第6章 MOSFET及相關(guān)器件02.ppt

1、第6章 MOSFET及相關(guān)器件,半導(dǎo)體器件物理,Semiconductor Physics and Devices,第6章 MOSFET及相關(guān)器件,1,金屬-SiO2-Si被廣泛研究。SiO2-Si系統(tǒng)電特性近似于理想MOS二極管。但一般qms0，且在氧化層內(nèi)或SiO2-Si界面處存在不同電荷，將以各種方式影響理想MOS特性。,一、功函數(shù)差 對(duì)于一有固定qm的金屬，其與半導(dǎo)體功函數(shù)qs的差qms=q(m-s)會(huì)隨半導(dǎo)體摻雜濃度而改變，如右圖。 隨電極材料與硅襯底摻雜濃度的不同，ms可能會(huì)有超過(guò)2V的變化。,6.1.2 SiO2-Si MOS二極管,第6章 MOSFET及相關(guān)器件,2,考慮一在獨(dú)

2、立金屬與獨(dú)立半導(dǎo)體間的氧化層夾心結(jié)構(gòu)，如圖(a)。 獨(dú)立狀態(tài)下，所有能帶均保持水平，即平帶狀況。當(dāng)三者結(jié)合，熱平衡狀態(tài)下，費(fèi)米能級(jí)必為定值，且真空能級(jí)必為連續(xù)，為調(diào)節(jié)功函數(shù)差，半導(dǎo)體能帶需向下彎曲，如圖(b)。,熱平衡，金屬含正電荷，而半導(dǎo)體表面為負(fù)電荷。為達(dá)到平帶狀況，需外加一相當(dāng)于功函數(shù)差qms的電壓，對(duì)應(yīng)圖(a)；此處在金屬外加的負(fù)電壓VFB=ms，稱為平帶電壓。,第6章 MOSFET及相關(guān)器件,3,MOSFET有許多種縮寫形式，如IGFET、MISFET、MOST等。n溝道MOSFET的透視圖如圖所示，四端點(diǎn)器件。,氧化層上方金屬為柵極，高摻雜或結(jié)合金屬硅化物的多晶硅可作柵極，第四個(gè)端

3、點(diǎn)為一連接至襯底的歐姆接觸。 基本的器件參數(shù)：溝道長(zhǎng)度L（為兩個(gè)n+-p冶金結(jié)之間的距離）、溝道寬度Z、氧化層厚度d、結(jié)深度rj以及襯底摻雜濃度NA。,6.2 MOSFET基本原理,器件中央部分即為MOS二極管,第6章 MOSFET及相關(guān)器件,4,MOSFET中源極為電壓參考點(diǎn)。當(dāng)柵極無(wú)外加偏壓時(shí)，源、漏電極間可視為兩個(gè)背對(duì)背相接的p-n結(jié)，而由源極流向漏極的電流只有反向漏電流。,6.2.1 基本特性,外加一足夠大正電壓于柵極，MOS結(jié)構(gòu)將被反型，兩個(gè)n+區(qū)間形成表面反型層（溝道）。源、漏極通過(guò)這一n型溝道連接，允許大電流流過(guò)。溝道電導(dǎo)可通過(guò)柵極電壓來(lái)調(diào)節(jié)。襯底可連接至參考電壓或相對(duì)于源極的反

4、向偏壓，襯底偏壓亦會(huì)影響溝道電導(dǎo)。,第6章 MOSFET及相關(guān)器件,5,當(dāng)柵極上施加一偏壓，并在半導(dǎo)體表面產(chǎn)生強(qiáng)反型。若在漏極加一小量電壓，電子將會(huì)由源極經(jīng)溝道流向漏極（電流流向相反）。因此，溝道的作用就如同電阻一般，漏極電流ID與漏極電壓成比例，如圖(a)右側(cè)直線所示的線性區(qū)。,第6章 MOSFET及相關(guān)器件,6,半導(dǎo)體表面強(qiáng)反型形成導(dǎo)電溝道時(shí)，溝道呈電阻特性，當(dāng)漏-源電流通過(guò)溝道電阻時(shí)將在其上產(chǎn)生電壓降。 忽略其它電阻，漏端相當(dāng)于源端的溝道電壓降就等于VDS。 溝道存在壓降，柵絕緣層上有效壓降從源端到漏端逐漸減小。 當(dāng)漏極電壓持續(xù)增加，直到達(dá)到VDsat，靠近y=L處的反型層厚度xi0，此

5、處稱為夾斷點(diǎn)P，如圖(b)。,VDsat稱為飽和電壓。,第6章 MOSFET及相關(guān)器件,7,溝道被夾斷后，若VG不變，則當(dāng)VDS持續(xù)增加時(shí)，VDS-VDsat降落在漏端附近的夾斷區(qū)，夾斷區(qū)隨VDS的增大而展寬，夾斷點(diǎn)P隨之向源端移動(dòng)。 P點(diǎn)電壓保持VDsat，反型層內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)而反型載流子數(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。 載流子漂移到P點(diǎn)，被夾斷區(qū)的強(qiáng)電場(chǎng)掃入漏區(qū)，形成漏源電流，該電流不隨VDS變化（達(dá)到飽和）。此為飽和區(qū)，如圖(c)。 VDS過(guò)大，漏端p-n結(jié)會(huì)發(fā)生反向擊穿。,第6章 MOSFET及相關(guān)器件,8,6.2.2 MOSFET的種類,第6章 MOSFET及相關(guān)器件,9,課堂小結(jié),理想M