半导体器件物理19

1、第五章第五章 MOS 场效应晶体管场效应晶体管1基本结构基本结构 5.1 MOS 场效应晶体管的结构和工作原理场效应晶体管的结构和工作原理MOS 管的基本参数主要有：管的基本参数主要有：沟道长度沟道长度 （两个（两个 结间的结间的距离）；沟道宽度距离）；沟道宽度 ；氧化层厚度；氧化层厚度 ；漏区和源区的结；漏区和源区的结深深 ；衬底掺杂浓度；衬底掺杂浓度 等。等。PNx0 xjNaLZ上一章简单提到了金属上一章简单提到了金属/ /半导体场效应晶体管（半导体场效应晶体管（MESFET），），它的工作原理和它的工作原理和 JEFET 的工作原理有许多类似之处。如果的工作原理有许多类似之处。如果在金

2、属半导体结之间加一层氧化物绝缘层（如在金属半导体结之间加一层氧化物绝缘层（如 SiO2）就）就可以形成另一种场效应晶体管，即：金属可以形成另一种场效应晶体管，即：金属/ /氧化物氧化物/ /半导体半导体场效应晶体管（场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，缩写，缩写 MOSFET），如上图所示。），如上图所示。本章主要以本章主要以金属金属/ /SiO2/P型型Si 构成的构成的 MOS 管为例来讨论其工管为例来讨论其工作原理。作原理。MOS 场效应晶体管可以以半导体场效应晶体管可以以半导体 Ge、Si 为材料，也可以用为

3、材料，也可以用化合物化合物 GaAs、InP 等材料制作，目前以使用等材料制作，目前以使用 Si 材料的最多。材料的最多。MOS 器件栅下的绝缘层可以选用器件栅下的绝缘层可以选用 SiO2、Si3N4 和和 Al2O3 等绝等绝缘材料，其中使用缘材料，其中使用 SiO2 最为普遍。最为普遍。 MOS 管主要是利用半导体表面效应而制成的晶体管，参与工管主要是利用半导体表面效应而制成的晶体管，参与工作的只有一种载流子（即多数载流子），所以又称为单极型作的只有一种载流子（即多数载流子），所以又称为单极型晶体管。在双极型晶体管中，参加工作的不仅有多数载流子，晶体管。在双极型晶体管中，参加工作的不仅有多

4、数载流子，也有少数载流子，故称为双极型晶体管。也有少数载流子，故称为双极型晶体管。（1）载流子积累）载流子积累2载流子的积累、耗尽和反型载流子的积累、耗尽和反型先不考虑漏极电压先不考虑漏极电压 ，将源极和衬底接地，如图所示。如果，将源极和衬底接地，如图所示。如果在栅极加一负偏压（在栅极加一负偏压（ ），就将产生由衬底指向栅极的垂），就将产生由衬底指向栅极的垂直电场。在电场作用下，将使空穴在半导体表面积累，而电子直电场。在电场作用下，将使空穴在半导体表面积累，而电子在金属表面积累。在金属表面积累。 VD0GV（2）载流子耗尽）载流子耗尽如果在栅极加一正偏压（如果在栅极加一正偏压（ ），就将产生由

5、栅极指向衬），就将产生由栅极指向衬底的垂直电场。在此电场作用下，将造成半导体表面多子空底的垂直电场。在此电场作用下，将造成半导体表面多子空穴耗尽（即在半导体表面感应出负电荷，这些负电荷是空间穴耗尽（即在半导体表面感应出负电荷，这些负电荷是空间电荷，不可移动），而在金属表面感应出正电荷，如图所示。电荷，不可移动），而在金属表面感应出正电荷，如图所示。 0GV（3）载流子反型）载流子反型若在耗尽的基础上进一步增大偏压若在耗尽的基础上进一步增大偏压 ，半导体表面将由耗尽，半导体表面将由耗尽逐步进入反型状态。在反型层中，少子电子浓度高于本征载逐步进入反型状态。在反型层中，少子电子浓度高于本征载流子浓度

6、，而多子空穴的浓度低于本征载流子浓度，这一层流子浓度，而多子空穴的浓度低于本征载流子浓度，这一层半导体由半导体由 P 型变成了型变成了 N 型。在半导体表面产生电子积累，这型。在半导体表面产生电子积累，这些电子是可以移动的，如图所示。些电子是可以移动的，如图所示。VG达到强反型时，半导体表面附近出现的与体内极性相反的电达到强反型时，半导体表面附近出现的与体内极性相反的电子导电层，在子导电层，在 MOS 场效应晶体管中称之为导电沟道，电子场效应晶体管中称之为导电沟道，电子导电的反型层称作导电的反型层称作 N 沟道。沟道。 当栅压当栅压 增加到使半导体表面积累的电子浓度等于或超过增加到使半导体表面

7、积累的电子浓度等于或超过衬底内部的空穴平衡浓度衬底内部的空穴平衡浓度 时，半导体表面达到强反型，时，半导体表面达到强反型，此时所对应的栅压称为阈值电压（通常用此时所对应的栅压称为阈值电压（通常用 表示）。表示）。p0pVTHVG当今，大多数集成电路都是同时采用当今，大多数集成电路都是同时采用 N 沟和沟和 P 沟两种器件，沟两种器件，称为互补称为互补 MOSFET （或（或CMOS）。将）。将 换成换成 ，而衬底，而衬底不变，可形成不变，可形成 P 沟道。沟道。 NP3工作过程工作过程（1） 时的工作过程时的工作过程VVTHG上面分析表明，当栅极电压大于阈值电压（上面分析表明，当栅极电压大于阈

8、值电压（ ）时，）时，在两个在两个 区之间的区之间的 P 型半导体形成一个表面反型层（即导型半导体形成一个表面反型层（即导电沟道）。于是源和漏之间被能通过大电流的电沟道）。于是源和漏之间被能通过大电流的 N 型表面沟道型表面沟道连接在一起。这个沟道的电导可以通过改变栅电压连接在一起。这个沟道的电导可以通过改变栅电压 来调来调控。背面接触（称为下栅极）可以接参考电压或负电压，这控。背面接触（称为下栅极）可以接参考电压或负电压，这个电压也会影响沟道电导。个电压也会影响沟道电导。VVTHGNVG 若加一小的漏电压若加一小的漏电压 ，电子将通过沟道从源极（，电子将通过沟道从源极（S）流到）流到漏极（漏

9、极（D）。因此，沟道的作用相当于一个电阻，且漏电流）。因此，沟道的作用相当于一个电阻，且漏电流 与漏电压与漏电压 近似成正比。这是线性区，可用一条恒定电阻的近似成正比。这是线性区，可用一条恒定电阻的直线来表示，如图所示。直线来表示，如图所示。 VDIDVD 当漏电压当漏电压 增加时，由于从漏极到源极存在电压降，因增加时，由于从漏极到源极存在电压降，因此，导电沟道从此，导电沟道从 逐渐变窄，甚至使逐渐变窄，甚至使 处反型层宽处反型层宽度减小到零。这种现象叫做沟道夹断（如图所示）。沟道夹度减小到零。这种现象叫做沟道夹断（如图所示）。沟道夹断发生的地点叫夹断点，图中用断发生的地点叫夹断点，图中用 P

10、 表示。夹断时的漏电压记表示。夹断时的漏电压记为为 ，此时对应的漏极电流记为，此时对应的漏极电流记为 。Ly L0VDsatVDIDsat 夹断以后，漏电流基本上保持不变，因为当夹断以后，漏电流基本上保持不变，因为当 时，时，夹断点左移，但夹断点的电压保持不变，即电导沟道两端的电夹断点左移，但夹断点的电压保持不变，即电导沟道两端的电压保持不变。因而从漏到源的电流也不变。主要变化是压保持不变。因而从漏到源的电流也不变。主要变化是 的的缩短。载流子在缩短。载流子在 P 点注入到漏耗尽区，这与双极晶体管载流子点注入到漏耗尽区，这与双极晶体管载流子从基区注入到集电结耗尽区的情况非常类似。通过以上分析可

11、从基区注入到集电结耗尽区的情况非常类似。通过以上分析可以看到以看到 MOSFET 的的 特性和特性和 JFET 的很相似。的很相似。LVIDDVVDsatD若施加不同的栅极电压若施加不同的栅极电压 ，可以得到如图所示的输出特性，可以得到如图所示的输出特性曲线。曲线。VG（2） 时的特性时的特性VVTHG当栅极施加正向电压且在当栅极施加正向电压且在 范围内时，半导体表面没范围内时，半导体表面没有出现导电沟道，在漏极加上电压有出现导电沟道，在漏极加上电压 （ ），则漏端），则漏端 PN 结为反偏，流过漏源的电流很小，只是结为反偏，流过漏源的电流很小，只是 PN 结反向饱和电结反向饱和电流，这种工作状态称为截止状态。流，这种工作状态称为截止状态。VVTHGVD0DV3MOS 场效应晶体管的分类场效应晶体管的分类MOS 场效应管的分类和场效应管的分类和 JFET 的分类类似。根据形成导电沟的分类类似。根据形成导电沟道的起因和沟道中载流子的类别，道的起因和沟道中载流子的类别，MOS 场效应晶体管可分为场效应晶体管可分为 N 沟和沟和 P 沟两大类。根据沟两大类。根据 时的工作状态分为增强型时的工作状态分为增强型（ 时不存在导电沟道，只有当外加栅电压大于阈值电时不存在导电沟道，只有当外加栅电压大于阈值电压时才形成导电沟道）和耗尽型（压时才形成导电