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Lienfeld和Heil于30年代初就提出了表面场效应晶体管原理。40年代末Shockley和Pearson进行了深入研究。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是英文缩写词。其它叫法：绝缘体场效应晶体管（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）等。6.1理想MOS结构的表面空间电荷区6.1理想MOS结构的表面空间电荷区理想MOS结构基于以下假设：（1）在氧化物中或在氧化物和半导体之间的界

2、面上不存在电荷。（2）金属和半导体之间的功函数差为零，如绘于图6-2b中的情形。〔由于假设（1）、（2），在无偏压时半导体能带是平直的。〕（3）层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过。因此，即使有外加电压，表面空间电荷区也处于热平衡状态，这使得整个表面空间电荷区中费米能级为常数。这些假设在以后将被取消而接近实际的MOS结构。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：每个极板上的感应电荷与电场之间满足如下关系（6-1）式中=自由空间的电容率=氧化物的相对介电常数=半导体表面的电场=半导体相对介电常数=空间电荷区在半导体内部的边界亦即空间电荷区宽度。外加电压为跨越氧化层的电压和

3、表面势所分摊：（6-2）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。单位面积下的空间电荷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（a），（b）小的，（c）大的6.1理想MOS结构的表面空间电荷区载流子耗尽单位面积下的总电荷为式中为耗尽层宽度。载流子反型：载流子类型发生变化的现象或者说半导体的导电类型发生变化的现象。图6-4几种偏压情况的能带和电荷分布：（a），（b）小的，（c）大的

4、（6-6）（6-7）（6-5）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；式中为出现强反型时的表面势。（6-17）（6-18）6.1理想MOS结构的表面空间电荷区图6-5强反型时的能带图6.1理想MOS结构的表面空间电荷区总表面空间电荷为反型层中单位面积下的可动电荷即沟道电荷：（6-19）（6-20）（6-21）（6-52）6.1理想MOS结构的表面空间电荷区小结理想MOS结构基于以下假设：（1）在氧化物中或在氧化物和半导体之间的界面上不存在电荷。（2）金属和半导体之间的功函数差为零，如绘于图6-2b中的情形。〔由于假设（1）、（2），在无偏压时半

5、导体能带是平直的。〕（3）层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过。因此，即使有外加电压，表面空间电荷区也处于热平衡状态，这使得整个表面空间电荷区中费米能级为常数。偏压使半导体表面具有表面势，出现表面空间电荷区。空间电荷与电场具有以下关系（6-1）6.1理想MOS结构的表面空间电荷区小结载流子积累、耗尽和反型的概念。载流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况的能带图。体费米势的概念：反型和强反型条件：反型条件；强反型条件；（6-8）（6-17）（6-18）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

6、和强反型的概念。正确画出流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况的能带图。导出反型和强反型条件（6-1）6.2理想MOS电容器6.2理想MOS电容器系统单位面积的微分电容微分电容C与外加偏压的关系称为MOS系统的电容—电压特性。若令（6-22）（6-23）（6-24）（6-25）6.2理想MOS电容器则=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。称为系统的归一化电容。（6-26）（6-28）（6-29）6.2理想MOS电容器将电容随偏压的变化分成几个区域，变化大致情况如图6-7所示。图6-7P型半导体MOS的C-V特性6.2理想MOS电容器积累区（<0）MOS系统的电容C基

7、本上等于绝缘体电容。当负偏压的数值逐渐减少时，空间电荷区积累的空穴数随之减少，并且随的变化也逐渐减慢，变小。总电容C也就变小。平带情况（=0）（6-40）由掺杂浓度和氧化层厚度确定（6-40）6.2理想MOS电容器耗尽区（>0）氧化层电容，代入（6-2）式中有（6-43）（6-42）（6-44）和把（6-5）（6-6）6.2理想MOS电容器代入（6-44）式解出归一化电容随着外加偏压的增加而减小.反型区（>0）（6-45）（6-46