半导体器件物理第6章.pdf

第六章 金属第六章 金属 氧化物氧化物 半导体场 效应晶体管 半导体场 效应晶体管 Lienfeld和Heil于30年代初就提出了表面场效应晶体管原理 40年代末Shockley和Pearson进行了深入研究 1960年Kahng和Alalla应用热氧化硅结构制造出第一只MOSFET MOSFET是大规模集成电路中的主流器件 MOSFET是英文缩写词 其它叫法 绝缘体场效应晶体管 IGFET 金属 绝缘体 半导体场效应 晶体管 MISFET 金属 氧化物 半导体晶体管 MOST 等 Lienfeld和Heil于30年代初就提出了表面场效应晶体管原理 40年代末Shockley和Pearson进行了深入研究 1960年Kahng和Alalla应用热氧化硅结构制造出第一只MOSFET MOSFET是大规模集成电路中的主流器件 MOSFET是英文缩写词 其它叫法 绝缘体场效应晶体管 IGFET 金属 绝缘体 半导体场效应 晶体管 MISFET 金属 氧化物 半导体晶体管 MOST 等 6 1 理想MOS结构的表面空间电 荷区 6 1 理想MOS结构的表面空间电 荷区 6 1 理想MOS结构的表面空间电荷区6 1 理想MOS结构的表面空间电荷区 理想MOS结构基于以下假设 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 2 金属和半导体之间的功函数差为零 如绘于图6 2b中的情形 由于假设 1 2 理想MOS结构基于以下假设 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 2 金属和半导体之间的功函数差为零 如绘于图6 2b中的情形 由于假设 1 2 在在无偏压时半导体能带是平直的 3 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MOS结构 无偏压时半导体能带是平直的 3 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MOS结构 2 SiO 6 1 理想MOS结构的表面空间电荷区6 1 理想MOS结构的表面空间电荷区 半导体表面空间电荷区 每个极板上的感应电荷与电场之间满足如下关系 6 1 式中 自由空间的电容率 氧化物的 半导体表面空间电荷区 每个极板上的感应电荷与电场之间满足如下关系 6 1 式中 自由空间的电容率 氧化物的相对相对介电常数 半导体表面的电场 半导体 介电常数 半导体表面的电场 半导体相对相对介电常数介电常数 空间电荷区在半导体内部的边界亦即空间电荷区宽度 外加电压为跨越氧化层的电压和表面势所分摊 空间电荷区在半导体内部的边界亦即空间电荷区宽度 外加电压为跨越氧化层的电压和表面势所分摊 0 0 k S S k d x G V 0 V S SG VV 0 6 2 6 2 SSSM kkQQ 0000 6 1 理想MOS结构的表面空间电荷区6 1 理想MOS结构的表面空间电荷区 图图6 3 加上电压时MOS结构内的电位分布加上电压时MOS结构内的电位分布 G V 6 1 理想MOS结构的表面空间电荷区6 1 理想MOS结构的表面空间电荷区 载流子积累 耗尽和反型载流子积累 耗尽和反型 载流子积累 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 载流子积累 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 累现象现象 单位面积下的空间电荷 单位面积下的空间电荷 0 0 d x s Qqp xp dx 6 1 理想MOS结构的表面空间电荷区6 1 理想MOS结构的表面空间电荷区 图图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 b 小的 小的 c 大的 大的 G V G V G V 6 1 理想MOS结构的表面空间电荷区6 1 理想MOS结构的表面空间电荷区 载流子耗尽 单位面积下的总电荷为 式中为耗尽层宽度 载流子反型 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 载流子耗尽 单位面积下的总电荷为 式中为耗尽层宽度 载流子反型 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 daBS xqNQQ 6 6 6 6 0 2 2 s da S k xqN 2 1 d Sx x x 6 7 6 7 d x 6 5 6 5 6 1 理想MOS结构的表面空间电荷区6 1 理想MOS结构的表面空间电荷区 6 1 3反型和强反型条件 反型条件 强反型条件 式中为出现强反型时的表面势 6 1 3反型和强反型条件 反型条件 强反型条件 式中为出现强反型时的表面势 6 17 6 18 6 17 6 18 fs fsi 2 Si 6 1 理想MOS结构的表面空间电荷区6 1 理想MOS结构的表面空间电荷区 图图6 5 强反型时的能带图强反型时的能带图 x0 E I x f q f q c E v E i E 6 1 理想MOS结构的表面空间电荷区6 1 理想MOS结构的表面空间电荷区 总表面空间电荷 为反型层中单位面积下的可动电荷即沟道电荷 总表面空间电荷 为反型层中单位面积下的可动电荷即沟道电荷 qNa k qNa k x fS siS dm 0 0 4 2 dmaB xqNQ dmaIBIS xqNQQQQ I Q 6 19 6 20 6 21 6 52 6 19 6 20 6 21 6 52 I Q 0 I x I qnx dx 6 1 理想MOS结构的表面空间电荷区6 1 理想MOS结构的表面空间电荷区 小结小结 理想MOS结构基于以下假设 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 2 金属和半导体之间的功函数差为零 如绘于图6 2b中的情形 由于假设 1 2 在无偏压时半导体能带是平直的 3 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区中费米能级为常数 理想MOS结构基于以下假设 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 2 金属和半导体之间的功函数差为零 如绘于图6 2b中的情形 由于假设 1 2 在无偏压时半导体能带是平直的 3 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区中费米能级为常数 偏压使半导体表面具有表面势 出现表面空间电荷区 偏压使半导体表面具有表面势 出现表面空间电荷区 空间电荷与电场具有以下关系 6 1 空间电荷与电场具有以下关系 6 1 2 SiO G V SSSM kkQQ 0000 6 1 理想MOS结构的表面空间电荷区6 1 理想MOS结构的表面空间电荷区 小结小结 载流子积累 耗尽和反型的概念 载流子积累 耗尽和反型的概念 载流子积累 耗尽和反型和强反型四种情况的能带图 载流子积累 耗尽和反型和强反型四种情况的能带图 体费米势的概念 体费米势的概念 反型和强反型条件 反型条件 强反型条件 反型和强反型条件 反型条件 强反型条件 q EE Fi f 0 fs fsi 2 6 8 6 17 6 18 6 8 6 17 6 18 6 1 理想MOS结构的表面空间电荷区6 1 理想MOS结构的表面空间电荷区 教学要求教学要求 了解理想结构基本假设及其意义 了解理想结构基本假设及其意义 根据电磁场边界条件导出空间电荷与电场的关系根据电磁场边界条件导出空间电荷与电场的关系 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 导出反型和强反型条件 6 1 导出反型和强反型条件 6 1 SSSM kkQQ 0000 6 2 理想MOS电容器6 2 理想MOS电容器 6 2 理想MOS电容器6 2 理想MOS电容器 系统单位面积的微分电容 微分电容 系统单位面积的微分电容 微分电容C与外加偏压的关系称为与外加偏压的关系称为MOS系统的电容系统的电容 电压特性 若令 6 22 电压特性 若令 6 22 G M dV dQ C G V M s MM G dQ d dQ dV dQ dV C 0 1 6 23 6 23 0 0 dV dQ C M 6 24 6 24 S S S M S d dQ d dQ C 6 25 6 25 6 2 理想MOS电容器6 2 理想MOS电容器 则 绝缘层单位面积上的电容 半导体表面空间电荷区单位面积电容 称为系统的归一化电容 6 26 6 28 6 29 则 绝缘层单位面积上的电容 半导体表面空间电荷区单位面积电容 称为系统的归一化电容 6 26 6 28 6 29 S CCC 111 0 0 C S C S CCC C 00 1 1 0 CC 0 00 0 0 x k dV dQ C M 6 2 理想MOS电容器6 2 理想MOS电容器 将电容随偏压的变化分成几个区域 变化大致情况如图将电容随偏压的变化分成几个区域 变化大致情况如图6 7所示 所示 图6 7 P型半导体MOS的C V特性图6 7 P型半导体MOS的C V特性 6 2 理想MOS电容器6 2 理想MOS电容器 积累区 积累区 0 氧化层电容 代入 6 2 式中有 6 43 氧化层电容 代入 6 2 式中有 6 43 G V d S S S S x k d dQ C 0 0 0 1 1 xk xk C C S d S 0 0 C Q V S S S G C Q V 0 daBS xqNQQ 0 2 2 s da S k xqN 6 42 6 44 和 把 6 5 6 6 6 42 6 44 和 把 6 5 6 6 6 2 理想MOS电容器6 2 理想MOS电容器 代入 6 44 式解出 归一化电容随着外加偏压的增加而减小 反型区 0 6 45 6 46 6 47 代入 6 44 式解出 归一化电容随着外加偏压的增加而减小 反型区 0 6 45 6 46 6 47 d x 2 00 0 000 2 1 SSG d Sa kkV XC CCqkN S S s d dQ C S B S I d dQ d dQ 0 CC G V G V 2 1 2 1 2 0 2 00 0 2 0 0 2 1 2 1 G Sa G Sa V xkqN k V kqN C C C 6 2 理想MOS电容器6 2 理想MOS电容器 小结小结 MOS电容定义为MOS电容定义为 绝缘层单位面积电容绝缘层单位面积电容 导体表面空间电荷区单位面积电容 6 22 6 29 6 25 导体表面空间电荷区单位面积电容 6 22 6 29 6 25 G M dV dQ C 0 00 0 0 x k dV dQ C M S S S M S d dQ d dQ C 6 2 理想MOS电容器6 2 理想MOS电容器 小结小结 归一化电容归一化电容 在耗尽区 归一化 在耗尽区 归一化MOS电容随着外加偏压的增加而减小电容随着外加偏压的增加而减小 画出了理想系统的电容画出了理想系统的电容 电压特性 图电压特性 图6 7 6 28 6 45 6 46 6 28 6 45 6 46 S CCC C 00 1 1 2 00 0 000 2 1 SSG d Sa kkV XC CCqkN 2 1 2 1 2 0 2 00 0 2 0 0 2 1 2 1 G Sa G Sa V xkqN k V kqN C C C 0 CC G V 6 2 理想MOS电容器6 2 理想MOS电容器 教学要求教学要求 掌握理想系统的电容掌握理想系统的电容 电压特性 对图6 7作出正确分析 电压特性 对图6 7作出正确分析 导出公式 6 45 6 46 导出公式 6 45 6 46 6 3沟道电导与阈值电压6 3沟道电导与阈值电压 6 3沟道电导与阈值电压6 3沟道电导与阈值电压 一 沟道电导 式中为沟道中的电子浓度 为沟道宽度 即为反型层中单位面积下的总的电子电荷 沟道电导为 6 51 一 沟道电导 式中为沟道中的电子浓度 为沟道宽度 即为反型层中单位面积下的总的电子电荷 沟道电导为 6 51 dx xnq L Z g I x nI I 0 0 I x II qnx dxQ 6 52 6 52 InI Q L Z g 6 53 6 53 xnI I x 6 3沟道电导与阈值电压6 3沟道电导与阈值电压 二 阈值电压二 阈值电压 定义为形成强反型所需要的最小栅电压 当出现强反型时 沟道电荷受到偏压控制 这正是MOSFET工作的基础 阈值电压 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表面势 定义为形成强反型所需要的最小栅电压 当出现强反型时 沟道电荷受到偏压控制 这正是MOSFET工作的基础 阈值电压 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表面势 6 51 6 51 6 54 6 55 6 54 6 55 TH V Si BI G C Q C Q V 00 THGSi B GI VVC C Q VCQ 0 0 0 G V Si B TH C Q V 0 Si B Q 6 3沟道电导与阈值电压6 3沟道电导与阈值电压 小结小结 二个概念 沟道电导 阈值电压二个概念 沟道电导 阈值电压 沟道电导公式沟道电导公式 阈值电压公式 6 53 6 54 阈值电压公式 6 53 6 54 InI Q L Z g THGSi B GI VVC C Q VCQ 0 0 0 6 3沟道电导与阈值电压6 3沟道电导与阈值电压 教学要求教学要求 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 6 53 导出沟道电导公式 6 53 导出阈值电压公式 6 54 导出阈值电压公式 6 54 说明阈值电压的物理意义 说明阈值电压的物理意义 6 4实际MOS的电容 电压特性 6 4实际MOS的电容 电压特性 功函数差的影响功函数差的影响 6 4 实际MOS的电容6 4 实际MOS的电容 电压特性电压特性 以铝电极和以铝电极和P型硅衬底为例 铝的功函数比型硅的小 前者的费米能级比后者的高 接触前 功函数差 型硅衬底为例 铝的功函数比型硅的小 前者的费米能级比后者的高 接触前 功函数差 0 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 0 因此称其为平带电压 0 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 6 56 系统在没有外加偏压的时候 在 半导体表面就存在表面势 0 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 6 56 6 4 实际MOS的电容6 4 实际MOS的电容 电压特性电压特性 6 4 实际MOS的电容6 4 实际MOS的电容 电压特性电压特性 在室温下 硅的修正功函数 6 57 起着有效电压的作用 实际系统的电容C作为的函数 与 理想MOS系统C的作为的函数 在形式上应该是一样的 在室温下 硅的修正功函数 6 57 起着有效电压的作用 实际系统的电容C作为的函数 与 理想MOS系统C的作为的函数 在形式上应该是一样的 V ffs 8 3 2 1 1 3 25 1GG VV 1GG VV G V 6 4 实际MOS的电容6 4 实际MOS的电容 电压特性电压特性 界面陷阱和氧化物电荷的影响界面陷阱和氧化物电荷的影响 金属 2 SiO Si 可移动离子电荷 m Q K a N 氧化物陷阱电荷 ot Q 氧化物固定电荷 f Q 界面陷阱电荷 it Q 图 6 13 热氧化硅形成的 2 SiOSi 系统中 的各类电荷 6 4 实际MOS的电容6 4 实际MOS的电容 电压特性电压特性 界面陷阱电荷 interface trapped charge 硅 100 面 约 硅 界面陷阱电荷 interface trapped charge 硅 100 面 约 硅 111 面 约 氧化物固定电荷 fixed oxide charge 位于界面约 面 约 氧化物固定电荷 fixed oxide charge 位于界面约3nm的范围内 这些电荷是固定的 正的 100 面 约为 111 面 约为 因为 100 面的和较低 故硅 MOSFET一般采用 100 晶面 氧化物陷阱电荷 oxide trapped charge 大都可以通过低温退火消除 可动离子电荷 mobile ionic charge 诸如钠离子和其它碱金属离子 在高温和高压下工作时 它们能在氧化层内移动 的范围内 这些电荷是固定的 正的 100 面 约为 111 面 约为 因为 100 面的和较低 故硅 MOSFET一般采用 100 晶面 氧化物陷阱电荷 oxide trapped charge 大都可以通过低温退火消除 可动离子电荷 mobile ionic charge 诸如钠离子和其它碱金属离子 在高温和高压下工作时 它们能在氧化层内移动 it Q it Q it Q 210 10 cm 211 10 cm f Q 2 SiOSi f Q 210 10 cm f Q 210 105 cmit Q f Q ot Q ot Q m Q 6 4 实际MOS的电容6 4 实际MOS的电容 电压特性电压特性 克服硅 二氧化硅界面电荷和二氧化硅中电荷影响所需要的平带电压 如果氧化层中正电荷连续分布 电荷体密度为 则 总的平带电压 克服硅 二氧化硅界面电荷和二氧化硅中电荷影响所需要的平带电压 如果氧化层中正电荷连续分布 电荷体密度为 则 总的平带电压 00 2 0000 G QQx Vx kC x x dxx x x C dVG 00 2 1 2G V 0 0 0 00 2 01 C Q dxx x x C V S X G 6 58 6 59 6 60 6 58 6 59 6 60 6 4 实际MOS的电容6 4 实际MOS的电容 电压特性电压特性 其中 6 61 称为有效面电荷 实际硅 二氧化硅系统 其中 6 61 称为有效面电荷 实际硅 二氧化硅系统 6 64 6 64 dxx x x Q x S 0 0 0 0 0 0 2 C Q VG 00 2 0000 G QQx Vx kC x 6 4 实际MOS的电容6 4 实际MOS的电容 电压特性电压特性 实际的实际的MOS阈值电压和阈值电压和C V曲线曲线 平带电压 阈值电压 第一项是 为消除半导体和金属的功函数差的影响 金属电极相对于半导体所 需要加的外加电压 第二项是为了把绝缘层中正电荷发出的电力线全部吸引到金属电极一侧所需要加 的外加电压 第三项是支撑出现强反型时的体电荷所需要的外加电压 第四项是开始出现强反型层时 半导体表面所需的表面势 平带电压 阈值电压 第一项是 为消除半导体和金属的功函数差的影响 金属电极相对于半导体所 需要加的外加电压 第二项是为了把绝缘层中正电荷发出的电力线全部吸引到金属电极一侧所需要加 的外加电压 第三项是支撑出现强反型时的体电荷所需要的外加电压 第四项是开始出现强反型层时 半导体表面所需的表面势 0 0 21 C Q VVV msGGFB Si B ms C Q C Q Si C B Q FB V TH V 00 0 0 6 65 6 66 6 65 6 66 B Q 6 4 实际MOS的电容6 4 实际MOS的电容 电压特性电压特性 小结小结 画出了铝 二氧化硅 硅系统的能带图 由于功函数差 画出了铝 二氧化硅 硅系统的能带图 由于功函数差 0 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 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 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 0 因此称其为平带电压 因此称其为平带电压 6 65 6 65 m q q FMFS EE S 1smmsG V S S 6 4 实际MOS的电容6 4 实际MOS的电容 电压特性电压特性 小结小结 在二氧化硅 二氧化硅 硅界面系统存在电荷 界面陷阱电荷 interface trapped charge 氧化物固定电荷 fixed oxide charge 氧化物陷阱电荷 oxide trapped charge 可动离子电荷 mobile ionic charge 综合看来 可以把它们看做是位于二氧化硅 硅界面的正电荷 在二氧化硅 二氧化硅 硅界面系统存在电荷 界面陷阱电荷 interface trapped charge 氧化物固定电荷 fixed oxide charge 氧化物陷阱电荷 oxide trapped charge 可动离子电荷 mobile ionic charge 综合看来 可以把它们看做是位于二氧化硅 硅界面的正电荷 it Q f Q ot Q m Q 6 4 实际MOS的电容6 4 实际MOS的电容 电压特性电压特性 小结小结 克服二氧化硅内位于x处的电荷片造成的能带弯曲所需的平带电压为 如果位于二氧化硅 硅界面则 如果氧化层中正电荷连续分布 电荷体密度为 则总的平带电压 克服二氧化硅内位于x处的电荷片造成的能带弯曲所需的平带电压为 如果位于二氧化硅 硅界面则 如果氧化层中正电荷连续分布 电荷体密度为 则总的平带电压 00 2 0000 G QQx Vx kC x 0 Q 0 Q 0 0 2 C Q VG 0 0 0 00 2 01 C Q dxx x x C V S X G dxx x x Q x S 0 0 0 0 6 58 6 64 6 60 6 58 6 64 6 60 其中称为有效面电荷 其中称为有效面电荷 6 4 实际MOS的电容6 4 实际MOS的电容 电压特性电压特性 小结小结 平带电压 为实现平带条件所需的偏压叫做平带电压 6 65 平带电压 为实现平带条件所需的偏压叫做平带电压 6 65 引入平带电压的意义之一是将理想MOS的C V曲线沿着电压轴平移即可得到实际 MOS的C V曲线 引入平带电压的意义之一是将理想MOS的C V曲线沿着电压轴平移即可得到实际 MOS的C V曲线 0 0 21 C Q VVV msGGFB FB V 6 4 实际MOS的电容6 4 实际MOS的电容 电压特性电压特性 小结小结 实际的阈值电压 第一项是为消除半导体和金属的功函数差的影响 金属电极相对于半导体所需要加的栅偏压 即拉平功函数差造成的能带弯曲所需要加的栅偏压 第二项是为了把绝缘层中正电荷发出的电力线全部吸引到金属电极一侧所需要加的栅偏压 即拉 平二氧化硅中和硅 二氧化硅中的电贺造成的能带弯曲所需要加的栅偏压 第三项是支撑出现强反型时的体电荷所需要的外加电压 第四项是开始出现强反型层时 半导体表面所需的表面势 实际的阈值电压 第一项是为消除半导体和金属的功函数差的影响 金属电极相对于半导体所需要加的栅偏压 即拉平功函数差造成的能带弯曲所需要加的栅偏压 第二项是为了把绝缘层中正电荷发出的电力线全部吸引到金属电极一侧所需要加的栅偏压 即拉 平二氧化硅中和硅 二氧化硅中的电贺造成的能带弯曲所需要加的栅偏压 第三项是支撑出现强反型时的体电荷所需要的外加电压 第四项是开始出现强反型层时 半导体表面所需的表面势 Si B FBTH C Q VV 0 Si B ms C Q C Q 00 0 对于铝 二氧化硅 N型硅系统式 6 66 中四项都是负的 而铝 二氧化硅P 型 硅系统式 6 66 四项中第三 四项是正的 两种情况下第一 二项总是负的 对于铝 二氧化硅 N型硅系统式 6 66 中四项都是负的 而铝 二氧化硅P 型 硅系统式 6 66 四项中第三 四项是正的 两种情况下第一 二项总是负的 B Q 6 4 实际MOS的电容6 4 实际MOS的电容 电压特性电压特性 教学要求教学要求 画出铝 二氧化硅 硅系统的能带图 画出铝 二氧化硅 硅系统的能带图 根据能带图说明 6 56 根据能带图说明 6 56 是否等于 是否等于 了解在二氧化硅 二氧化硅 硅界面系统存在的电荷及其主要性质 了解在二氧化硅 二氧化硅 硅界面系统存在的电荷及其主要性质 1smmsG V S 1G V 6 4 实际MOS的电容6 4 实际MOS的电容 电压特性电压特性 教学要求教学要求 平带电压公式平带电压公式 掌握实际阈值电压的公式及各项的意义掌握实际阈值电压的公式及各项的意义 为什么将理想MOS的C V曲线沿着电压轴平移即可得到实际MOS的C V曲线 为什么将理想MOS的C V曲线沿着电压轴平移即可得到实际MOS的C V曲线 对于铝 二氧化硅 P型硅系统和铝 二氧化硅 N型硅系统分析式 6 66 各项的 符号 对于铝 二氧化硅 P型硅系统和铝 二氧化硅 N型硅系统分析式 6 66 各项的 符号 作业 6 4 6 5 6 6 6 7 6 8 作业 6 4 6 5 6 6 6 7 6 8 00 2 0000 G QQx Vx kC x 0 0 2 C Q VG 0 0 0 00 2 01 C Q dxx x x C V S X G 6 58 6 64 6 58 6 64 6 5 MOS场效应晶体管6 5 MOS场效应晶体管 6 5 MOS场效应晶体管6 5 MOS场效应晶体管 基本结构和工作过程 图6 15 MOSFET的工作状态和输出特性 a 低漏电压时 基本结构和工作过程 图6 15 MOSFET的工作状态和输出特性 a 低漏电压时 衬底 p 小 D V S N N L G V TH V 沟道 耗尽区 D V D I a y a 6 5 MOS场效应晶体管6 5 MOS场效应晶体管 基本结构和工作过程 图6 15 MOSFET的工作状态和输出特性 b 开始饱和 基本结构和工作过程 图6 15 MOSFET的工作状态和输出特性 b 开始饱和 DsatD VV S N N G V TH V 耗尽区 夹断点 P D V D I b Dsat I Dsat V b 6 5 MOS场效应晶体管6 5 MOS场效应晶体管 基本结构和工作过程 图6 15 MOSFET的工作状态和输出特性 c 饱和之后 基本结构和工作过程 图6 15 MOSFET的工作状态和输出特性 c 饱和之后 Dsat V S N N G V TH V 耗尽区 P D V L D V D I c y c 6 5 MOS场效应晶体管6 5 MOS场效应晶体管 静态特性 图6 16 N沟道MOS晶体管 静态特性 图6 16 N沟道MOS晶体管 衬底 p D V S N N G V dQ V dVV Al Al Al 2 SiO x y 6 5 MOS场效应晶体管6 5 MOS场效应晶体管 线性区线性区 在下面的分析中 采用如下主要假设 在下面的分析中 采用如下主要假设 1 忽略源区和漏区体电阻和电极接触电阻 忽略源区和漏区体电阻和电极接触电阻 2 沟道内掺杂均匀 沟道内掺杂均匀 3 载流子在反型层内的迁移率为常数 载流子在反型层内的迁移率为常数 4 长沟道近似和渐近沟道近似 即假设垂直电场和水平电路是互相独立的 长沟道近似和渐近沟道近似 即假设垂直电场和水平电路是互相独立的 6 5 MOS场效应晶体管6 5 MOS场效应晶体管 线性区线性区 感应沟道电荷 6 67 漂移电子电流 感应沟道电荷 6 67 漂移电子电流 6 70 式称为萨支唐 式称为萨支唐 C T Sah 方程 方程 yVVVCQ THGI 0 yInD QZI dVVVVCZdyI THGnD 0 2 2 0 D DTHGnD V VVV L Z CI 6 68 6 69 6 70 6 68 6 69 6 70 6 5 MOS场效应晶体管6 5 MOS场效应晶体管 例题 采用6 4节例题中的MOS结构作为一个MOSFET 已知下列参数 计算和时的 解 由于在6 3节中给出 将此值代入 6 70 并令得 将代入上式 例题 采用6 4节例题中的MOS结构作为一个MOSFET 已知下列参数 计算和时的 解 由于在6 3节中给出 将此值代入 6 70 并令得 将代入上式 mL 10 mZ 300 sVcm p 2 230 VVG4 VVG8 DS I 28 0 109 2cmFC SVF L Z C p 48 0 10230230109 2 THGD VVV 2 4 2 102 THGDS VVI VVTH1 3 mA A I DS 4 21024 80108 0 4 4 VV VV G G 8 4 对于 对于 6 5 MOS场效应晶体管6 5 MOS场效应晶体管 考虑到沟道电压的作用 于是 考虑到沟道电压的作用 于是 2 1 0 2VNqkQ SiaSB 2323 0 0 0 0 0 2 3 2 2 SiSiD aS D D SimsGnD V C Nqk V V C Q V L Z CI 6 5 MOS场效应晶体管6 5 MOS场效应晶体管 所有抛物线顶点右边的曲线没有物理意义 所有抛物线顶点右边的曲线没有物理意义 2 4 6 8 2 4 6 ID mA VD V VVG12 VVG8 式 6 70 式 6 72 式 6 70 式 6 72 图6 17 式 6 68 和式 6 70 的比较图6 17 式 6 68 和式 6 70 的比较 6 5 MOS场效应晶体管6 5 MOS场效应晶体管 饱和区饱和区 假设在L点发生夹断 0则 把式 6 73 代入式 6 70 得 此式在开始饱和时是有效的 超过这一点 漏极电流可看作是常数 所有抛物线顶点右边的曲线没有物理意义 假设在L点发生夹断 0则 把式 6 73 代入式 6 70 得 此式在开始饱和时是有效的 超过这一点 漏极电流可看作是常数 所有抛物线顶点右边的曲线没有物理意义 yVVVCQ THGI 0 DSatTHG VVVLV 6 73 6 74 6 73 6 74 2 0 2 THG n DSat VV L ZC I 6 5 MOS场效应晶体管6 5 MOS场效应晶体管 图6 18 图6 18 N N沟道沟道MOSFETMOSFET的电流 电压特性的电流 电压特性 D V D I 1G V 2G V 3G V 4G V 5G V THDSG VVV 1 6 5 MOS场效应晶体管6 5 MOS场效应晶体管 小结小结 画出结构示意图说明了MOS场效应晶体管工作原理 a 若加一小的漏电压 电子将通过沟道从源流到漏 沟道的作用相当于一个电阻 漏电流和 漏电压成正比 这是线性区 b 当漏电压增加时 由于从源到漏存在电压即 因此 导电沟道从逐渐变窄 致使处反型层宽度减小到零 这种现象叫做沟道夹断图 6 15b 沟道夹断发 生的地点叫夹断点 夹断以后 漏电流基本上保持不变 因为夹断点的电压保持不变 即 导电沟道两端的电压保持不变 因而从漏到源的电流也不变 这是饱和区 C 夹断以后 随着漏电压增加导电沟道两端的电压保持不变但沟道长度 画出结构示意图说明了MOS场效应晶体管工作原理 a 若加一小的漏电压 电子将通过沟道从源流到漏 沟道的作用相当于一个电阻 漏电流和 漏电压成正比 这是线性区 b 当漏电压增加时 由于从源到漏存在电压即 因此 导电沟道从逐渐变窄 致使处反型层宽度减小到零 这种现象叫做沟道夹断图 6 15b 沟道夹断发 生的地点叫夹断点 夹断以后 漏电流基本上保持不变 因为夹断点的电压保持不变 即 导电沟道两端的电压保持不变 因而从漏到源的电流也不变 这是饱和区 C 夹断以后 随着漏电压增加导电沟道两端的电压保持不变但沟道长度L缩短 因此漏电流 将增加从而呈现不饱和特性 缩短 因此漏电流 将增加从而呈现不饱和特性 D I D V DS V Ly L 0 6 5 MOS场效应晶体管6 5 MOS场效应晶体管 小结小结 萨支唐方程萨支唐方程 在推导萨支唐方程过程中假设与在推导萨支唐方程过程中假设与V无关 实际上 中所含的与沟道电 压有关 考虑到沟道电压的作用 应写成 漏电流修正为 公式为 6 72 无关 实际上 中所含的与沟道电 压有关 考虑到沟道电压的作用 应写成 漏电流修正为 公式为 6 72 6 71 6 71 6 70 6 70 2 2 0 D DTHGnD V VVV L Z CI TH V TH V B Q B Q 1 2 0 2 BSaSi QqkNV 6 5 MOS场效应晶体管6 5 MOS场效应晶体管 小结小结 夹断条件 0或夹断条件 0或 饱和区I V特性 饱和区I V特性 截止区 若栅电压小于阈值电压 不会形成反型层 结果是 截止区 若栅电压小于阈值电压 不会形成反型层 结果是 MOSFET象是背对背 连接的两个 象是背对背 连接的两个P N结一样 相互阻挡任何一方的电流流过 晶体管在这一工作区域与 开路相似 6 74 6 73 结一样 相互阻挡任何一方的电流流过 晶体管在这一工作区域与 开路相似 6 74 6 73 yVVVCQ THGI 0 DSatTHG VVVLV 2 0 2 THG n DSat VV L ZC I 6 5 MOS场效应晶体管6 5 MOS场效应晶体管 教学要求教学要求 画出结构示意图说明了MOS场效应晶体管工作原理 画出结构示意图说明了MOS场效应晶体管工作原理 导出萨支唐方程 6 70 导出萨支唐方程 6 70 利用 导出漏电流修正为 公式 6 72 利用 导出漏电流修正为 公式 6 72 说明夹断条件 0或 的物理意义 说明夹断条件 0或 的物理意义 导出饱和区I V特性公式 6 74 导出饱和区I V特性公式 6 74 作业 6 9 6 10 6 11 6 73 6 70 作业 6 9 6 10 6 11 6 73 6 70 2 1 0 2VNqkQ SiaSB yVVVCQ THGI 0 DSatTHG VVVLV 6 6 等效电路和频率响应6 6 等效电路和频率响应 6 6 等效电路和频率响应6 6 等效电路和频率响应 小信号参数 小信号参数 1 线性导纳 对式 6 70 求导数 线性区的电阻 称为开态电阻 或导通电阻 可用下式表示 1 线性导纳 对式 6 70 求导数 线性区的电阻 称为开态电阻 或导通电阻 可用下式表示 6 76 6 75 6 76 6 75 d g 常数 G V D D d V I g THGnDTHGnd VV L Z CVVV L Z Cg 00 THGnd on VVZC L g R 0 1 6 77 6 77 6 6 等效电路和频率响应6 6 等效电路和频率响应 图6 19 MOSFET中沟道导纳与的对应关系图6 19 MOSFET中沟道导纳与的对应关系 6 6 等效电路和频率响应6 6 等效电路和频率响应 跨导跨导 线性区 对式 6 70 求导 饱和区 对式 6 74 求导 在假设为常数时才成立 饱和区跨导的表示式和线性区导纳的相同 6 79 6 78 6 80 线性区 对式 6 70 求导 饱和区 对式 6 74 求导 在假设为常数时才成立 饱和区跨导的表示式和线性区导纳的相同 6 79 6 78 6 80 m g 常数 D V G D m V I g Dnm V L Z Cg 0 THG n m VV L ZC g 0 B Q m g d g 6 6 等效电路和频率响应6 6 等效电路和频率响应 3 3 饱和区的漏极电阻 饱和区漏极电阻可以用作图法从漏极特性中求得 4 栅极电容 饱和区的漏极电阻 饱和区漏极电阻可以用作图法从漏极特性中求得 4 栅极电容 ZLZL 常数 G V DSat DSat atdds I V srr 6 81 6 81 dS r G C G C 0 C 6 6 等效电路和频率响应6 6 等效电路和频率响应 图6 20 MOS晶体管的小讯号等效电路 图6 20 MOS晶体管的小讯号等效电路 MOSFET的等效电路MOSFET的等效电路 ds r D S gSmV g gd C gS C G gS v S dS C 截止频率 定义为输出电流和输入电流之比为1时的频率 即当器件输出短路时 器件不能够放 大输入信号时的频率 截止频率 定义为输出电流和输入电流之比为1时的频率 即当器件输出短路时 器件不能够放 大输入信号时的