第6章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管

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1、第六章金属-氧化物-半导体场效应晶体管30年代初,Lienfeld和Heil提出表面场效应晶体管原理。40年代末,Shockley和Pearson进行深入研究。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其它叫法：绝缘栅场效应晶体管（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）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6.1理想MOS结构表面空间电荷区理想MOS结构假设

2、（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）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，

3、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。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）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

4、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

5、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。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)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

6、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。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。6.1

7、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）6.2理想MOS电容器（6-26）（6-28）（6-29）系统归一化电容图6

8、-7P型半导体MOS的C-V特性电容随偏压变化分成几个区域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