函數(shù)又寫(xiě)為Ev接觸前半導(dǎo)體的功函數(shù)又寫(xiě)為半導(dǎo)體一邊的勢(shì)壘高度金屬一邊的勢(shì)壘高度忽略接觸間隙qVD半導(dǎo)體一邊的勢(shì)壘高度金屬一邊的勢(shì)壘高度忽略接觸間隙qVD半導(dǎo)體表面形成一個(gè)正的空間電荷區(qū)電場(chǎng)方向由體內(nèi)指向表面半導(dǎo)體表面電子的能量高于體內(nèi)的，能帶向上彎曲，即形成表面勢(shì)壘當(dāng)金屬與n型半導(dǎo)體接觸在勢(shì)壘區(qū)中，空間電荷主要由電離施主形成，電子濃度要比體內(nèi)小得多，因此它是一個(gè)高阻的區(qū)域，常稱(chēng)為阻擋層。半導(dǎo)體表面形成一個(gè)正的空間電荷區(qū)當(dāng)金屬與n型半導(dǎo)體接觸在勢(shì)壘當(dāng)金屬與n型半導(dǎo)體接觸半導(dǎo)體表面形成一個(gè)負(fù)的空間電荷區(qū)電場(chǎng)方向由表面指向體內(nèi)半導(dǎo)體表面電子的能量低于體內(nèi)的，能帶向下彎曲在空間電荷區(qū)中，電子濃度要比體內(nèi)大得多，因此它是一個(gè)高電導(dǎo)的區(qū)域，稱(chēng)為反阻擋層。反阻擋層薄,高電導(dǎo),對(duì)接觸電阻影響小EcEvEF-Φm當(dāng)金屬與n型半導(dǎo)體接觸半導(dǎo)體表面形成一個(gè)負(fù)的空間電荷區(qū)在空間隧道效應(yīng)：重?fù)诫s的半導(dǎo)體與金屬接觸時(shí)，則勢(shì)壘寬度變得很薄，電子通過(guò)隧道效應(yīng)貫穿勢(shì)壘產(chǎn)生大隧道電流，甚至超過(guò)熱電子發(fā)射電流而成為電流的主要成分，即可形成接近理想的歐姆接觸。實(shí)際的歐姆接觸隧道效應(yīng)：重?fù)诫s的半導(dǎo)體與金屬接觸時(shí)，則勢(shì)壘寬度變得很薄，電1.8MOSFET

--場(chǎng)效應(yīng)理論1.8.1MOS結(jié)構(gòu)1.理想MOS結(jié)構(gòu)（1）金屬柵足夠厚,是等勢(shì)體（2）氧化層是完美的絕緣體無(wú)電流流過(guò)氧化層（3）在氧化層中或氧化層-半導(dǎo)體界面沒(méi)有電荷中心（4）半導(dǎo)體均勻摻雜（5）半導(dǎo)體足夠厚，無(wú)論VG多大，總有零電場(chǎng)區(qū)域（6）半導(dǎo)體與器件背面金屬之間處于歐姆接觸（7）MOS電容是一維結(jié)構(gòu)，所有變量?jī)H是x的函數(shù)（8）M=S=+(EC-EF)FB金屬-氧化物-半導(dǎo)體電容柵背接觸或襯底接觸0.01~1.0m1.8MOSFET

零偏壓VG<0（以P-Si襯底為例）由分立能帶圖得到MOS能帶圖包括兩個(gè)步驟；（a）將M和S放到一起相距為x0，達(dá)到平衡時(shí)，M和S的費(fèi)米能級(jí)必須持平；因假設(shè)m=S真空能級(jí)也必須對(duì)準(zhǔn)。（在M-空隙-S系統(tǒng)的任何地方都沒(méi)有電荷和電場(chǎng)）（b)將厚度為x0的絕緣體插入M與S之間的空隙。零偏壓VG<0（以P-Si襯底為例）由分立能帶圖得到MOS能

理想p型MOS在不同偏置下的能帶圖和電荷塊圖理想p型MOS在不同偏置下的能帶圖和電荷塊圖特殊偏置區(qū)域VG<0,在O-S界面附近的空穴濃度大于半導(dǎo)體體內(nèi)的濃度，稱(chēng)為“積累”。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)。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，增加到ns=NA,VG=VTH時(shí)，表面不再耗盡VG>VTH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”。特殊偏置區(qū)域VG<0,在O-S界面附近的空穴濃度大于半導(dǎo)體N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)1.8.2（增強(qiáng)型）MOS場(chǎng)效應(yīng)管漏極D源極S柵極G襯底B電極—金屬絕緣層—氧化物基體—半導(dǎo)體因此稱(chēng)之為MOS管N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)1.8.2（增強(qiáng)型）MOS

當(dāng)VGS較小時(shí)，雖然在P型襯底表面形成一層耗盡層，但負(fù)離子不能導(dǎo)電。當(dāng)VGS=VTH時(shí),在P型襯底表面形成一層電子層，形成N型導(dǎo)電溝道，在VDS的作用下形成ID。VDSID++--++--++++----VGS反型層

當(dāng)VGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，無(wú)論UDS之間加上電壓不會(huì)在D、S間形成電流ID,即ID≈0.

當(dāng)VGS>VTH時(shí),溝道加厚，溝道電阻減少，在相同VDS的作用下，ID將進(jìn)一步增加開(kāi)始無(wú)導(dǎo)電溝道，當(dāng)在VGSVTH時(shí)才形成溝道,這種類(lèi)型的管子稱(chēng)為增強(qiáng)型MOS管1.8.3

MOSFET工作原理的定性分析VDSID++--++--++++----VGVT

VGS/VID/mAO（1）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(méi)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95

N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線VTVGS/