第4章 MOS场效应晶体管.ppt

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1、第4章MOS场效应晶体管4.1MOS结构与基本性质4.1.1理想MOS结构与基本性质MOS结构指金属-氧化物-半导体结构。为便于讨论，规定在金属栅上所加电压UG相对于P型半导体衬底为正，称为正向偏置电压;反之则为反向偏置电压。MOS二极管结构a)透视图b)剖面图1.理想MOS二极管的定义与能带1）在外加零偏压时，金属功函数与半导体函数之间没有能量差，或两者的功函数差qφms为零UG=0时理想MOS二极管的能带图2）在任何偏置条件下，MOS结构中的电荷仅位于半导体之中，而且与邻近氧化层的金属表面电荷数量大小相等，但符号相反。3）氧

2、化膜是一个理想的绝缘体，电阻率为无穷大，在直流偏置条件下，氧化膜中没有电流通过。理想MOS二极管不同偏压下的能带图及电荷分布积累现象耗尽现象反型现象2.表面势与表面耗尽区下图给出了P型半导体MOS结构在栅极电压UG>>0情况下更为详细的能带图。在下面的讨论中，定义与费米能级相对应的费米势为因此，对于P型半导体，对于N型半导体，静电势ψ的定义如图所示而空穴和电子的浓度也可表示为ψ的函数当能带如上图所示向下弯曲时，ψ为正值,表面载流子的浓度分别为通过以上讨论，以下各区间的表面电势可以区分为：Ψs<0空穴积累（能带向上弯曲）；Ψs=0

3、平带情况；ΨF>Ψs>0空穴耗尽（能带向下弯曲）；ΨF=Ψs表面上正好是本征的ns=ps=niΨF<Ψs反型情况（反型层中电子积累，能带向下弯曲）。电势与距离的关系，可由一维泊松方程求得对泊松方程积分，可得表面耗尽区的静电势分布为表面势ψs为此电势分布与单边PN+结相同。3.理想MOS结构的电容-电压特性MOS结构的总电容C是由氧化膜电容COX与半导体表面空间电荷区的微分电容Cd串联组成，如下图所示MOS电容等效示意图在平带条件下对应的总电容称为MOS结构的平带电容CFB右图表示了P型半导体MOS结构的理想C-U曲线MOS电容-

4、电压曲线4.1.2实际MOS结构及基本特性几种影响理想MOS结构的特性1.功函数差的影响左图为几种主要硅栅极材料的功函数差随浓度的变化在实际的MOS结构中，金属-半导体功函数差不等于零，半导体能带需向下弯曲，如图所示，这是因为在热平衡状态下，金属含正电荷，而半导体表面则为负电荷为了达到理想平带状况，需要外加一个相当于功函数差qфms的电压，使能带变为如下图所示的状况。平带情况2.氧化层中电荷的影响在通常的SiO2-Si结构中包括以下四种情况，如下图系统电荷示意图1）界面中陷阱电荷2）氧化层中的固定电荷3）氧化层陷阱电荷4）可动离

5、子电荷当金属-半导体的功函数差和氧化膜中电荷都存在时，MOS结构的平带电压为1.MOS晶体管的基本结构4.2MOS场效应晶体管的工作原理与基本特性4.2.1MOS场效应晶体管的基本工作原理MOS场效应晶体管基本结构示意图2.MOS管的基本工作原理MOS场效应晶体管的工作原理示意图4.2.2MOS场效应晶体管的转移特性MOS场效应晶体管可分为以下四种类型:N沟增强型、N沟耗尽型、P沟增强型、P沟耗尽型。1.N沟增强型MOS管及转移特性2.N沟耗尽型MOS管及转移特性3.P沟增强型MOS管及转移特性4.P沟耗尽型MOS管及转移特性4

6、.2.3MOS场效应晶体管的输出特性同双极型晶体管一样，场效应晶体管的许多基本特性可以通过它的特性曲线表示出来。N沟MOS场效应晶体管的偏置电压它的输出特性曲线则如下图所示：下面分区进行讨论：1.可调电阻区(线性工作区)可归纳为：外加栅压UGS增大，反型层厚度增加，因而漏源电流随UDS线性增加，其电压-电流特性如上图中UGS=5V曲线中的OA段所示。UDS较小时，导电沟道随UGS的变化a)UGSUT出现沟道c)UGS>>UT沟道增厚2.饱和工作区此时的电流-电压特性对应与特性图中UGS=5V曲线的AB段

7、。导电沟道随UDS的变化a)UDS很小沟道电阻式常数b)UDS=UDSat开始饱和c)UDS>>UDSat漏极电流不再增加可以得出使沟道夹断进入饱和区的条件为UDS>>UGS-UT.3.击穿工作区此时的电流-电压特性曲线对应于特性图中UGS=5V的BC段。四种MOS晶体管的结构、接法和特性曲线a)N沟道增强型b)N沟道耗尽型c)P沟道增强型d)P沟道耗尽型4.3MOS场效应晶体管的阀值电压4.3.1阀值电压1.MOS结构中的电荷分布对于MOS结构的P型半导体，其费米势为：左图给出了MOS结构强反型时的能带图和电荷分布图。能带图电

8、荷分布图2.理想MOS结构的阀值电压理想MOS结构是指忽略氧化层中的表面态电荷密度，且不考虑金属-半导体功函数差时的一种理想结构。理想MOS结构的阀值电压为3.实际MOS结构的阀值电压在实际的MOS结构中，存在表面态电荷密度QOX和金属-半导体功函数差фms。因