金属氧化物半导体场效应晶体管

金属氧化物半导体场效应晶体管第1页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.1理想MOS结构表面空间电荷区第六章金属-氧化物-半导体场效应晶体管第2页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.1理想MOS结构表面空间电荷区

理想MOS结构假设（1）氧化物中或氧化物和半导体之间的界面不存在电荷。（2）金属和半导体之间的功函数差为零.〔由假设（1）（2）无偏压时半导体能带平直〕（3）二氧化硅层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过。由假设（3），即使有外加电压，在达到热平衡状态时，整个表面空间电荷区中费米能级为常数，与体内费米能级相平。图6-2bMOS电容器结构和能带图（P192）第3页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.1理想MOS结构的表面空间电荷区图6-3加上电压时MOS结构内的电位分布

半导体表面空间电荷区（厚度um量级P193)在MOS电容两端加上电压，则半导体表面感应电荷为QS=-QM。金属的自由电子浓度很大，金属表面的空间电荷区局限于一个原子厚度。半导体的载流子的浓度比金属中小，在半导体表面形成一个具有相当厚度的空间电荷区。第4页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.1理想MOS结构的表面空间电荷区半导体表面空间电荷区（P193)每个极板上的感应电荷与电场之间关系自由空间电容率氧化物相对介电常数半导体表面电场半导体相对介电常数

空间电荷区在半导体内部边界亦即空间电荷区宽度外加电压为跨越氧化层电压和表面势所分摊（6-2）（6-1）第5页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.1理想MOS结构的表面空间电荷区图6-4几种偏压情况的能带和电荷分布（a）载流子积累、耗尽和反型

第6页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.1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

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。单位面积空间电荷第7页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.1理想MOS结构的表面空间电荷区图6-4几种偏压情况的能带和电荷分布（b）小的（c）大的载流子积累、耗尽和反型

物理PN结场感应结第8页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.1理想MOS结构的表面空间电荷区载流子耗尽

单位面积总电荷

载流子反型

载流子类型发生变化或者半导体的导电类型发生变化（6-6）（6-7）（6-5）载流子积累、耗尽和反型

第9页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.1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（6-17）（6-18）图6-5强反型时的能带图在外电场作用下，可以改变半导体的表面以内相当厚的一层中载流子的浓度和型号，从而可控制该层的导电能力和性质。反型层称导电沟道，半导体表面场效应，MOSFET的物理基础。第10页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.1理想MOS结构的表面空间电荷区

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（6-19）（6-20）（6-21）（6-22）反型和强反型条件(小结8)第11页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.1理想MOS结构的表面空间电荷区小结理想MOS假设意义，即使外加电压，表面空间电荷区也处热平衡状态，整个表面空间电荷区中费米能级为常数。2.偏压由氧化层和半导体承担

3.根据电磁场边界条件，空间电荷与电场具有以下关系4.不同栅偏压使半导体表面出现.载流子积累、耗尽和反型的不同状态。第12页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.1理想MOS结构的表面空间电荷区

小结5.画能带图的依据 a.据理想MOS假设，各种偏压下半导体的费米能级不变； b.半导体中性区的费米能级与金属费米能级分开，其差等栅偏压

c.偏压由氧化层和半导体承担 d.真空能级连续，各能级与真空能级平行。

6.体费米势定义第13页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.1理想MOS结构的表面空间电荷区

小结7.反型和强反型条件8.强反型后，当偏压继续增加时，导带电子在很薄的强反型层中迅速增加，屏蔽了外电场。于是空间电荷区的势垒高度、表面势、固定的受主负电荷以及空间电荷区的宽度基本上保持不变。第14页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.1理想MOS结构的表面空间电荷区

教学要求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掌握载流子积累、耗尽和反型和强反型的概念。正确画流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况能带图。导出反型和强反型条件第15页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.2理想MOS电容器第六章金属-氧化物-半导体场效应晶体管第16页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.2理想MOS电容器单位面积微分电容

MOS系统电容-电压特性:微分电容C与偏压关系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（6-22）（6-23）（6-24）（6-25）第17页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.2理想MOS电容器（6-26）（6-28）（6-29）系统归一化电容图6-7P型半导体MOS的C-V特性电容随偏压变化分成几个区域第18页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.2理想MOS电容器积累区（P198

）MOS系统电容C基本等于绝缘体电容。负偏压逐渐减少，空间电荷区积累空穴数随之减少，且随变化也逐渐减慢，变小。总电容C也就变小。平带情况（P199）（6-40）第19页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.2理想MOS电容器耗尽区（P200）

（6-43）（6-42）（6-44）（6-5）（6-6）第20页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.2理想MOS电容器归一化电容随着外加偏压的增加而减小反型区（P201,小结6）（6-45）（6-46）（6-47）耗尽区第21页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.2理想MOS电容器小结1.MOS电容:氧化层电容和半导体表面空间电荷区电容串联.2.绝缘层单位面积电容3.导体表面空间电荷区单位面积电容第22页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.2理想MOS电容器小结4.归一化电容5.耗尽区

归一化MOS电容随着外加偏压的增加而减小6.反型区

载流子数量变化主要依靠少子产生与复合，这个过程快慢由少子寿命决定，归一化电容与测量信号的频率有关。第23页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.2理想MOS电容器教学要求掌握理想系统电容-电压特性，对图6.7作出正确分析。导出公式（6－45）、（6-46）。第24页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.3沟道电导与阈值电压第六章金属-氧化物-半导体场效应晶体管第25页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.3沟道电导与阈值电压

一沟道电导

为沟道中的电子浓度,为沟道宽度反型层中单位面积总的电子电荷沟道电导（6-51）（6-52）（6-53）第26页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.3沟道电导与阈值电压二阈值电压

定义为形成强反型所需要最小栅电压。出现强反型

沟道电荷受到偏压控制，这正是MOSFET工作的基础。

（6-51）（6-54）第27页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.3沟道电导与阈值电压二阈值电压

定义为形成强反型所需要最小栅电压。

第一项表示形成强反型时，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。（6-55）第28页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.3沟道电导与阈值电压小结1.沟道电导反映了导电沟道的导电能力，沟道电导与器件结构有关，与沟道内载流子迁移率和沟道电荷成正比。2.阈值电压

形成强反型时所需最小栅电压。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。第29页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.3沟道电导与阈值电压

教学要求掌握概念：沟道电导、阈值电压导出沟道电导公式（6-53）导出阈值电压公式（6-54）说明阈值电压的物理意义。第30页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.4实际MOS的电容-电压特性第六章金属-氧化物-半导体场效应晶体管第31页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.4实际MOS的电容-电压特性功函数差的影响第32页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.4实际MOS的电容-电压特性铝电极和P型硅衬底铝的功函数比P型硅的小，铝的费米能级高。功函数差

功函数不同，铝-二氧化硅-P型硅MOS系统在没有外加偏压的时候，在半导体表面存在表面势。因此，欲使能带平直，除去功函数差的影响，就必须在金属电极上加一负电压。平带电压（6-56）第33页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.4实际MOS的电容-电压特性

第34页，共85页，2023年，2月20日，星期四（6-57）在室温下，硅的修正功函数

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，在形式上应该一样。（6-57）功函数差的影响第35页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.4实际MOS的电容-电压特性界面陷阱和氧化物电荷的影响第36页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.4实际MOS的电容-电压特性界面陷阱电荷（interfacetrappedcharge）

硅（100）面约硅（111）面约氧化物固定电荷（fixedoxidecharge）位于界面约3nm的范围内，电荷固定，正的。（100）面约为

（111）面约为

硅MOSFET一般采用（100）晶面,较低。氧化物陷阱电荷（oxidetrappedcharge）可低温退火消除.可动离子电荷（mobileioniccharge）诸如钠离子和其它碱金属离子，高温和高压下工作时，能在氧化层内移动。第37页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.4实际MOS的电容-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平带电压如果氧化层中正电荷连续分布，电荷体密度为（6-58）（6-59）界面陷阱和氧化物电荷的影响第38页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.4实际MOS的电容-电压特性总平带电压有效面电荷实际硅－二氧化硅系统（6-64）(6-61)(6-60)界面陷阱和氧化物电荷的影响为方便，上述四种电荷通称氧化层电荷，记第39页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.4实际MOS的电容-电压特性实际的MOS阈值电压和C-V曲线（P210小结5)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。（6-65）（6-66）第40页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.4实际MOS的电容-电压特性小结1.由于功函数差，MOS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，除去功函数差所带来影响，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.

2.在二氧化硅、二氧化硅－硅界面系统存在电荷：界面陷阱电荷氧化物固定电荷氧化物陷阱电荷可动离子电荷

综合看，可把它们看做位于二氧化硅－硅界面正电荷。第41页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.4实际MOS的电容-电压特性小结3.克服二氧化硅内位于x处电荷片造成能带弯曲需平带电压4.如果氧化层中正电荷连续分布，电荷体密度为，总平带电压5.实现平带条件所需的偏压叫做平带电压

理想MOS的C-V曲线沿着电压轴平移可得实际的C-V曲线。第42页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.4实际MOS的电容-电压特性小结6.实际MOS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

所需外加电压；

第四项是出现强反型层时，半导体表面所需的表面势。第43页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.4实际MOS的电容-电压特性教学要求画出铝－二氧化硅－硅系统的能带图。根据能带图说明是否等于？

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。第44页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.4实际MOS的电容-电压特性教学要求平带电压公式掌握实际阈值电压的公式及各项的意义理想MOSC－V曲线沿电压轴平移可得实际MOSC－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。作业：6.4、6.5、6.6、6.7、6.8。第45页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.5MOS场效应晶体管第六章金属-氧化物-半导体场效应晶体管第46页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.5MOS场效应晶体管

基本结构和工作过程(小结1234)图6-15MOSFET的工作状态和输出特性：（a）低漏电压时第47页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.5MOS场效应晶体管

基本结构和工作过程(小结1234)图6-15MOSFET的工作状态和输出特性：（b）开始饱和第48页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.5MOS场效应晶体管

基本结构和工作过程(小结1234)图6-15MOSFET的工作状态和输出特性：（c）饱和之后第49页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.5MOS场效应晶体管

静态特性图6-16N沟道MOS晶体管第50页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.5MOS场效应晶体管

分析中主要假设：（1）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；（3）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。静态特性第51页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.5MOS场效应晶体管线性区

感应沟道电荷

漂移电子电流

萨支唐（C.T.Sah）方程（6-68）（6-69）（6-70）（6-67）第52页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.5MOS场效应晶体管

考虑到沟道电压的作用第53页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.5MOS场效应晶体管

所有抛物线顶点右边的曲线没有物理意义图6-17式（6-68）和式（6-70）的比较第54页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.5MOS场效应晶体管

饱和区

假设在L点发生夹断

此式在开始饱和时有效。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。（6-73）（6-74）第55页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.5MOS场效应晶体管

图6-18N沟道MOSFET的电流电压特性N沟道MOSFET的电流电压特性第56页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.5MOS场效应晶体管

例题：采用6.4节例题中MOS结构MOSFET。已知参数计算解：6.3节中

第57页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.5MOS场效应晶体管小结当MOSFET栅极加上足够大的正电压

时，中间的MOS结构发生反型，在两个

区之间的P型半导体表面形成一个反型层。于是源和漏之间被能通过大电流的N型表面沟道连接在一起。改变栅电压可以调制这个沟道的电导（场效应）,从而调制沟道电流。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。线性区第58页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.5MOS场效应晶体管小结3.当漏电压增加时，由于从源到漏存在电压，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。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，晶体管的这种工作状态称为饱和工作状态。饱和条件4.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缩短，因此漏电流将增加从而呈现不饱和特性。这种现象叫做沟道长度调制效应。第59页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.5MOS场效应晶体管小结5.

萨支唐方程

6.线性区电流7.饱和区电流（6-70）（6-71）（6-72）第60页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.5MOS场效应晶体管

教学要求画出结构示意图说明MOS场效应晶体管工作原理。导出萨支唐方程（6-70）

导出漏电流修正为公式（6-72）说明夹断条件的物理意义

导出饱和区I－V特性公式（6-74）

作业：6.9、6.10、6.11第61页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.6等效电路和频率响应第六章金属-氧化物-半导体场效应晶体管第62页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.6等效电路和频率响应

图6-20MOS晶体管的小信号等效电路。MOSFET的等效电路第63页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.6等效电路和频率响应

小信号参数1.线性导纳

线性区电阻(开态电阻或导通电阻)

（6-76）（6-75）（6-77）第64页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.6等效电路和频率响应

图6-19MOSFET中沟道导纳与的对应关系线性导纳第65页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.6等效电路和频率响应

2.跨导

线性区：饱和区：

设为常数成立，饱和区跨导表示式和线性区导纳相同.（6-79）（6-78）（6-80）第66页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.6等效电路和频率响应

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

（6-81）第67页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.6等效电路和频率响应

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。线性区饱和区

为了提高工作频率或工作速度，沟道长度要短，载流子迁移率要高。（6-82）第68页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.6等效电路和频率响应小结漏极导纳也叫做线性导纳(饱和区漏电流不随漏电压变化)。根据公式（6-76）可由电流-电压曲线测出漏极导纳，根据公式（6-77）可计算出漏极导纳。同样根据公式公式（6-79）、（6-80）和（6-81）可以分别测出和计算出跨导并将实验测量结果和计算结果比较。栅极电容

为绝缘层电容。输入电压信号加在栅极电容上，MOSFET具有比JFET更高的输入阻抗。第69页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.6等效电路和频率响应小结4.最高工作频率频率

线性区

饱和区

为了提高工作频率或工作速度，沟道长度要短，载流子迁移率要高。（6-83b）（6-83a）第70页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.6等效电路和频率响应

教学要求掌握交流小信号参数线性导纳、导通电阻、线性区跨导、饱和区跨导、饱和区的漏极电阻栅极电容画出交流等效电路图6-20计算截止频率，提高工作频率或工作速度途径作业：6.11、6.12第71页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.7亚阈值区第六章金属-氧化物-半导体场效应晶体管第72页，共85页，2023年，2月20日，星期四当栅电压低于阈值电压，半导体表面仅仅只是弱反型时，相应的漏电流称为亚阈值电流。在亚阈值区，对漏电流起决定作用的是载流子扩散而不是漂移。漏电流可以用推导均匀掺杂基区的双极晶体管集电极电流的相同方法导出（6-86）6.7亚阈值区小结第73页，共85页，2023年，2月20日，星期四3.用做数字逻辑电路开关及存储器使用时，亚阈值区特别重要。这是因为亚阈值区描述了开关如何导通和截止。4.必须将MOSFET偏置在比

低0.5V（实例）或更低电压值，以使亚阈值区电流减小到可忽略。6.7亚阈值区小结第74页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.8场效应晶体管的类型第六章金属-氧化物-半导体场效应晶体管第75页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.8场效应晶体管的类型按照反型层类型不同，MOSFET可分四种N沟MOSFET：N沟增强型N沟耗尽型

若在零栅压下沟道电导很小，栅极必须加上正偏压才能形成导电沟道，这种器件就是增强型N沟MOSFET。若在零偏压下已存在N型沟道，为了减小沟道电导，栅极必须加负偏压以耗尽沟道载流子，这样的器件是耗尽型N沟MOSFET。P沟MOSFET：P沟增强型P沟耗尽型第76页，共85页，2023年，2月20日，星期四6.8场效应晶体管的类型N沟MOSFET：N沟增强型N沟耗尽型增强型N沟器件，要使沟道通过一定的电流，正的栅偏置电压必须比阈值电压大。耗尽型N沟器件，在零栅压时，沟道已可流过很大的电流，改