固体物理学_半导体电子论之金属-绝缘体-半导体与MOS反型层

1、07_07_金属绝缘体半导体和MOS反型层PN 结 半导体电子论07_07 金属绝缘体半导体和金属绝缘体半导体和MOS反型层反型层 MIS体系体系 金属绝缘体半导体金属绝缘体半导体_MISMOS体系体系 金属氧化物半导体金属氧化物半导体_MOS MIS结构的一种特殊形式结构的一种特殊形式MOS的主要应用的主要应用1) 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 _ 存储信息存储信息2) 集成电路集成电路 _ 计算机计算机RAM3) 电荷耦合器件电荷耦合器件 _ CCD 存储信号，转换信号存储信号，转换信号01/1307_07_金属绝缘体半导体和MOS反型层PN 结 半导体电子论MIS体系的机理体系的机理金属

2、层金属层 栅极栅极 半导体接地半导体接地氧化物氧化物 SiO2 100nm07_07_金属绝缘体半导体和MOS反型层PN 结 半导体电子论 P型半导体型半导体V 0 _ 半导体中多数载流子半导体中多数载流子 空穴被排斥离开空穴被排斥离开IS面面少数载流子少数载流子 电离的受主电离的受主电子电子被吸到表面处被吸到表面处07_07_金属绝缘体半导体和MOS反型层PN 结 半导体电子论3) 正电压较小正电压较小 为屏蔽栅极正电压为屏蔽栅极正电压, 耗尽层具有一定的厚度耗尽层具有一定的厚度 d 微米量级微米量级 空间电荷区空间电荷区 空穴被排斥空穴被排斥，在，在IS界面处形成界面处形成负电荷的耗尽层负

3、电荷的耗尽层07_07_金属绝缘体半导体和MOS反型层PN 结 半导体电子论 空间电荷区存在电场空间电荷区存在电场 使能带发生弯曲使能带发生弯曲, 对空穴来说形成一个势垒对空穴来说形成一个势垒05/1307_07_金属绝缘体半导体和MOS反型层PN 结 半导体电子论表面表面 x0相对于体内相对于体内xd的电势差的电势差 表面势表面势 Vs 栅极正电压增大时栅极正电压增大时 _ 表面势进一步增大表面势进一步增大 有可能表面处的费密能级进入带隙的上半部有可能表面处的费密能级进入带隙的上半部 空间电荷区电子的浓度将超过空穴的浓度空间电荷区电子的浓度将超过空穴的浓度 形成电子导电层形成电子导电层07_

4、07_金属绝缘体半导体和MOS反型层PN 结 半导体电子论 空间电荷区的载流子主要为电子空间电荷区的载流子主要为电子 半导体内部的载流子为空穴半导体内部的载流子为空穴空间电荷层空间电荷层 反型层反型层07_07_金属绝缘体半导体和MOS反型层PN 结 半导体电子论形成反型层时的能带形成反型层时的能带Ei 半导体的本征费密能级，半导体的本征费密能级，EF 表面处的费密能级表面处的费密能级 当当EF在在Ei之上时，电子的浓度大于空穴的浓度之上时，电子的浓度大于空穴的浓度 两者相等时两者相等时 电子和空穴的浓度相等电子和空穴的浓度相等 当当EF在在Ei之下时，电子的浓度小于空穴的浓度之下时，电子的浓

5、度小于空穴的浓度07_07_金属绝缘体半导体和MOS反型层PN 结 半导体电子论形成反型层的条件形成反型层的条件FiFEEqV)(22FiFiEEqVqV 费密能级费密能级EF从体内从体内Ei之下变成表面时之下变成表面时Ei之上之上一般形成反型层的条件一般形成反型层的条件 表面处电子浓度增加到等于或超过体内空穴的浓度表面处电子浓度增加到等于或超过体内空穴的浓度 两者之差两者之差qVF满足满足07_07_金属绝缘体半导体和MOS反型层PN 结 半导体电子论反型层中的电子反型层中的电子 一边是绝缘层，另一边是势垒一边是绝缘层，另一边是势垒 电子被限制在表面附近能量最低的一个狭窄的区域电子被限制在表

6、面附近能量最低的一个狭窄的区域 有时称反型层称为沟道有时称反型层称为沟道 P型半导体的表面反型层是电子构成的型半导体的表面反型层是电子构成的 N沟道沟道10/1307_07_金属绝缘体半导体和MOS反型层PN 结 半导体电子论N沟道晶体管沟道晶体管 在在P型衬底的型衬底的MOS体系中增加两个体系中增加两个N型扩散区型扩散区 源区源区S和漏区和漏区D，构成，构成N沟道晶体管沟道晶体管1) 一般情况一般情况 栅极栅极G电压很小电压很小 只有只有微弱的微弱的PN反向结电流反向结电流S和和D被被P型区隔开，即使在型区隔开，即使在SD之间施加一定的电压之间施加一定的电压 SP和和DP构成两个反向构成两个反向PN结结07_07_金属绝缘体半导体和MOS反型层PN 结 半导体电子论2) 栅极栅极G电压达到或超过一定的阈值电压达到或超过一定的阈值 反型层将源区反型层将源区S和漏区和漏区D连接起来连接起来 在在SD施加电压，有明显电流产生施加电压，有明显电流产生 在在P-Si表面形成表面形成反型层反型层 电子浓度大于体内空穴浓度电子浓度大于体内空穴浓度07_07_金属绝缘体半导体和MOS反型层PN 结 半导体电子论 MOS晶体管处于晶体管处