半导体器件物理5孟庆巨.ppt

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1、第五章MOS场效应晶体管主要内容一、MOSFET的基本结构二、MOSFET的工作原理三、MOSFET的直流特性曲线四、MOSFET的种类五、MOSFET的电容与频率特性六、MOSFET的技术发展场效应晶体管（FieldEffectTransistor)是一种电压控制器件，用输入电压控制输出电流的半导体器件，仅由一种载流子参与导电。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。从场效应晶体管的结构来划分，它有三大类。1.结型场效应晶体管JFET(JunctiontypeFieldEffectTransistor)2.金属半导体场效应晶体管MESFET(M

2、etalSemiconductorFieldEffectTransistor)3.金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor）随着集成电路设计和制造技术的发展，目前大部分超大规模集成电路都是MOS集成电路。在数字集成电路，尤其是微处理机和存储器方面，MOS集成电路几乎占据了绝对的位置。此外，MOS在一些特种器件，如CCD（电荷耦合器件）和敏感器件方面应用广泛。促进MOS晶体管发展主要有以下四大技术：(a)半导体表面的稳定化技术(b)各种栅绝缘膜的实用化(c)自对准结构MOS工艺(d)阈值电压的控制技术MO

3、SFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。一、MOSFET的基本结构1、MOS场效应晶体管的结构D(Drain)为漏极，相当c；G(Gate)为栅极，相当b；S(Source)为源极，相当e。B(substrate),衬底极。通常接地，有时为了控制电流或由于电路结构的需要，在衬底和源之间也加一个小偏压(VBS)。MOS场效应晶体管是四端器件。若栅极材料用金属铝，则称“铝栅”器件；若栅

4、极材料用高掺杂的多晶硅，则称“硅栅”器件。目前绝大部分芯片生产厂家是采用“硅栅”工艺。对NMOS晶体管，源和漏是用浓度很高的N＋杂质扩散而成。在源、漏之间是受栅电压控制的沟道区，沟道区长度为L，宽度为W。对于NMOS，通常漏源之间加偏压后，将电位低的一端成为源，电位高的一端称为漏，电流方向由漏端流向源端。2、MIS结构（1）表面空间电荷层和反型层表面空间电荷层和反型层实际上属于半导体表面的感生电荷。MIS结构上加电压后产生感生电荷的四种情况。以P半导体的MIS结构为例。当栅上加负电压，所产生的感生电荷是被吸引到表面的多子（空穴），在半导体表面形成积累层。当栅上加正电压，电场的作用使多数载流子

5、被排斥而远离表面，从而在表面形成由电离受主构成的空间电荷区，形成耗尽层。此时，虽然有少子（电子）被吸引到表面，但数量很少。这一阶段，电压的增加只是使更多的空穴被排斥走，负空间电荷区加宽。随着正电压的加大,负电荷区逐渐加宽，同时被吸引到表面的电子也随着增加。当电压达到某一“阈值”时，吸引到表面的电子浓度迅速增大，在表面形成一个电子导电层，即反型层。反型层出现后，再增加电极上的电压，主要是反型层中的电子增加，由电离受主构成的耗尽层电荷基本不再增加。（2）形成反型层的条件当VG较小时，表面处的能带只是略微向下弯曲，使表面费米能级EF更接近本征费米能级Ei，空穴浓度减少，电子浓度增加，但与电离受主的

6、空间电荷相比仍较少，可忽略。VG继续增大，使表面费米能级EF与本征费米能级Ei时，表面电子浓度开始要超过空穴浓度，表面将从P型转为N型，称为“弱反型”。发生弱反型时，电子浓度仍旧很低，并不起显著的导电作用。当表面势达到费米势的两倍，表面电子的浓度正好与体内多子空穴的浓度相同，称为“强反型”。此时，栅极电压VG称为阈值电压VT。VG继续增大，耗尽层电荷QB和表面势Vs＝VF基本不再变化，只有反型层载流子电荷随电压VG增加而增加。对于表面反型层中的电子，一边是绝缘层，一边是导带弯曲形成的一个陡坡（空间电荷区电场形成的势垒），因此，反型层通常又称沟道。P型半导体的表面反型层由电子构成，称为N沟道。

7、同理N型半导体的表面反型层由空穴构成，称为P沟道。（3）发生强反型时，能带向下弯曲2qVF，即表面势达到费米势的两倍：施加在栅电极上的电压VG为阈值电压VT：式中QB为强反型时表面区的耗尽层电荷密度，Cox为MIS结构中一绝缘层为电介质的电容器上的单位面积的电容：三、MOSFET的直流特性1、阈值电压平带电压VFB在实际的MOS结构中，栅氧化层中往往存在电荷（Qfc），金属—半导体功函数差Vms也不等于零（金