第五章 mos场效应晶体管

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1、第五章MOS场效应晶体管第五章MOS场效应晶体管§5.1MOS场效应晶体管的结构和工作原理1．基本结构上一章我们简单提到了金属－半导体场效应晶体管（即MESFET），它的工作原理和JEFET的工作原理有许多类似之处。如果在金属－半导体结之间加一层氧化物绝缘层（如SiO2）就可以形成另一种场效应晶体管，即金属－氧化物－半导体场效应晶体管（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor，缩写MOSFET），如图所示（P172）。MOS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

2、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，也有少数载流子，故称为双极型晶体管。本章主要以金属―SiO2―P型Si构成的MOS管为例来讨论其工作原理。器件的基本参数是：沟道长度L（两个结间的距离）；沟道宽度Z；氧化层厚度；漏区和源区的结深；衬底掺杂浓度等。MOS场效应晶体管可以以半导体Ge、Si为材料，也可以用化合物GaAs、InP等材料制作，目前以使用Si材料的最多。MOS器件栅下的绝缘层可以选用SiO2、Si3N4和Al2O3等绝缘材料，其中使用SiO2最为普遍。2．载流子的积累、耗尽和反型（1）载流子积累我

3、们先不考虑漏极电压，将源极和衬底接地，如图所示。如果在栅极加一负偏压（），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，而电子在金属表面积累，如图所示。（2）载流子耗尽21第五章MOS场效应晶体管如果在栅极加一正偏压（），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。（3）载流子反型若在耗尽的基础上进一步增加偏压，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流子浓

4、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P型变成了N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。当栅压增加到使半导体表面积累的电子浓度等于或超过衬底内部的空穴平衡浓度时，半导体表面达到强反型，此时所对应的栅压称为阈值电压（通常用表示）。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MOS场效应晶体管中称之为导电沟道，电子导电的反型层称作N沟道。3．工作过程（1）时的工作过程上面分析表明，当栅极电压大于阈值电压（）时，在两个N＋区之间的P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

5、过大电流的N型表面沟道连接在一起。这个沟道的电导可以用改变栅电压来调制。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。①若加一小的漏电压，电子将通过沟道从源极（S）流到漏极（D）。因此，沟道的作用相当于一个电阻，且漏电流和漏电压成正比。这是线性区，可用一条恒定电阻的直线来表示，如图（a）所示。②当漏电压增加时，由于从漏极到源极存在电压降，因此，导电沟道从0～L逐渐变窄，甚至使21第五章MOS场效应晶体管处反型层宽度减小到零。这种现象叫做沟道夹断（如图（b）所示）。沟道夹断发生的地点叫夹断点，图中用P表示。夹断时的漏电压记

6、为。③夹断以后，漏电流基本上保持不变，因为当时，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压保持不变。因而从漏到源的电流也不变。主要变化是L的缩短，比如从L缩短到，如图（c）所示。载流子在P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。通过以上分析可以看到MOSFET的I－V特性和JFET的很相似。若施加不同的栅极电压，可以得到如果所示的输出特性曲线。（2）时的特性21第五章MOS场效应晶体管当栅极施加正向电压且在范围内时，半导体表面没有出现导电沟道，在漏极加上电压（），则漏端PN结为反偏，流过漏源的电

7、流很小，只是PN结反向饱和电流，这种工作状态称为截止状态。3．MOS场效应晶体管的分类MOS场效应管的分类和JFET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，MOS场效应晶体管可以N沟和P沟两大类。根据时的工作状态分为增强型（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（已存在导电沟道，要使耗尽型MOS器件的沟道消失，必须施加一个栅极电压）两类。因此MOS场效应晶体管可以分为4种不同的类型：N沟耗尽型、N沟增强型、P沟耗尽型、P沟增强型。§5.2MOS场效应晶体管的阈值电压1．MOS结构中的电荷分布如上所述

8、，阈值电压是栅下半导体表面出现强反型时所加的栅源电压，所谓强反型是指表面积累的少子浓度等于甚至超过衬底多数载流子浓度的状态，即能带弯曲至