第-7-章-MOS-结构及-MOSFET-器件课件.pptx

1、第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件7. 1 理想理想 MOS 结结构构7. 2 MOSFET 基基础础习习题题第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件MOS 结构是当今微电子技术的核心结构。 MOS 结构指的是金属 ( Metal )、氧化物( Oxide )二氧化硅和半导体(Semiconductor )硅构成的系统，更广义的说法是金属( Metal )绝缘体(Insulator )半导体( Semiconductor )结构，即 MIS 结构。其中用到的绝缘体不一定是二氧化硅。半导体也不一定是硅。由于 MIS 结构和 MOS

2、结构较为相似，在本章中将主要分析讨论 MOS 结构。MOS 结构也是金属 半导体 氧化物场效应晶体管( MOSFET )的核心，在本章中将主要讨论 MOS 结构的能带图，定性描述在静态偏置下 MOS 结构的电荷、电场和电容，并讨论MOS 结构的电容 电压特性。在此基础上讨论 MOSFET 的工作机理和直流特性。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件7. 1 理想理想 MOS 结构结构在这一节中将讨论理想 MOS 结构的情况。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件7. 1. 1 MOS 结构的构成结构的构成MOS 结构由三部分组成，即由氧化层、氧化层隔开的金属和半导体衬底三者共同

3、组成。金属通常可以选用铝或者其他金属，还可以是具有高电导的多晶硅。对于这种结构，通常以理想 MOS 结构作为对象来讨论，如果满足以下条件，则被称为理想的 MOS 结构:(1 )氧化层是非常理想的绝缘层，该层内没有任何电荷且完全不导电;(2 )金属和半导体之间不存在功函数差;(3 )半导体本身均匀掺杂且足够厚。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件上述理想 MOS 结构的假设很接近实际 MOS 结构，其结构如图 7.1 所示。这种假设是为了在刚开始讨论这种结构时能最简单地处理问题，后面将根据实际 MOS 结构的情况对理想MOS 结构进行逐一修正，使理论分析的结果尽可能与实际相符。第 7

4、章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.1 MOS 结构第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件7. 1. 2 热平衡时的热平衡时的 MOS 结构结构在描述半导体器件的性能时，能带图是不可缺少的。为了和 MOS 结构外加偏压时的状态相比较，先画出组成 MOS 结构的三部分在未加偏压时各个部分的能带图，如图 7.2 ( a )所示。图 7.2 ( b )为热平衡时 MOS 结构的能带图。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.2 MOS 结构不加电压时的能带图第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件假设这三种物质具有共同的真空能级 E 0 ，从图 7.2 ( a

5、)中可以看出，半导体和绝缘体能带的差异与前面的讨论一致，绝缘体的禁带宽度要比半导体大得多。按照理想 PN 结的假设，MOS 结构中的金属和半导体的功函数相等，绝缘体的费米能级位置也与金属和半导体相同，如图 7.2 ( a )所示。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件7. 1. 3 外加偏压时的外加偏压时的 MOS 结构结构由于 MOS 结构实际上就是一个电容，因此当其两端加上电压后，相当于金属和半导体的两个面上被充电，两边所带的电荷数量相等，电荷符号相反，保证器件中的电荷总和为零。但是这些电荷在两边的分布差别较大，由于金属这边电子密度很高，因此电荷只分布在靠近表面约为一个原子层的厚度

6、范围内;对于半导体这边，载流子密度和金属相比要低很多，电荷只能分布在一定厚度的表面层内。通常把在半导体一侧有电荷存在的区域称为空间电荷区。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件从半导体表面开始的空间电荷区内存在电场，到空间电荷区的另一端，电场强度减小为零。由于存在电场，在空间电荷区内还存在电势的变化，并导致电势能在空间电荷区内逐点变化，导致了能带的弯曲。下面针对一种具体的 MOS 结构分析它在不同的外加偏压下空间电荷区内的具体变化情况。假设所讨论的是一个由 P 型半导体构成的 MOS 结构，分以下三种情况分别讨论。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件1. 多数载流子堆积状态多

7、数载流子堆积状态当半导体一侧接正，金属一侧接负时， P 型衬底 MOS 结构多数载流子堆积状态如图 7.3(a )所示。类似电容器的充电过程，负电荷将出现在金属一侧，正电荷半导体一侧出现，半导体的空间电荷区内出现电场。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.3 P 型衬底 MOS 结构多数载流子堆积状态第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件从图 7.3 ( b )中可以看出，由于电场的方向是由半导体体内指向半导体表面。沿着电场的方向是电势减小的方向，乘以电子电量 - e ，就是电子电势能增加的方向。故表面处能带向上弯，而费米能级位置始终没有弯曲，保持平直，因此越向表面靠近

8、，费米能级 E Fi 和价带顶E v 之间的距离越近，根据载流子浓度的计算公式，空穴的浓度也越大。在这种状态下，越靠近半导体表面的地方有越多的空穴分布，称为多数载流子堆积的状态，堆积的空穴主要分布在靠近表面的薄层内。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件2. 多数载流子耗尽状态多数载流子耗尽状态当金属一侧接正，半导体一侧接负时， P 型衬底 MOS 结构多数载流子堆积状态如图 7.4(a )所示。此时类似电容器的充电过程，正电荷出现在金属一侧，负电荷出现在半导体一侧，产生电场的方向也与图 7.3 ( a )恰好相反。相应的空间电荷区的能带弯曲也与图 7. 3 ( b )相反，能带向下弯

9、。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件从图 7.4 ( b )可以看出，由于能带向下弯，同样费米能级的位置始终没有弯曲，保持平直，因此越向表面靠近，费米能级 E F 和价带顶 E v 之间的距离越远，按照空穴浓度的计算公式，靠近表面附近的空穴浓度很小，比体内的空穴浓度小得多。这种情况近似为表面附近的多数载流子几乎为零，因此也把这种状态称为多数载流子耗尽状态。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.4 P 型衬底 MOS 结构多数载流子耗尽状态第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件3. 少数载流子反型状态少数载流子反型状态对 MOS 结构仍然保持金属一侧接正，半导

10、体一侧接负，并对金属施加更大的正电压，此时两侧的正负电荷量增加及空间电荷区内存在的电场增强。对应空间电荷区的宽度更宽，能带弯曲量更大。如图 7.5 所示，由于半导体表面处的能带进一步向下弯曲，可能出现表面处费米能级位置高于本征费米能级位置的情况，说明此时导带比价带更接近费米能级，费米能级位于禁带的上半部分，也就是说在靠近表面的半导体附近呈现出了 N 型半导体的特征。这种状态称为少数载流子反型状态，反型的意思是在半导体表面形成一层与半导体衬底导电类型相反的一层，可以把这一层称为反型层。从图 7.5 中可以看出反型层位于近表面处，从反型层到半导体内部还有一层耗尽层。第 7 章 MOS 结构及 MO

11、SFET 器件图 7.5 P 型衬底 MOS 结构加较大正电压的能带图第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件以上讲解的 MOS 结构中使用的是 P 型半导体作为衬底。对于用 N 型半导体作为衬底的MOS 结构，也可以按照类似的方法画出它在三种情况下的能带图。图 7.6 为 N 型衬底 MOS 结构加两种电压时的示意图，图中表示出了电荷的分布和电场方向。图 7.7 ( a )、( b )和( c )分别为 N 型衬底 MOS 结构在多数载流子堆积状态、多数载流子耗尽状态和少数载流子反型状态下的能带图。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.6 N 型衬底 MOS 结构加正、

12、负电压时的示意图第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.7 N 型衬底 MOS 结构的能带图第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件对于 P 型衬底的 MOS 结构，因为电荷在金属一侧只分布在靠近表面几埃的范围内，求解 MOS 结构的电势等变量时，可以只针对 MOS 结构中的半导体部分求解即可。为了表述方便起见，用 ? (x )表示半导体中 x 处的电势值，取 x 轴垂直半导体表面而指向半导体内部，取表面处为 x 轴的原点。定义半导体内部的空间电荷区边界处为电势零点，即 x = W ( W 为空间电荷区宽度)处电势为零。只有在有电场的区域有能带弯曲，电势 ? ( x )不为

13、零。对于半导体的表面，即 x =0 处的电势定义为 ? s ，称为表面势。表面势是半导体体内的 E Fi 与表面的E Fi 的差值，如图 7. 8 所示。表面势也是 MOS 结构空间电荷区的电势差。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.8 P 型衬底 MOS 结构 ? s 和 ?Fp的定义第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件由图 7.8 可得由前面的知识可知，?Fp与 P 型半导体的掺杂浓度有关，有第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件对于 P 型衬底的 MOS 结构来说，?Fp0 ，如果 MOS 结构处于多数载流子积累，则 ? s 0 时是反型或耗尽。为了找

14、到耗尽和反型的临界状态，定义了一个耗尽 反型临界点，如图 7.9 所示。从图中可以看出，当 ? s =2 ?Fp时，表面处的费米能级远在本征费米能级之上。这样的能级关系说明，此时表面处反型后的多子(即电子)浓度等于体内的多子(即空穴)浓度，这就是耗尽 反型临界点，对应此时 MOS 结构外加的电压称为阈值电压。当 MOS 结构外加的电压大于阈值电压时，其处于少子反型状态。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.9 P 型衬底 MOS 结构的耗尽 反型临界点的能带图第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件对于 P 型衬底的 MOS 结构的多数载流子耗尽状态，与 PN 结的求解类

15、似，采用泊松方程可以得到 MOS 结构中半导体一侧的电场、电势及空间电荷区宽度等参数的值。采用耗尽近似，有第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件在确定式(7. 5 )中的 C 时，利用 x = W 处电场为零，其中 W 表示 MOS 结构中空间电荷区的宽度，有第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件对式( 7. 6 )进行二次积分，并利用 x = W 处电势为零的条件，得到由前面的定义可知在半导体表面， x =0 处的电势为 ? s ，故在式(7. 7 )中令 x =0 得到的就是表面势 ? s 的表达式，有第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件变换后得到空间电荷区宽度的

16、表达式为前面讨论的耗尽 反型临界点是 MOS 结构所能达到的最大耗尽区宽度，此时的耗尽区宽度为反型层中积累的电子屏蔽了外电场的作用，耗尽层的宽度达到最大第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件类似地，对于 N 型衬底的 MOS 结构，其最大耗尽层宽度为第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件7. 1. 4 理想理想 MOS 结构的电容结构的电容 电压特性电压特性由于在 MOS 结构中存在氧化层，因此没有直流电流， MOS 结构中最常用的特性就是电容 电压特性。与 PN 结的电容的定义类似， MOS 结构的电容定义为本节先讨论在理想 MOS 结构上加一偏压时，计算外加偏压变化时器件的

17、电容 电压特性，然后再讨论一些实际 MOS 结构中的因素对器件的电容 电压特性的影响。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件 MOS 电容有三种工作状态：多子堆积、多子耗尽和少子反型。 P 型衬底的 MOS 电容在加负电压时为多子空穴堆积状态。一个小的电压变化对应引起的 MOS 结构中金属层和空穴堆积层中的电荷变化如图 7.10 所示。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.10 多子堆积下外加电压变化时微分电荷分布示意图第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件从图 7.10 可以看出，一个小的微分电压改变将导致金属一侧和空穴堆积电荷的微分量发生变化，因为这种电荷的

18、微分变化发生在氧化层的两边，类似于平行板电容器。因此多子堆积时 MOS 结构的单位面积电容就是氧化层电容，即式中， tox 为氧化层的宽度。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.11 多子耗尽时外加电压变化时的微分电荷分布第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.12 MOS 结构的等效电路第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件串联总电容随着空间电荷区宽度的增加而减小。当 P 型衬底的 MOS 电容施加的正电压足够大时，达到耗尽 反型临界点，此时空间电荷区宽度不变。若反型层内的电荷能跟得上 MOS 电容所加电压的

19、变化，从图 7.13 中可以看出，这时的 MOS 结构的总电容就是氧化层电容。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.13 少子反型时外加电压变化时的微分电荷分布第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件综合前面的讨论结果，在多子堆积的情况下， MOS 电容的电容值近似为氧化物的电容C ox ，此时从半导体内部到表面是导通的，半导体的作用像一个导体，正负电荷聚集在氧化物两边，所以 MOS 结构的总电容就等于氧化物的电容 C ox 。随着外加电压由负变正， MOS 结构变为耗尽状态，半导体耗尽层的电容依赖于外加电压， MOS 结构的总电容看做是由氧化层电容和耗尽层电容串联组成的

20、，电容值下降。随着外加正电压数值的增加， MOS 结构达到反型状态，大量电子聚集在半导体表面，相当于绝缘层两边堆积着电荷， MOS 结构的总电容又近似等于绝缘层电容。理想 MOS 结构的整个 CU 特性曲线如图 7.14 中实线所示。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.14 理想 MOS 结构的电容 电压特性曲线第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件当外加信号频率较高时，反型层中电子的产生跟不上外加信号的变化，也就是说反型层中的电子数量不能随着外加高频信号的变化而变化，此时不存在图 7.13 所示的电荷分布，反型层中存在的电子对电容没有贡献，电荷的分布情况如图 7.1

21、5 所示。此时，只由耗尽层的电荷变化决定 MOS 电容，当耗尽层的厚度达到最大值时，电容值就达到最小值并且保持不变，其电容 电压特性曲线如图 7.14 中的虚线所示。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.15 少子反型时高频电压变化时的微分电荷分布第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件在以上的讨论中均以 P 型衬底的 MOS 结构为例进行， N 型衬底的 MOS 结构的，情况与 P 型类似，其电容 电压特性曲线如图 7.16 所示。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.16 N 型衬底 MOS 结构的电容 电压特性曲线第 7 章 MOS 结构及 MOSF

22、ET 器件7. 1. 5 金属与半导体的功函数差对金属与半导体的功函数差对 MOS 结构结构 C U 特性曲特性曲线的影响线的影响在前面的讨论中，讨论的对象是理想 MOS 结构，金属和半导体之间费米能级持平，功函数差为零。实际中往往所选择的金属和半导体的功函数差并不为零，此时 MOS 结构的 CU 曲线也将受到影响。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件仍以 P 型衬底的 MOS 结构为例说明，假设 P 型半导体的功函数和金属的功函数不相等。如果 P 型半导体的功函数比金属的大，则 MOS 结构一旦形成，电子就将从金属流向 P型半导体，直至金属和半导体的费米能级统一。此时半导体一侧带负

23、电，金属表面带正电，这些局部带电的区域将导致产生电场，其方向是由半导体表面指向半导体体内。有电场存在的区域就有能带弯曲，与前面的讨论类似，半导体表面的能级向下弯。这说明当金属和半导体之间存在功函数差时，即便在没有外加电压的时候，半导体表面已经发生了能带弯曲，如图 7.17 所示。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件为了使半导体表面恢复到平带状态，可以在 MOS 结构两端加一电压，这个电压称为平带电压。对于前面的假设(P 型半导体的功函数比金属的大)，当金属接负，半导体接正时，产生的电场方向刚好和前面由于功函数差出现的电场方向相反，起到平带的作用。平带电压的大小由金属和半导体的功函数差

24、决定，由于功函数差导致半导体一侧的电势能比金属一侧的高，其提高的数值为第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件为了使半导体的能带恢复到平带，抵消由于功函数差导致的能带弯曲和内建电场，所加的平带电压为平带电压的存在对理想 MOS 结构的电容 电压特性曲线产生影响。相当于将原来理想MOS 结构的电容 电压特性曲线中 U =0 的位置移动到 U FB 处，因为 U FB 是负值，故由于金属和半导体之间存在功函数差，导致 MOS 结构的电容 电压特性曲线向左移动，移动量为 U FB ，如图 7.18 所示。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.17 功函数差对 MOS 结构半导体

25、表面的影响第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件如图 7.18 所示，先找到理想 MOS 结构的 CU 特性曲线与 y 轴的交点，做横轴的平行线，其与实际 MOS 结构曲线的交点间的距离就是平带电压。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.18 金属和半导体的功函数差对 MOS 结构电容 电压高频特性曲线的影响(虚线表示理想 MOS 结构电容 电压高频特性曲线)第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件7. 1. 6 氧化层中的电荷对氧化层中的电荷对 MOS 结构结构 C U 特性曲线的影响特性曲线的影响相比于金属和半导体的功函数差对 MOS 结构 CU 特性曲线的影

26、响，氧化层中存在的电荷对 MOS 结构 CU 特性曲线的影响则要大得多。假设氧化层中有一薄层电荷，它的存在将分别在金属和半导体一侧产生感应电荷，如图 7.19 所示。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.19 氧化层中存在电荷及其对半导体能带的影响第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件由于这些电荷的存在，半导体表面附近存在电场，电场的方向从半导体表面指向半导体体内，导致半导体空间电荷区的能带向下弯曲。同前面的讨论一样，为了使半导体的能带变平，需要外加电压，其中半导体接正，金属接负。同时考虑金属和半导体的功函数差和氧化层中的电荷后，平带电压的公式修正为式中: Q 为氧化层

27、中的电荷; C ox 为氧化层电容。如果氧化层中出现的电荷为正，平带电压将更大， CU 曲线将进一步向左移动，如图 7.20 所示。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.20 金属、半导体的功函数差和氧化层中电荷对 MOS 结构电容 电压高频特性曲线的影响(虚线表示理想 MOS 结构电容 电压高频特性曲线)第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件7. 2 MOSFET 基础基础基于 MOS 结构的 MOS 电路元件已在半导体器件中成为主流器件。所谓 MOSFET ，是指金属 氧化物 半导体场效应晶体管。在本节中，将介绍 MOSFET 的结构、分类、工作机理及直流工作特性。

28、第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件7. 2. 1 MOSFET 的结构和分类的结构和分类图 7.21 是一个典型的 MOSFET 结构示意图，它是一个四端口器件。可以认为 MOSFET 是由一个 MOS 电容和两个 PN 结共同构成的。其中衬底可以是 N 型半导体，也可以是 P 型半导体。如果衬底是 P 型半导体，则源极和漏极就是 N+ 掺杂;如果衬底是N 型半导体，则源极和漏极就是P + 掺杂，图中的阴影部分表示欧姆接触。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.21 典型的 MOSFET 结构示意图第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件使用时，一般源极接地，

29、衬底接地，栅极上施加的电压用 U G 表示，漏极上施加的电压用U D 表示。实际中存在四种类型的 MOSFET ，分别是 N 沟道增强型 MOSFET 、 N 沟道耗尽型MOSFET 、 P 沟道增强型 MOSFET 和 P 沟道耗尽型 MOSFET 。这四种类型的 MOSFET 结构如图 7.22 所示。 N 沟道 MOS 场效应晶体管是指在 P 型半导体衬底上形成局部高掺杂的源极和漏极，当栅极上施加足够强的正电压时，在 MOS 结构中的 P 型半导体反型，从而形成N 型导电沟道，当源极和漏极之间加偏置电压时，电子将从源极流向漏极。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.22

30、四种类型的 MOSFET第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件而 P 沟道 MOS场效应晶体管是指在 N 型半导体衬底上，形成局部高掺杂的源极和漏极，当栅极上施加足够强的负电压时，在 MOS 结构中栅极下方的 N 型半导体反型，从而形成 P 型导电沟道，当源极和漏极之间加偏置电压时，空穴将从源极流向漏极。其中，“增强”是指在 MOS 场效应管中当外加栅压为零时，栅极下面的半导体没有形成反型，需要外加合适的栅压才可以使栅极下面的半导体形成反型层，从而将源极和漏极连接起来;“耗尽”是指当栅压为零时，栅极下面的半导体已经形成沟道第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件因此，从上面的分析

31、可以看出，在 MOS 场效应管中参与工作的只有一种载流子，在 N沟道 MOS 场效应晶体管中工作的载流子是电子，在 P 沟道 MOS 场效应晶体管中工作的载流子是空穴，这一点与 PN 结不同。要使 N 沟道 MOS 场效应晶体管工作，需要加正的栅极电压，而要使 P 沟道 MOS 场效应晶体管工作，需要加负的栅极电压。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件7. 2. 2 MOSFET 的工作机理的工作机理以 N 沟道增强型 MOSFET 为例，简单分析其工作原理。源极和衬底都接地，当所加的栅极电压较小，且小于 MOS 结构的阈值电压时，漏极电压较小。在这种情况下，没有产生电子反型层，源极

32、和漏极之间的区域应该是空穴耗尽及少量的电子，源极和漏极之间相当于开路，源极和漏极之间的电流为 0 。随着栅极上电压的增加， MOS 结构的状态也逐渐由多子耗尽向少子反型过渡，当栅极上所加的电压等于前面讨论的 MOS 结构的阈值电压后，半导体表面达到强反型。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件此时强反型下的电子在源极和漏极之间形成了导电沟道，导电沟道将源极和漏极连接起来。如果栅极和漏极之间加上电压，则载流子通过前面形成的导电沟道形成漏电流。因此 MOS 场效应晶体管的基本工作原理是通过外加栅压控制漏电流的过程，是电压控制电流的器件。图 7.23 表示了 N 沟道增强型 MOSFET 在

33、这两种情况下的变化。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.23 N 沟道增强型 MOSFET第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件对于图 7.23 中讨论的 N 沟道增强型 MOSFET 来说，在满足 U GS U T 后，一方面栅极上的电压越大，反型层中的电子越多，沟道的电阻越小，流过沟道中源漏之间的电流越大;另一方面栅极上的电压减小，反型层中的电子减小，沟道的电阻增大，流过沟道中源漏之间的电流减小。图 7.24 为当 U GS 较小时，在不同的 U GS 下， I D 随 U DS 变化而呈现出的变化规律。从图 7.24 中呈现出来的规律和前面的定性分析结果一致。第

34、 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.24 当 U DS 较小时，在三个不同的栅极电压下， I D 随 U DS 变化的曲线第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件在保证 U GS U T 后，在某一确定的 U GS 下，考察 I D 随着 U DS 的变化规律，如图 7.25 所示。在图 7.25 ( a )中 U DS 的值较小，左边的图展示了器件中反型层内的电子分布示意图，右边的图是 I D 随 U DS 的变化曲线，此时反型层的电阻值恒定，曲线近似为斜率一定的直线。在图7. 25 ( b )中 U DS 的值增加，漏端附近的电压增加，氧化层上的电压降减小，漏端附近的

35、反型层中电荷密度减小，漏端附近的电阻增加。以上这一过程也可认为是处于反偏状态的漏 PN 结，随着外加反向偏压的增加，耗尽区增加，导致在漏极附近的沟道变窄。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件因此这一变化反映在I D 随 U DS 的变化曲线上表现为 I D 随着 U DS 的增加速率变慢，如图 7. 25 ( b )中的 AB 段所示。在图 7.25 ( c )中 U DS 的值增加至 U Dsat (沟道在漏端处发生夹断时的漏源电压)，漏端附近的反型层中电荷密度减小为零，沟道在漏端一侧消失，出现沟道夹断现象，此时 I D 随着 U DS 的变化曲线斜率为 0 。此时 I D 达到最

36、大值，如图 7.25 ( c )中 BC 段所示。当漏电压进一步增加时，沟道夹断的部分会加宽，夹断点向源极发生移动，电子从源极进入沟道向漏极运动，在到达夹断点时，进入空间电荷区，在电场的作用下漂移至漏极。如果假设沟道夹断导致的沟道长度变化对总的沟道长度影响不大，则此时的漏电流为常数，如图 7.25 ( d )中 CD 段所示。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.25 U GS U T 时， MOSFET 不同工作区的示意图及 I D 随 U DS 变化特性曲线第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.25 U GS U T 时， MOSFET 不同工作区的示意图及

37、 I D 随 U DS 变化特性曲线第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.26 为 N 沟道增强型 MODFET 的 I D U DS 特性曲线，在图中不同的曲线表示在不同栅压下的结果。图中出现的黑点是对应在某一 U GS 下的 U Dsat ，黑点以右对应的都是饱和区。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.26 N 沟道增强型 MODFET 的 I D U DS 特性曲线第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件7. 2. 3 MOSFET 的电的电流电流电压关系压关系1. 阈值电压阈值电压在前面的讲述中将 MOS 场效应管的阈值电压定义为使 MOS 结构

38、中半导体的表面势满足 ? s=2?Fp时所加的栅极电压。由于阈值电压决定了 MOS 场效应管是否导通，因此它是 MOS 场效应管的重要参数。下面将从 MOS 场效应管的电荷分布出发，得到阈值电压的表达式。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件仍然以 N 沟道的 MOS 场效应管为例说明，如图 7.27 所示。在 MOS 结构中的电荷分布图中， Q m 表示金属一侧由于外加栅压产生的电荷密度，Q ss 表示在氧化层中存在的电荷， Q n表示 P 型衬底反型后的电荷密度， Q B 表示耗尽层中电离后的电离受主产生的电荷密度，由衬底的掺杂浓度决定。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器

39、件图 7.27 N 沟道 MOS 场效应管的能带图和电荷分布图第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件按照电中性条件的要求，总电荷为零，即因为在刚达到强反型时，反型层中的电子浓度等于体内的空穴浓度，并只存在于靠近半导体表面的极薄的一层内，如图 7.27 所示，因此与 Q B 相比，可以略去 Q n ，则式( 7. 19 )简化为第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件而在理想 MOS 结构满足的第一个条件中提到，假设氧化层中不存在电荷，因此式( 7.20 )进一步简化为同时考虑到第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件式(7. 22 )说明外加电压一部分降落在氧化层中产生电荷

40、，另一部分降落在半导体上产生反型，先计算氧化层上的电压降 U ox ，其值为在式(7. 23 )的变换中，利用了式( 7. 21 )，因此理想 MOS 结构的阈值电压为第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件2.MOSFET 电流电流 电压特性电压特性仍然以 N 沟道增强型场效应管为例进行分析，其结构如图 7.28 所示，假设在沟道中的电流流动仅沿 y 方向。在沟道中选出一块位于 y 位置、厚度为 dy 的薄片，在图 7. 28 中用黑色区域表示，计算它的电阻值为第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件式中: W 表示沟道的宽度; d 表示沟道的厚度;d ( y) 表示在 y 处的

41、沟道厚度。按照欧姆定律，在该电阻上电流流过而产生的电压降为第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.28 N 沟道的 MOS 场效应晶体管结构第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件习习 题题1. 分别画出 N 型半导体材料 MOS 结构中多子堆积、多子耗尽和少子反型三种情况下的能带示意图。2. 什么是阈值电压? 什么是平带电压?3. 图 7. 29 为四个理想 MOS 结构的直流电容分布，对每一个图，判断:(1 )半导体的导电类型;(2 )结构所处的状态;(3 )画出此时半导体的能带图。第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件图 7.29 MOS 结构的直流电容分布图第 7 章 MOS 结构及 MOSFET 器件4. 说明 N 沟道和 P 沟道 MOS 场效应管有什么不同。5.MOS 场效应晶体管的输出特性曲线分为几个区域? 每个区域对应的工作状态是什么?