半导体物理器件Chapter6.pptx
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1、MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管引言引言1960年年Kahng和和Alalla应用热氧化硅结构制造出第一只应用热氧化硅结构制造出第一只MOSFET。Lilienfeld和和Heil于于1930年代初就提出了表面场效应晶体管原理年代初就提出了表面场效应晶体管原理。1940年代末年代末Shockley和和Pearson进行了深入研究进行了深入研究。MOSFET是大规模集成电路中的主流器件是大规模集成电路中的主流器件。其它叫法:绝缘栅场效应晶体管(其它叫法:绝缘栅场效应晶体管(IGFET)、金属绝缘体半导体场)、金属绝缘体半导体场效应晶体管(效应晶体管(MISFET)、金属氧化物半导体晶体管()
2、、金属氧化物半导体晶体管(MOST)等)等。MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.16.1理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区6.1.16.1.1 半导体表面空间电荷区半导体表面空间电荷区1 1、理想、理想MOSMOS结构基于以下假设结构基于以下假设(1 1)在氧化物中或在氧化物和半导体之间的界面上不存在电荷。)在氧化物中或在氧化物和半导体之间的界面上不存在电荷。(2 2)金属和半导体之间的功函数差为零,如绘于图)金属和半导体之间的功函数差为零,如绘于图6-2b6-2b中的情形。中的情形。由于假设(由于假设(1 1)、()、(2 2),在无偏压时半导体能带是平直的。)
3、,在无偏压时半导体能带是平直的。(3 3)SiOSiO2 2层是良好的绝缘体,能阻挡直流电流流过。因此,即使有外层是良好的绝缘体,能阻挡直流电流流过。因此,即使有外加电压,表面空间电荷区也处于热平衡状态,这使得整个表面空间电荷加电压,表面空间电荷区也处于热平衡状态,这使得整个表面空间电荷区中费米能级为常数。区中费米能级为常数。这些假设在以后将被取消而接近实际的这些假设在以后将被取消而接近实际的MOSMOS结构。结构。MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.16.1理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区2 2、半导体表面空间电荷区、半导体表面空间电荷区 每个极板上的感应电荷
4、与电场之间满足如下关系每个极板上的感应电荷与电场之间满足如下关系式中式中自由空间的电容率自由空间的电容率氧化物的介电常数氧化物的介电常数半导体表面的电场半导体表面的电场氧化层中的电场氧化层中的电场半导体介电常数半导体介电常数外加电压外加电压 为跨越氧化层的电压为跨越氧化层的电压 和表面势和表面势 所分摊:所分摊:(6-16-1)(6-26-2)MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.16.1理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区图图6-3 加上电压加上电压 时时MOSMOS结构内的电位分布结构内的电位分布 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.16.1理想理想MOSMO
5、S结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区6.1.26.1.2 载流子的积累、耗尽和反型载流子的积累、耗尽和反型1 1、载流子的积累、载流子的积累(负电压负电压)紧靠硅表面的多数载流子浓度大于体内热平衡多数载流子浓度时,称紧靠硅表面的多数载流子浓度大于体内热平衡多数载流子浓度时,称为载流子积累为载流子积累现象现象。单位面积下的空间电荷:单位面积下的空间电荷:空间电荷区在半导体内部的边界亦即空间电荷区宽度空间电荷区在半导体内部的边界亦即空间电荷区宽度MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.16.1理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区1 1、载流子的积累、载流子的积累图图6
6、-4 6-4 几种偏压情况的能带和电荷分布几种偏压情况的能带和电荷分布(a a),(b b)小的)小的 ,(c c)大的)大的MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.16.1理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区2 2、载流子的耗尽(正电压)、载流子的耗尽(正电压)单位面积下的总电荷为:单位面积下的总电荷为:耗尽层宽度耗尽层宽度3 3、载流子的反型、载流子的反型载流子类型发生变化的现象或者说半导体的导电类型发生变化的现象载流子类型发生变化的现象或者说半导体的导电类型发生变化的现象MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.16.1理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的
7、表面空间电荷区6.1.36.1.3 反型和强反型条件反型和强反型条件反型条件:反型条件:强反型条件:强反型条件:出现强反型时的表面势出现强反型时的表面势(6-176-17)(6-186-18)表面势等于体内费米势时,半导体表面开始发生反型。表面势等于体内费米势时,半导体表面开始发生反型。当表面电子浓度等于体内平衡多子空穴浓度时,半导体表面形当表面电子浓度等于体内平衡多子空穴浓度时,半导体表面形成强反型层。成强反型层。MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.16.1理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区6.1.36.1.3 反型和强反型条件反型和强反型条件图图6-5 6-5
8、 强反型时的能带图强反型时的能带图 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.16.1理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区6.1.36.1.3 反型和强反型条件反型和强反型条件得到强反型时相应的感生得到强反型时相应的感生PNPN结耗尽层宽度为:结耗尽层宽度为:(6-196-19)(6-206-20)(6-216-21)(6-526-52)电离受主:电离受主:总表面空间电荷:总表面空间电荷:反型层中单位面积下的可动电荷,即沟道电荷:反型层中单位面积下的可动电荷,即沟道电荷:MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 学习要求学习要求了解理想结构基本假设及其意义了解理想结构基本假设
9、及其意义。6.16.1理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区掌握载流子积累、耗尽和反型和强反型的概念。掌握载流子积累、耗尽和反型和强反型的概念。正确画出流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况的能带图。正确画出流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况的能带图。掌握反型和强反型条件。掌握反型和强反型条件。MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器电容器一、一、MOSMOS系统的电容系统的电容MOSMOS系统的电容效应,微分电容:系统的电容效应,微分电容:(6-226-22)1 1、MOSMOS电容定义电容定义微分电容微分电容C C与外加偏压与外加
10、偏压 的关系称为的关系称为MOSMOS系统的电容系统的电容电压特性。电压特性。(6-236-23)MOSMOS电容有氧化层电容和半导体表面空间电荷区电容串联而成。电容有氧化层电容和半导体表面空间电荷区电容串联而成。2 2、绝缘层单位面积电容、绝缘层单位面积电容(6-296-29)MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器电容器3 3、导体表面空间电荷区单位面积电容、导体表面空间电荷区单位面积电容(6-256-25)4 4、归一化电容、归一化电容(6-266-26)(6-286-28)MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容
11、器电容器二、二、MOSMOS的的C-VC-V特性特性电容随偏压的变化电容随偏压的变化图图6-7 P6-7 P型半导体型半导体MOSMOS的的C-VC-V特性特性 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器电容器1 1、积累区(、积累区()MOSMOS系统的电容系统的电容C C基本上等于绝缘体电容基本上等于绝缘体电容 。当负偏压的数值逐渐减少时,空间电荷区积累。当负偏压的数值逐渐减少时,空间电荷区积累的空穴数随之减少,并且的空穴数随之减少,并且 随随 的变化也逐渐减慢,的变化也逐渐减慢,变小。总电容变小。总电容C C也就变小。也就变小。2 2、平带情况(、平带
12、情况()(6-406-40)由掺杂浓度和氧化层厚度确定由掺杂浓度和氧化层厚度确定MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器电容器3 3、耗尽区(、耗尽区()(6-436-43)(6-426-42)氧化层电容氧化层电容 ,代入(,代入(6-26-2)式中有)式中有(6-446-44)(6-56-5)(6-66-6)把(把(6-46-4)()(6-56-5)代入()代入(6-446-44)式解出)式解出MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器电容器(6-456-45)(6-466-46)归一化电容归一化电容 随着外加偏压随着
13、外加偏压 的增加而减小的增加而减小4 4、反型区(、反型区()(6-476-47)MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器电容器 学习要求学习要求掌握理想系统的电容掌握理想系统的电容电压特性,对图电压特性,对图6.76.7作出正确分析作出正确分析。导出公式(导出公式(6 64545)、()、(6-466-46)。MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.3 6.3 沟道电导与阈值电压沟道电导与阈值电压1 1、沟道电导、沟道电导在在MOSMOS晶体管的栅电极上加一足够大的正电压,栅电极下面半导体的表晶体管的栅电极上加一足够大的正电压,栅电极下面半导体的表面出现
14、一层反型层,该反型层在源和漏之间提供了一条导电通道,称之面出现一层反型层,该反型层在源和漏之间提供了一条导电通道,称之为为沟道沟道。沟道电导:沟道电导:(6-516-51)式中式中 为沟道中的电子浓度。为沟道中的电子浓度。为沟道宽度。为沟道宽度。(6-526-52)即为反型层中单位面积下的总的电子电荷。即为反型层中单位面积下的总的电子电荷。沟道电导为沟道电导为(6-536-53)MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.3 6.3 沟道电导与阈值电压沟道电导与阈值电压2 2、阈值电压、阈值电压第二项表示要用一部分电压为半导体表面提供达到强反型时所需要的第二项表示要用一部分电压为半导体表面提供达到
15、强反型时所需要的表面势表面势 。第一项表示在形成强反型时,要用一部分电压去支撑空间电荷第一项表示在形成强反型时,要用一部分电压去支撑空间电荷 ;定义为形成强反型所需要的最小栅电压定义为形成强反型所需要的最小栅电压 。当出现强反型时当出现强反型时(6-56-54 4)(6-56-55 5)沟道电荷受到偏压沟道电荷受到偏压 控制,这正是控制,这正是MOSFETMOSFET工作的基础。工作的基础。阈值电压:阈值电压:MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.3 6.3 沟道电导与阈值电压沟道电导与阈值电压 学习要求学习要求掌握概念:沟道电导、阈值电压。掌握概念:沟道电导、阈值电压。导出沟道电导公式(导
16、出沟道电导公式(6-536-53)。)。导出阈值电压公式(导出阈值电压公式(6-546-54)。)。说明阈值电压的物理意义。说明阈值电压的物理意义。MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容电压特性的电容电压特性6.4.1 6.4.1 功函数差的影响功函数差的影响MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容电压特性的电容电压特性6.4.1 6.4.1 功函数差的影响功函数差的影响以铝电极和以铝电极和P P型硅衬底为例。铝的功函数比型硅衬底为例。铝的功函数比P P型硅的小,前者的费米能型硅的小,前者的费米能级比后者的高。接触前
17、,功函数差:级比后者的高。接触前,功函数差:由于功函数的不同,铝由于功函数的不同,铝二氧化硅二氧化硅P P型硅型硅MOSMOS系统在没有外加偏压的时候,在半导体表面就存在表面势系统在没有外加偏压的时候,在半导体表面就存在表面势 。因此,欲使能带平直,即除去功函数差所带来的影响,就必须在金属。因此,欲使能带平直,即除去功函数差所带来的影响,就必须在金属电极上加一负电压。电极上加一负电压。(6-566-56)这个电压一部分用来拉平二氧化硅的能带,一部分用来拉平半导体的能这个电压一部分用来拉平二氧化硅的能带,一部分用来拉平半导体的能带,使带,使 。因此称其为平带电压。因此称其为平带电压。MOSMOS
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