第6章 MOS场效应晶体管-微电子器件基础教程-郭业才-清华大学出版社

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微电子学概论-ch2MOS场效应晶体管

P
N沟道
上一页下一页
表面空间电荷层和反型层
VG<0
VG<0
－－－－－－－－
－－－－－－－－
P
P
多子被吸引表面
半导体内的变化并不显著
上一页下一页
OUTLINE
结型场效应晶体管 MIS结构 MOS电容结构 MOSFET
上一页下一页
电容的含义
•平行板电容器电容C定义为： C Q A
间被夹断，这时，即
使USD 0V，漏极 D ID
电流ID=0A。
P
G NN
UGS S
USD
上一页下一页
USD 对导电性能的影响
越靠近漏端，PN
结反压越大
G
UGS<VT且USD>0、UGD<VT时耗尽区的形状
D ID
P
USD
NN
UGS S
上一页下一页
沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。
上一页下一页
小结：MOS
• 沟道区(Channel)，沟道长度L • 栅极(Gate) • 源区/源极(Source) • 漏区/漏极(Drain) • NMOS、PMOS、CMOS • 阈值电压Vt，击穿电压 • 特性曲线、转移特性曲线 • 泄漏电流(截止电流)、驱动电流(导通电流)
上一页下一页
G
D ID P
NN
UGS S
USD=0V时 USD
上一页下一页
UGS越大耗尽区越宽，
沟道越窄，电阻越大。 D
但区当宽度UG有S较限小U，D时存S=，在0V耗导时尽
电沟道。DS间相当于线I性D 电阻。
P
USD
G NN

第六章-MOSFET

微电子器件与IC设计
第六章 MOSFET
MOS场效应晶体管
1
引言一、FET(Field-Effect Transistor)
二、场效应器件类型: 场效应晶体管
结型场效应晶体管（JFET）
Junction FET
金属－半导体场效应晶体管（MESFET）
Metal-Semiconductor
反型、形成导电沟道时的栅源电压, 以VT表示
VT VOX VS VFB
VOX : 栅电压VG 降落在 SiO2 绝缘层上的部分 S VS : 栅电压VG 降落在半导体表面的部分 VFB : 平带电压
D G
P-Si 衬底
Eds Ids
30
6.3 MOSFET的阈值电压
6.3.2 平带电压实际MOS结构: 1、金半的接触电势差 Vms 0 2、二氧化硅绝缘层电荷 Qox 0
COX
COX
COX
OX 0
tOX
栅电极
栅氧化层
P型半导体
QG
QO
X
QB Qn
栅氧化层厚度
35
6.3 MOSFET的阈值电压 6.3.4 理想状态MOSFET的阈值电压
VG Vox VS
VS
2 F
2kT ln q
NA ni
1
VT
QBmax Cox
2F
2 qN A 2F
Cox
D G
S VDS<0
转移特性
输出特性
ID +
VT VGS
-
0
+
VT<0
0
ID
VT>0
VT
VGS
-

《MOS场效应晶体管》课件

MOS场效应晶体管的制造工艺
1
制造工艺流程
MOS场效应晶体管的制造过程包括晶圆加工、掺杂、薄膜沉积、光刻和封装等关键步骤。
2
生产中的注意事项
在MOS场效应晶体管的生产过程中，需要注意材料的纯净度、工艺参数的控制和设备的精确性，以确保器件的质量和性能。
结束
感谢您的聆听，希望这份课件能够帮助您更好地理解MOS场效应晶体管的重要性和应用，欢迎进一步探索和学习更多相关知识。
原则和优缺点
两种类型的MOS场效应晶体管在特性、工作模式和应用上存在一些原则和优缺点，需要根据具体需求选择合适的类型。
MOS场效应晶体管的应用
应用领域
MOS场效应晶体管广泛应用于集成电路、通信、计算机、消费电子等领域，是现代电子技术的重要组成部分。
电路中的应用
MOS场效应晶体管在逻辑门、放大器、模拟电路和功率电子等电路中发挥关键作用，满足不同应用的要求。
MOS场效应晶体管的特性和工作原理
1 主要特性
2 工作原理
MOS场效应晶体管场效应晶体管通过控制栅极电压来调节电流，实现信号的放大、开关和调制等功能。
MOS场效应晶体管的分类
分类介绍
MOS场效应晶体管根据栅极与通道之间的结构和电荷输运机制进行分类，主要包括增强型和耗尽型。
《MOS场效应晶体管》课件
通过这份课件，您将了解到有关MOS场效应晶体管的重要概念、特性、应用及制造工艺，欢迎加入我们的学习之旅！
MOS场效应晶体管简介
MOS场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)是一种关键的电子器件，广泛应用于现代半导体技术中。它由金属、氧化物和半导体材料构成，具有卓越的电子控制能力。

MOS场效应晶体管课件

形，如图6.2 。
必须指出，上述讨论未考虑到反型层中的电子是哪里来的。若该MOS电容是一个孤立的电容，这些电子只能依靠共价键的分解来提供，它是一个慢过程，ms级。
2023/12/22
15
MOS电容—测量
若测量电容的方法是逐点测量法—一种慢进程，那么将测量到这种凹谷曲线。
① ⑤
②
③
④
图 5.2
区，栅极与源极扩散区都存
在着某些交迭，故客观上存
在着Cgs和Cgd。当然，引出线之间还有杂散电容，可
以计入Cgs和Cgd。
图 5.3
2023/12/22
18
MOS电容的计算
Cg、Cd的值还与所加的电压有关:
1）若Vgs<VT，沟道未建立，MOS管漏源沟道不通。 MOS电容 C = Cox，但C 对Cd无贡献。
2023/12/22
16
MOS电容凹谷特性测量
若测量电容采用高频方法，譬如，扫频方法，电压变化很快。共价键就来不及瓦解，反型层就无法及时形成，于是，电容曲线就回到Cox值。然而，在大部分场合，MOS电容与n+区接在一起，有大量的电子来源，反型层可以很快形成，故不论测量频率多高，电压变化多快，电容曲线都呈凹谷形。
2023/12/22
6
MOSFET特性曲线
在非饱和区 Ids Vds C a1Vgs b1 线性工作区
在饱和区 Ids a2 Vgs VT 2
(Ids 与 Vds无关) . MOSFET是平方律器件!
Ids
饱和区
线性区
击穿区
0
2023/2 MOSFET电容的组成
的二倍。它不仅抵消了空穴，成为本征半导体，而
且在形成的反型层中，电子浓度已达到原先的空穴浓度这样的反型层就是强反型层。显然，耗尽层厚度不再增加，CSi也不再减小。这样，

清华大学微电子器件与电路课件——张进宇ch061

ID
VDS =常数
左图： n沟MOSFET 的ID~VGS特性曲线
0 VT
VGS
7
6.1.2 MOSFET的工作模式
图6.3 n沟MOSFET 的电流-电压 (VDS)特性曲线
图中给出了不同VGS下器件的漏极电流ID 随漏源电压VDS的变化关系
该器件的阈值电压VT =0.5V
8
6.1.2 MOSFET的工作模式 ✓ 当VGS >VT且VDS >VGSVT 时，n沟MOSFET处于饱和区，其漏极电流不随漏源电压发生变化，此时，可以证明：
6.1.1 MOSFET的基本工作原理
如图6.2所示，当栅极外加一个正电压VGS，此栅电压将在栅极氧化层中建立一个纵向电场，该电场还将进一步穿过氧化层进入硅衬底。只要该电场足够强，就会在硅衬底表面感应形成一层电子导电层，这层电子导电层通常称为反型层，有时也称为沟道区。
当源漏两端有外加电压VDS时，沟道区中就会有漏极电流流过。这个漏极电流是和反型层中的电荷数有关，即为纵向电场的函数。
ox—氧化层的
介电常数
在实际的MOSFET中，栅极材料往往是重掺杂的多晶硅
12
6.2.1 能带图与电荷分布 6.2.1 能带图与电荷分布首先，我们可以采用平行板电容器来类比MOS电容：
图6.6a
13
6.2.1 能带图与电荷分布
当我们在上电极外加负电压时，上电极出现负电荷，而下电极则出现正电荷，单位面积电容为：
17
6.2.1 能带图与电荷分布图6.7b 外加电场将半导体材料中的多数载流子空穴排斥到体内之后，留下了由离化受主固定负电荷形成的空间电荷区。同样外加电场也会在半导体材料内部有一定的穿透深度（即空间电荷区厚度xd），在空间电荷区之外，电场将下降为零。

MOS场效应晶体管

MOS场效应晶体管 §2.3 MOS场效应晶体管
分类
Junction type Field Effect Transistor
场效应管
结型场效应三极管JFET 结型场效应三极管
N沟道沟道 P沟道沟道
绝缘栅型场效应三极管IGFET 绝缘栅型场效应三极管 Insulated Gate Field Effect Transistor
特性曲线
vG S 2 i D = I D SS (1 ) VP
vGD = vGS - vDS = VP
(a) N沟道结型沟道结型FET 沟道结型输出特性曲线
(b) N沟道结型沟道结型FET 沟道结型转移特性曲线
各类场效应三极管的特性曲线
N 沟道增强型 P 沟道增强型
绝缘栅场效应管
漏源电压对沟道的控制作用
出现预夹断后，漏电流I 也增大。此时由于存在沟道电阻，继续增大时，夹断长度会自上向出现预夹断后，当 VDS 继续增大时此时由于存在沟道电阻，当 VGS=0,VDS增大时，漏电流 D也增大。，时，d端继续增大到使V -V漏电流I 端当V增大时，继续增大到使VGS，漏电流 =0 DS V =0,V =0时端与栅极间的反压最高， DS=VP 当 GS 时端与栅极间的反压最高，沿着将使沟道内电位分布不均匀，其中d端与栅极间的反压最高将使沟道内电位分布不均匀，其中下延伸，下延伸，但从源极到夹断处的沟道上沟道电场基本不 DS D 附近的沟道被夹断，这称为“ 附近的沟道被夹断，这称为“预夹沟道向下逐渐降低，源端最低，从而使耗尽层成楔形分布。沟道向下逐渐降低，源端最低DS增加而上升，趋于饱和值。变化，基本不随V 增加而上升，趋于饱和值。随VDS变化，ID基本不随V ，从而使耗尽层成楔形分布。断”。

第六章 MOSFET

D S G
26
6.2.2、MOSFET的基本类型
2种分类方法：
沟道中导电的载流子类型 N沟道（P型衬底） P沟道（N型衬底）强反型时，导电沟道中的电子漂移运动形成电流强反型时，导电沟道中的空穴漂移运动形成电流 VG＝0时，无导电沟道 VG＝0时，有导电沟道耗尽型增强型 Enhancement mode
电路符号
G
D B S G
D B S G
D B S G
D
B S
28
*耗尽型的阈值电压指沟道消失时的VGS
6.2 MOSFET的基本结构及工作原理 6.2.3、 MOSFET的基本工作原理
29
6.2 MOSFET的基本结构及工作原理 6.2.3、 MOSFET的基本工作原理

基于“表面场效应”原理。在垂直于半导体表面的电场作用下，半导体表面层中的载流子浓度发生变化，导致表面层导电能力的改变。
(导电沟道是反型层，故与衬底的类型是相反的)
增强型
VGS＝0时，是否有导电沟道
共有四种类型
耗尽型 Depletion mode
27
6.2.2、MOSFET的类型
类型衬底 S、D区沟道载流子 VDS IDS方向 VT N沟道MOSFET 耗尽型增强型 P型 n＋电子 >0 DS <0 >0 P沟道MOSFET 耗尽型增强型 N型 p＋空穴 <0 SD >0 <0
理想MOS 施加偏压后的几种表面状态
9
*强反型：半导体表面积累的少子浓度等于甚至超过
体内多子浓度的状态
ns p p 0 EF Eis qV ns ni exp s kT Eis Eip EF p p 0 ni exp kT EF Eis Eip EF

微电子元器件第六章场效应晶体管PPT文档共87页

33、如果惧怕前面跌宕的山岩，生命就永远只能是死水一潭。 34、当你眼泪忍不住要流出来的时候，睁大眼睛，千万别眨眼!你会看到世界由清晰变模糊的盐。注定要融化的，也许是用眼泪的方式。
35、不要以为自己成功一次就可以了，也不要以为过去的光荣可以被永远肯定。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育；而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
微电子元器件第六章场效应晶体管
31、别人笑我太疯癫，我笑他人看不穿。(名言网) 32、我不想听失意者的哭泣，抱怨者的牢骚，这是羊群中的瘟疫，我不能被它传染。我要尽量避免绝望，辛勤耕耘，忍受苦楚。我一试再试，争取每天的成功，避免以失败收常在别人停滞不前时，我继续拼搏。

Lecture26 第六章 MOS场效应晶体管精选PPT课件

由：
y
dV dy
IDZnQIy
Q I C 0(V G V T H V (y))
ID d y Zn C 0 (V G V T H V )d V (6-5-3)
（y→(0, L); V →(0, VD)）积分，得：
IDC0nZ L(VGVTH )VDV 2D 2
(6-5-4)
漏电流方程，称为萨支唐(Sah)方程。是描述MOSFET非饱和区直流特性的基本方程。
由于沟道内载流子分布均匀，不存在浓度梯度，沟道电流只含电场作用的漂移项，且漂移电流为电子电流：
j(x,y)yqnn (x,y)y IDZ0xIqnn(x,y)ydx
y dV/dy与x无关
ID Zq nd d V y0 xIn(x,y)dx ZnQ I y
(6-5-2)
Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province
结构说明：
是四端器件，氧化物栅的金属电极是栅极。通常把源和漏下方称为场区，而把栅极下区域称为有源区。器件的基本参数是沟道长度L（两个PN+结之间的距离），沟道宽度Z，氧化层厚度x0，结深xj，以及衬底掺杂浓度Na等。
Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province
Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province

半导体物理器件6

去功函数差所带来的影响，就必须在金属电极上加一负电压。
VG1

' ms
m'

' s
（6-56）
这个电压一部分用来拉平二氧化硅的能带，一部分用来拉平半导体的能
带，使 S 0。因此称其为平带电压。
MOS场效应晶体管
6.4 实际MOS的电容－电压特性
6.4.1 功函数差的影响
MOS场效应晶体管
QI －反型层中单位面积下的可动电荷，即沟道电荷：
QI

xI 0
qnI
x dx
（6-21）（6-52）
MOS场效应晶体管
6.1理想MOS结构的表面空间电荷区
● 学习要求
了解理想结构基本假设及其意义。掌握载流子积累、耗尽和反型和强反型的概念。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。掌握反型和强反型条件。
6.4 实际MOS的电容－电压特性
6.4.1 功函数差的影响
在室温下，硅的修正功函数：
s'

3.25

1.1 2

f

3.8 f
V
（6-57）
VG VG1 起着有效电压的作用。实际系统的电容C作为 VG VG1 的函数，与理想MOS系统C的作为 VG 的函数，在形式上应该是一样的。
MOS场效应晶体管
6.1理想MOS结构的表面空间电荷区
2、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
QM QS k00E0 kS0ES （6-1）
式中 0 －自由空间的电容率
k 0 －氧化物的介电常数
ES －半导体表面的电场

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Mg Ni Pb Pd Pt PtSi
W
-
-
0.67~ 0.70 -
0.40 ~0.79
-
0.71
-
0.90
-
0.85
-
0.66
-
SiC
GaP
2.0 1.95 -
1.05 1.20
1.30 1.20 1.40 -
-
GaAs
ZnS
0.8 0.88
0.90 0.82
-
-
0.86 -
0.8 1.65 2.0 1.75 0.82
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第六章
M O S 场效应晶体管
6.1 金属与半导体接触 6.2 MOS结构及其性质 6.3 MOSFET结构及工作原理 6.4 MOSFET阈值电压 6.5 MOSFET直流特性 6.6 MOSFET击穿特性 6.7 MOSFET亚阈特性 6.8 MOSFET小信号特性 6.9 MOSFET开关特性 6.10 沟道变化效应
N型半导体的掺杂浓度较低，故空间电荷区主要在半导体一边。在空间电荷区，能带向上弯曲。这种电子的流动一直持续到金属与半导体的费米达到一致，电子的能量分布再次达到平衡。其结果，对于金属中的电子来说产生了高度为 q(m ) 的势垒，相当于金属中的电子跳到导带所需的最低能量，即为肖特基势
垒(Schottky barrier)；若以sb 表示肖特基势垒的接触势，则
6.2.1 理想MOS结构与基本性质
理想 MOS 二极管不同偏压下的能带图及电荷分布
a) 积累现象 b) 耗尽现象 c) 反型现象
13
6.2 MOS结构及其性质
6.2.1 理想MOS结构与基本性质
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。
MOS 二极管结构 a) 透视图 b) 剖面图
6.2 MOS结构及其性质
6.2.1 理想MOS结构与基本性质
1.理想MOS二极管的定义与能带在外加零偏压时，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 qms 为零
qms
(qm
qs )
qm
(q
Eg 2
qF ) 0
UG=0 时理想 MOS 二极管的能带图
6.1 金属与半导体接触
热电子发射:金属中的电子可以依靠运动的能量逸出金
属。
光电子发射(外光电子效应): 依靠光的能量放出电子。
对于金属与真空的界面，设金属中的电子逸出到真
空所需要的最低能量为 qm 并称为金属功函数(常简称
为功函数m，二者单位不同)；同理，以qs表示半导体
的功函数，是半导体费米能级与真空能级能量E0之差。
第6章 MOS场效应晶体管
2
6.1 金属与半导体接触
6.1.1 金属与半导体接触(欧姆接触 )
欧姆接触:半导体器件及集成电路的制作。整流接触(肖特基势垒结 ):点接触二极管或肖特基二极管。究竟何种接触?:取决于两种材料的功函数之差、半导体的电子亲和势、半导体的表面态密度以及掺杂浓度等因素。半导体器件及集成电路的制作。
能带将向下弯曲，它对于金属一侧的电子和半导体一侧的电子都不存在事实上的势垒，从而形成欧姆接触。
对于N(P)型半导体，其能带会在界面处向上(下)弯曲，对电子(空穴)形成势垒。
半导体
Si
Ge
电极金属
Al
0.5 ~ 0.7
0.48
Ag
0.56 ~ 0.79
-
Au
0.81
0.45
Cu
0.69 ~0.79 0.48
sb m
6.1 金属与半导体接触
对N型半导体中的电子而言，产生的势垒为 qms ,ms为
金属半导体的接触电势，即
ms m s
这和PN结的接触电势的意义相同，但一般金属-半导体的接触电势要比PN结的低。当外加偏压的极性变化时，流过结区的电流大小将不同，从形成所谓的整流接触。
相反，从理论上而言，若 m s ，其界面初半导体
-
1.87
1.84 -
ZnSe
-
1.36 1.10 0.70
-
1.40
-
CdS
欧姆接触
0.35 ~ 0.56 0.68 ~ 0.78 0.36 ~ 0.5
0.45 -
0.62
0.8性质
6.2.1 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。
而真空能级与半导体导带底的能量之差为亲和能q，若
以表示半导体的亲和势，则
6.1 金属与半导体接触
qs q (EC EFN ) 当金属与N型半导体接触时，若 m s ，则半导体中的自由电子将向金属流动，同时在界面附近形成由电离施主构成的空间电荷区，由于金属的电子浓度很高。
6.1 金属与半导体接触
6.2 MOS结构及其性质
6.2.1 理想MOS结构与基本性质
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。
12
6.2 MOS结构及其性质
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6.2 MOS结构及其性质
6.2.1 理想MOS结构与基本性质
在下面的讨论中，定义与费米能级相对应的费米势为