2161理想MOS结构的表面空间电荷区解析

MOS管MOS管结构原理图解mos管是金属（metal）—氧化物（oxide）—半导体（semiconductor）场效应晶体管，或者称是金属—绝缘体（insulator）—半导体。

MOS管的source和drain是可以对调的，他们都是在P型backgate中形成的N型区。

在多数情况下，这个两个区是一样的，即使两端对调也不会影响器件的性能。

这样的器件被认为是对称的。

双极型晶体管把输入端电流的微小变化放大后，在输出端输出一个大的电流变化。

双极型晶体管的增益就定义为输出输入电流之比（beta）。

另一种晶体管，叫做场效应管（FET），把输入电压的变化转化为输出电流的变化。

FET的增益等于它的transconductance，定义为输出电流的变化和输入电压变化之比。

市面上常有的一般为N 沟道和P沟道，详情参考右侧图片（N沟道耗尽型MOS管）。

而P沟道常见的为低压mos管。

场效应管通过投影一个电场在一个绝缘层上来影响流过晶体管的电流。

事实上没有电流流过这个绝缘体，所以FET管的GATE电流非常小。

最普通的FET用一薄层二氧化硅来作为GATE极下的绝缘体。

这种晶体管称为金属氧化物半导体（MOS）晶体管，或，金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）。

因为MOS管更小更省电，所以他们已经在很多应用场合取代了双极型晶体管。

mos管优势1.可应用于放大。

由于场效应管放大器的输入阻抗很高，因此耦合电容可以容量较小，不必使用电解电容器。

2.很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。

常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。

3.可以用作可变电阻。

4.可以方便地用作恒流源。

5.可以用作电子开关。

6.在电路设计上的灵活性大。

栅偏压可正可负可零，三极管只能在正向偏置下工作，电子管只能在负偏压下工作。

另外输入阻抗高，可以减轻信号源负载，易于跟前级匹配。

MOS管结构原理图解1、结构和符号（以N沟道增强型为例）在一块浓度较低的P型硅上扩散两个浓度较高的N型区作为漏极和源极，半导体表面覆盖二氧化硅绝缘层并引出一个电极作为栅极。

MOS管电路工作原理及详解在电子电路的世界里，MOS 管（MetalOxideSemiconductor FieldEffect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种极其重要的元件。

它的性能卓越，应用广泛，从简单的电子设备到复杂的集成电路，都能看到MOS 管的身影。

为了更好地理解和运用MOS 管，我们需要深入探究其电路工作原理。

MOS 管主要有两种类型：增强型和耗尽型。

增强型 MOS 管又分为N 沟道增强型和 P 沟道增强型；耗尽型 MOS 管同样分为 N 沟道耗尽型和 P 沟道耗尽型。

在实际应用中，增强型 MOS 管更为常见。

先来说说 N 沟道增强型 MOS 管的结构。

它由一块 P 型半导体作为衬底，在上面扩散两个高浓度的 N 型区，分别作为源极（S）和漏极（D）。

在源极和漏极之间的衬底表面覆盖一层很薄的二氧化硅绝缘层，然后在绝缘层上沉积一层金属铝，形成栅极（G）。

当栅极电压为零时，源极和漏极之间没有导电沟道，MOS 管处于截止状态。

当在栅极和源极之间加上正向电压（VGS），并且 VGS 超过一定的阈值电压（VT）时，在靠近栅极下方的 P 型半导体表面会形成一个N 型导电沟道。

此时，若在漏极和源极之间加上电压（VDS），就会有电流（IDS）从漏极流向源极，MOS 管处于导通状态。

而且，IDS的大小与 VGS 和 VDS 都有关系。

在 VGS 一定的情况下，当 VDS 较小时，IDS 随 VDS 线性增加，MOS 管工作在电阻区。

随着 VDS 的增大，靠近漏极一端的导电沟道会变窄，这种现象被称为沟道夹断。

当 VDS 增加到使得沟道在漏极一端刚好夹断时，称为预夹断状态。

继续增大 VDS，夹断区会延长，而IDS 基本保持不变，MOS 管工作在恒流区。

P 沟道增强型 MOS 管的工作原理与 N 沟道增强型 MOS 管类似，只是所加电压的极性相反。

再谈谈 MOS 管在电路中的应用。

第四章Si表面特性和MOS结构1.半导体表面2.热平衡时的理想MOS结构3.非平衡时的理想MOS结构4.空间电荷面密度与表面势的关系5.MOS结构的C－V特性1.半导体表面理想Si表面真实Si表面钝化表面影响半导体器件性能的界面因素1.半导体表面理想Si表面示意1.半导体表面真实Si表面的沾污和重构1.半导体表面钝化表面和能级示意1.半导体表面影响半导体器件性能的界面因素： 界面附近的固定正电荷Si-SiO2的界面态氧化层中的可动电荷电离陷阱第四章Si 表面特性和MOS 结构1.半导体表面2.热平衡时的理想MOS 结构3.非平衡时的理想MOS 结构4.空间电荷面密度与表面势的关系5.MOS 结构的C －V 特性2.1MOS 结构的能带变化2.2MOS 结构的静态电学特性2.1MOS结构的能带变化MOS结构的能带示意图（以P型Si为例）2.1MOS结构的能带变化MOS结构的能带示意图（以P型Si为例）2.1MOS结构的能带变化热平衡时的理想MOS结构能带变化情况2.2MOS结构的静态电学特性热平衡理想MOS结构的电荷、电场、电势、能带示意2.2MOS结构的静态电学特性耗尽情形2.2MOS结构的静态电学特性γ与掺杂浓度和氧化层厚度的关系2.2MOS结构的静态电学特性反型情形2.2MOS结构的静态电学特性薄层电荷近似（δ耗尽近似）：作为一级近似，可以认为反型电荷（积累电荷）仅存在于半导体中十分靠近氧化层-半导体界面处很窄的一个区域，可以用处于界面的等量电荷的δ函数来代替。

2.2MOS结构的静态电学特性反型MOS结构能带图2.2MOS结构的静态电学特性积累情形第四章Si表面特性和MOS结构1.半导体表面2.热平衡时的理想MOS结构3.非平衡时的理想MOS结构4.空间电荷面密度与表面势的关系5.MOS结构的C－V特性3.非平衡时的理想MOS结构非平衡MOS结构3.非平衡时的理想MOS 结构MOS结构随外加电压的变化情况示意3.非平衡时的理想MOS 结构非平衡情况下MOS 结构有以下特点： 随外加电压的变化，MOS 结构可以实现积累、反型、耗尽的整个变化因为没有载流子流过半导体，也没有载流子的注入，所以半导体处于一种准平衡态，电子和空穴有统一的费米能级。

《半导体器件物理》教学大纲（2006版）课程编码：07151022学时数：56一、课程性质、目的和要求半导体器件物理课是微电子学，半导体光电子学和电子科学与技术等专业本科生必修的主干专业基础课。

它的前修课程是固体物理学和半导体物理学，后续课程是半导体集成电路等专业课，是国家重点学科微电子学与固体电子学硕士研究生入学考试专业课。

本课程的教学目的和要求是使学生掌握半导体器件的基本结构、物理原理和特性，熟悉半导体器件的主要工艺技术及其对器件性能的影响，了解现代半导体器件的发展过程和发展趋势，对典型的新器件和新的工艺技术有所了解，为进一步学习相关的专业课打下坚实的理论基础。

二、教学内容、要点和课时安排第一章半导体物理基础（复习）（2学时）第二节载流子的统计分布一、能带中的电子和空穴浓度二、本征半导体三、只有一种杂质的半导体四、杂质补偿半导体第三节简并半导体一、载流子浓度二、发生简并化的条件第四节载流子的散射一、格波与声子二、载流子散射三、平均自由时间与弛豫时间四、散射机构第五节载流子的输运一、漂移运动迁移率电导率二、扩散运动和扩散电流三、流密度和电流密度四、非均匀半导体中的自建场第六节非平衡载流子一、非平衡载流子的产生与复合二、准费米能级和修正欧姆定律三、复合机制四、半导体中的基本控制方程：连续性方程和泊松方程第二章PN结（12学时）第一节热平衡PN结一、PN结的概念：同质结、异质结、同型结、异型结、金属－半导体结突变结、缓变结、线性缓变结二、硅PN结平面工艺流程（多媒体演示图2.1）三、空间电荷区、内建电场与电势四、采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区形成的过程五、利用热平衡时载流子浓度分布与自建电势的关系求中性区电势及PN结空间电荷区两侧的内建电势差六、解poisson’s Eq 求突变结空间电荷区内电场分布、电势分布、内建电势差和空间电荷区宽度（利用耗尽近似）P 结第二节加偏压的N一、画出热平衡和正、反偏压下PN结的能带图，定性说明PN结的单向导电性二、导出空间电荷区边界处少子的边界条件，解释PN结的正向注入和反向抽取现象P-结的直流电流-电压特性第三节理想N一、解扩散方程导出理想PN结稳态少子分布表达式，电流分布表达式，电流－电压关系二、说明理想PN结中反向电流产生的机制（扩散区内热产生载流子电流）第四节空间电荷区的复合电流和产生电流一、复合电流二、产生电流第五节隧道电流一、隧道电流产生的条件二、隧道二极管的基本性质（多媒体演示Fig2.12）I-特性的温度依赖关系第六节V一、反向饱和电流和温度的关系I-特性的温度依赖关系二、V第七节耗尽层电容，求杂质分布和变容二极管一、PN结C-V特性二、过渡电容的概念及相关公式推导求杂质分布的程序（多媒体演示Fig2.19）三、变容二极管第八节小讯号交流分析一、交流小信号条件下求解连续性方程，导出少子分布，电流分布和总电流公式二、扩散电容与交流导纳三、交流小信号等效电路第九节电荷贮存和反响瞬变一、反向瞬变及电荷贮存效应二、利用电荷控制方程求解s三、阶跃恢复二极管基本理论第十节P-Ｎ结击穿一、PN结击穿二、两种击穿机制，PN结雪崩击穿基本理论的推导三、计算机辅助计算例题2－3及相关习题第三章双极结型晶体管（10学时）第一节双极结型晶体管的结构一、了解晶体管发展的历史过程二、BJT的基本结构和工艺过程（多媒体图3.1）概述第二节基本工作原理一、理想BJT的基本工作原理二、四种工作模式三、放大作用（多媒体Fig3.6）四、电流分量（多媒体Fig3.7）五、电流增益（多媒体Fig3.8 3.9）第三节理想双极结型晶体管中的电流传输一、理想BJT中的电流传输：解扩散方程求各区少子分布和电流分布二、正向有源模式三、电流增益～集电极电流关系Ebers-）方程第四节爱拜耳斯-莫尔（Moll一、四种工作模式下少子浓度边界条件及少子分布二、E-M模型等效电路三、E-M方程推导第五节缓变基区晶体管一、基区杂质浓度梯度引起的内建电场及对载流子的漂移作用二、少子浓度推导三、电流推导四、基区输运因子推导第六节基区扩展电阻和电流集聚一、基区扩展电阻二、电流集聚效应第七节基区宽度调变效应一、基区宽度调变效应（EARLY效应）二、h FE和I CE0的改变第八节晶体管的频率响应一、基本概念：小信号共基极与共射极电流增益（α，h fe），共基极截止频率和共射极截止频率（Wɑ,Wß）,增益－频率带宽或称为特征频率（W T），二、公式（3－36）、（3－65）和（3－66）的推导三、影响截止频率的四个主要因素：τB 、τE 、τC 、τD及相关推导四、Kirk效应第九节混接 型等效电路一、参数：g m、g be 、C D的推导二、等效电路图（图3－23）三、证明公式（3－85）、（3－86）第十节晶体管的开关特性一、开关作用二、影响开关时间的四个主要因素：t d、t r、t f、t s三、解电荷控制方程求贮存时间t s第十一节击穿电压一、两种击穿机制二、计算机辅助计算：习题阅读§3.12 、§3.13 、§3.14第四章金属—半导体结（4学时）第一节肖特基势垒一、肖特基势垒的形成二、加偏压的肖特基势垒三、M－S结构的C-V特性及其应用第二节界面态对势垒高度的影响一、界面态二、被界面态钳制的费米能级第三节镜像力对势垒高度的影响一、镜像力二、肖特基势垒高度降低第四节肖特基势垒二极管的电流电压特性一、热电子发射二、理查德-杜师曼方程第五节肖特基势垒二极管的结构一、简单结构二、金属搭接结构三、保护环结构第六节金属-绝缘体-半导体肖特基势垒二极管一、基本结构二、工作原理第七节肖特基势垒二极管和PN结二极管之间的比较一、开启电压二、反向电流三、温度特性第八节肖特基势垒二极管的应用一、肖特基势垒检波器或混频器二、肖特基势垒钳位晶体管第九节欧姆接触一、欧姆接触的定义和应用二、形成欧姆接触的两种方法第五章结型场效应晶体管和金属-半导体场效应晶体管（4学时）第一节JFET的基本结构和工作过程一、两种N沟道JFET二、工作原理第二节理想JFET的I-V特性一、基本假设二、夹断电压三、I-V特性第三节静态特性一、线性区二、饱和区第四节小信号参数和等效电路一、参数：g l g ml g m C G二、JFET小信号等效电路图第五节JFET的截止频率一、输入电流和输出电流二、截止频率第六节夹断后的JFET性能一、沟道长度调制效应二、漏极电阻第七节金属-半导体场效应晶体管一、基本结构二、阈值电压和夹断电压三、I-V特性第八节JFET和MESFET的类型一、N—沟增强型N—沟耗尽型二、P—沟增强型P—沟耗尽型阅读§5.8 §5.9第六章金属-氧化物-场效应晶体管（10学时）第一节理想MOS结构的表面空间电荷区一、MOSFET的基本结构（多媒体演示Fig6-1）二、半导体表面空间电荷区的形成三、利用电磁场边界条件导出电场与电荷的关系公式（6－1）四、载流子的积累、耗尽和反型五、载流子浓度表达式六、三种情况下MOS结构能带图七、反型和强反型条件，MOSFET工作的物理基础第二节理想MOS电容器一、基本假设二、C～V特性：积累区，平带情况，耗尽区，反型区三、沟道电导与阈值电压：定义公式（6－53）和（6－55）的推导第三节沟道电导与阈值电压一、定义二、公式（6－53）和（6－55）的推导第四节实际MOS的电容—电压特性一、M-S功函数差引起的能带弯曲以及相应的平带电压，考虑到M-S功函数差，MOS结构的能带图的画法二、平带电压的概念三、界面电荷与氧化层内电荷引起的能带弯曲以及相应的平带电压四、四种电荷以及特性平带电压的计算五、实际MOS的阈值电压和C～V曲线第五节MOS场效应晶体管一、基本结构和工作原理二、静态特性第六节等效电路和频率响应一、参数：g d g m r d二、等效电路三、截止频率第七节亚阈值区一、亚阈值概念二、MOSFET的亚阈值概念第九节MOS场效应晶体管的类型一、N—沟增强型N—沟耗尽型二、P—沟增强型P—沟耗尽型第十节器件尺寸比例MOSFET制造工艺一、P沟道工艺二、N沟道工艺三、硅栅工艺四、离子注入工艺第七章 太阳电池和光电二极管（6学时）第一节半导体中光吸收一、两种光吸收过程二、吸收系数三、吸收限第二节 PN 结的光生伏打效应一、利用能带分析光电转换的物理过程（多媒体演示）二、光生电动势，开路电压，短路电流，光生电流（光电流）第三节 太阳电池的I-V 特性一、理想太阳电池的等效电路二、根据等效电路写出I-V 公式，I-V 曲线图（比较：根据电流分量写出I-V 公式）三、实际太阳能电池的等效电路四、根据实际电池的等效电路写出I-V 公式五、R S 对I-V 特性的影响第四节 太阳电池的效率一、计算 V mp I mp P m 二、效率的概念%100⨯=inL OC P I FFV η 第五节 光产生电流和收集效率一、“P 在N 上”结构，光照，x O L e G αα-Φ=少子满足的扩散方程二、例1－1，求少子分布，电流分布 三、计算光子收集效率：O npt col G J J Φ=η讨论：波长长短对吸收系数的影响少子扩散长度和吸收系数对收集效率的影响理解Fig7-9,Fig7-10所反映的物理意义第六节提高太阳能电池效率的考虑一、光谱考虑(多媒体演示)二、最大功率考虑三、串联电阻考虑四、表面反射的影响五、聚光作用第七节肖特基势垒和MIS太阳电池一、基本结构和能带图二、工作原理和特点阅读§7.8第九节光电二极管一、基本工作原理二、P-I-N光电二极管三、雪崩光电二极管四、金属－半导体光电二极管第十节光电二极管的特性参数一、量子效率和响应度二、响应速度三、噪声特性、信噪比、噪声等效功率（NEP）四、探测率（D）、比探测率（D*）第八章发光二极管与半导体激光器（4学时）第一节辐射复合与非辐射复合一、辐射复合：带间辐射复合，浅施主和主带之间的复合，施主－受主对（D-A 对）复合，深能级复合，激子复合，等电子陷阱复合二、非辐射复合：多声子跃迁，俄歇过程（多媒体演示），表面复合第二节LED的基本结构和工作过程一、基本结构二、工作原理（能带图）第三节LED的特性参数一、I-V特性二：量子效率：注射效率γ、辐射效率rη、内量子效率iη，逸出概率oη、外量子效率三、提高外量子效率的途径，光学窗口四、光谱分布，峰值半高宽FWHM,峰值波长，主波长，亮度第四节可见光LED一、GaP LED二、GaAs1-x P x LED三、GaN LED第五节红外LED一、性能特点二、应用光隔离器阅读§8.6 , §8.7 , §8.8 , §8.9 , §8.10(不做作业和考试要求)第九章集成器件（阅读，不做作业和考试要求）第十章电荷转移器件（4学时）第一节电荷转移一、CCD基本结构和工作过程二、电荷转移第二节深耗尽状态和表面势阱一、深耗尽状态—非热平衡状态二、公式（10-8）的导出第三节MOS电容的瞬态特性深耗尽状态的能带图一、热弛豫时间二、信号电荷的影响第四节信息电荷的输运转换效率一、电荷转移的三个因素二、转移效率、填充速率和排空率第五节电极排列和CCD制造工艺一、三相CCD二、二相CCD第六节体内（埋入）沟道CCD一、表面态对转移损耗和噪声特性的影响二、体内（埋入）沟道CCD的基本结构和工作原理第七节电荷的注入、检测和再生一、电注入与光注入二、电荷检测电荷读出法三、电荷束的周期性再生或刷新第八节集成斗链器件一、BBD的基本结构二、工作原理三、性能第九节电荷耦合图象器件一、行图象器二、面图象器三、工作原理和应用三、教学方法板书、讲授、多媒体演示四、成绩评价方式闭卷考试加平时作业、课堂讨论五、主要参考书目1、孟庆巨、刘海波、孟庆辉编著《半导体器件物理》，科学出版社，2005-6第二次印刷。

MOS的表面能带弯曲•说明:qψS ( 表面势能) = ( 半导体内的E i ) – ( 表面处的E i );V GS 可使表面势ψs 变化( 基本是线性变化关系) ;Q n(y) 是沟道中的少数载流子面电荷密度.•半导体的Fermi势ψB和表面状态:在半导体表面处的载流子浓度决定于表面能带的弯曲程度:n P0 = n i exp[(E F-E i)/kT] >> n i ;p P0 = n i exp[(E i-E F)/kT] << n i .在半导体内的Fermi势能(qψB = E i-E F ) 可用半导体内的参量来表示:∵半导体内的平衡多子浓度p P0 = n i exp[(E i-E F)/kT] = n i exp(qψB/kT) ≈ N A ,∴ψB =( E i-E F )/q = (kT/q) ln(N A / n i ).可见: 在ψs = ψB时, 表面处的多子浓度将小于体内的多子浓度, 而少子浓度将多于体内的少子浓度，即表面呈现为弱反型的表面;在ψs = 2ψB时, 表面处的多子浓度将远小于体内的多子浓度,而少子浓度将远多于体内的少子浓度，为强反型表面.理想MOSFET的阈值电压:•说明:①MOSFET是“理想”的含义:在MOS系统中不含有任何电荷状态(除栅电压在半导体表面产生的空间电荷以外, 不考虑表面态电荷和M-S功函数差).→在栅电压V GS = 0 时, 半导体表面的能带不发生弯曲(平带状态) .②在讨论V T时忽略了反型层中的电荷:因为刚达到强反型时, 正好沟道中的电子浓度= p-衬底内的空穴浓度; 而且反型层仅限于表面极薄的一层,其中的电荷Q n, 比耗尽层中的电荷Q B少得多(在刚强反型时, 耗尽层宽度最大). 所以可忽略反型层中的电荷Q n .MOS的非饱和特性•说明:沟道的长度(y方向)为L ;沟道的宽度(z方向)为Z ;沟道的厚度(x方向)为X(y) ;沟道的截面积为A ;沟道的电子浓度为n .•理想MOSFET的输出伏安特性计算~沟道电流I D是沟道中的面电荷密度Q n(y)漂移运动的结果:I D= Z X q n μn E(y) = Q n(y) Z μn E(y) ,代入Q n(y)与电压的关系, 并把E(y)用电压来表示为dV(y)/dy, 即有I D= Z μn C i [V GS - V T - V(y)] dV(y)/dy ,积分之∫I D dy = Z μn C i ∫[V GS - V T - V(y)] dV(y) ,[ 积分限: y= 0~L , V= 0~V DS ]则得到I D= ( Z μn C i / L ) {(V GS - 2ψB - V D/2) V DS－(2γ/ 3)×[ (V DS+ 2ψB)3/2 - (2ψB)3/2 ] },I D≈( m Z μn C i / L ) { (V GS - V T ) V DS - V DS2 }= m β{ (V GS - V T ) V DS - V DS2 } (Sah方程) ,其中γ≡( 2εε0 q N A )1/2 /C i称为衬偏系数; 对较小的N A , m = 1/2 .β = Z μn C i / L .①当V DS 较小时, 有线性特性:I D= ( Z μn C i / L ) {V GS - 2ψB - [2εε0 q N A(2ψB)]1/2 / C i } V DS= β (V GS - V T ) V DS∝V DS ,当V GS= 2ψB - [2εε0 q N A (2ψB)]1/2 / C i ≡V T 时, I D = 0, 即沟道夹断, 这时的栅电压就是阈值电压(夹断电压) .线性区的跨导为g m= ( Z μn C i / L ) V DS .系数( Z μn C i / L ) 称为器件的增益因子(或导电因子).②饱和区:由dI D / dV DS= 0 = β[(V GS - V T ) – V DS ] ,得到饱和电压V DSat = V GS - V T.把V DSat代入到I D表示式中, 求得饱和电流为I DSat= (β/2) (V GS - V T ) 2 ∝V GS2 .可见, 饱和电流与V DS无关, 而与V GS有抛物线关系; 而且饱和电压V DSat随着V GS 的增大而升高.•长沟道MOSFET的电流饱和机理:随着V DS的增加, 夹断点逐渐从漏端移向源端(夹断区扩大); 所增加的电压(V DS - V D sat ) 就降落在夹断区上(使电场↑), 而未夹断的沟道上的电压基本上维持在V D sat ; 当电子从源端漂移到夹断点时, 就被夹断区中的强电场拉到漏极, 则漏极电流基本上由未夹断的沟道区(有效沟道长度)决定, 而有效沟道上的电压基本不变, 故电流饱和(实际上, 由于有效沟道长度随V DS而变, 类似BJT中的Early效应, 所以电流并不完全饱和, g D≠0).饱和电流与V GS有抛物线关系; 饱和电压与V GS之间有线性关系.实际mos的VT•对于实际的MOSFET，需要考虑金属与半导体功函数之差、Si-SiO2系统中电荷的影响。