半导体器件物理-MOSFET

MOSFET基础知识介绍MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种常用的半导体器件，用于在电子电路中控制电流的流动。

它由金属氧化物半导体结构组成，具有高输入阻抗、低功耗和高电压承受能力等优点，因此在各种应用中广泛使用。

MOSFET的结构包括有源区、漏源区、栅极和绝缘层等部分。

有源区通常由P型半导体材料组成，而漏源区则是N型或P型半导体材料。

两个区域之间的绝缘层是一个非导电的氧化物层，通常是二氧化硅。

栅极是一个金属或多晶硅的电极，用于控制电流的流动。

MOSFET的工作原理基于栅极电压的控制。

当栅极电压为零或低于临界电压时，MOSFET处于截止状态，无法通过电流。

当栅极电压高于临界电压时，介质中的电场会引起有源区附近的载流子（电子或空穴）移动，形成导电路径。

这时，MOSFET处于饱和状态，可以通过电流。

MOSFET有两种常用的工作模式，分别是增强型和耗尽型。

在增强型MOSFET中，栅极电压高于临界电压时，会导致有源区中的载流子浓度增加，从而提高电流的导电能力。

而在耗尽型MOSFET中，栅极电压低于临界电压时，会减少有源区中的载流子浓度，从而减小电流的导电能力。

另一个重要的参数是漏极漏电流。

当MOSFET处于截止状态时，理想情况下应该没有电流通过，但实际上会存在微小的漏电流。

漏极漏电流越小，MOSFET的性能越好。

MOSFET还有一些特殊类型，例如增压型MOSFET和均衡型MOSFET。

增压型MOSFET通过增加外加电压来提高导电能力。

均衡型MOSFET则可以在两个有源区之间实现均衡的电流分布，以提高功率放大器的线性度。

MOSFET在各种应用中都有重要的作用。

在数字电路中，MOSFET可以作为开关使用，用于控制逻辑门和存储器等器件的操作。

在模拟电路中，MOSFET可以作为放大器使用，用于控制电压和电流的变化。

此外，MOSFET还常用于功率放大器、电源和开关模式电源等领域。

总而言之，MOSFET是一种重要的半导体器件，具有高输入阻抗、低功耗和高电压承受能力等优点。

半导体器件物理进展第四章CMOS的等比例缩小、优化设计及性能因子CMOS Scaling, Design Optimization, and Performance FactorsPart 1 MOSFET模型及小尺寸效应内容提要：MOSFET结构及其偏置条件MOSFET的漏极电流模型MOSFET的亚阈区特性与温度特性 MOSFET的小尺寸效应MOSFET的缩比特征长度MOSFET的速度饱和效应1. MOSFET结构及其偏置条件MOSFET在实际集成电路中的剖面结构如下图所示。

横向：源-沟道-漏;纵向：M-O-S；几何参数L：沟道长度；W：沟道宽度；t ox：栅氧化层厚度；x j：源漏结深；MOSFET的发展简史：早期：主要采用铝栅电极，栅介质采用热氧化二氧化硅，扩散形成源、漏区，其与栅电极之间采用非自对准结构，场区采用厚氧化层隔离；中期：栅极采用N型掺杂的多晶硅栅，源、漏区与栅极之间采用自对准离子注入结构，场区采用硅的局部氧化工艺（LOCOS）实现器件隔离；后期：栅极采用互补双掺杂（N型和P型）的多晶硅栅，源漏区与栅极之间采用LDD（轻掺杂漏）结构和金属硅化物结构，场区采用浅沟槽隔离（STI）技术。

近期：栅极采用难熔金属栅极（例如W、Mo等），栅介质采用高K介质材料（例如氧化铪等），源、漏区与栅极之间采用自对准金属硅化物结构，场区采用浅沟槽隔离或其它介质隔离技术。

一个自对准MOSFET的工艺制造过程以NMOS器件为例，包含四个结构化的光刻掩模：（1）场区光刻掩模：利用氮化硅掩蔽的LOCOS局部氧化工艺，在P型掺杂的硅单晶衬底上定义出器件有源区和场氧化层隔离区；（2）栅极光刻掩模：通过多晶硅的淀积、光刻和刻蚀工艺，定义出器件的多晶硅栅电极；（3）接触孔光刻掩模：通过对源漏有源区及多晶硅栅电极上二氧化硅绝缘层的光刻和刻蚀工艺，定义出相应的欧姆接触窗口；（4）铝引线光刻掩模：通过铝布线金属的溅射、光刻和刻蚀工艺，定义出器件各引出端的铝引线电极；对于包含PMOS器件的CMOS工艺，则还需要增加一步N阱区的掩模及其光刻定义。

第7章MOSFET原理7.1 金属、半导体的功函数在绝对零度时，金属中的电子填满了费米能级EF以下的所有能级，而高于费米能级E的所有能级全部F是空的。

温度升高时，只有费米能级E附近的少数电F子受到热激发，由低于E的能级跃迁到高于F E的能级F上，但大部分电子仍不能脱离金属而逃逸出体外。

这意味着金属中的电子虽然能够在金属中自由运动，但绝大多数电子所处的能级都低于体外（真空）的能级。

要使金属中的电子从金属中逸出，必须由外界给它以足够的能量。

从量子力学的观点看，金属中的电子是在一个势阱运动。

用E表示真空中静止电子的能量。

如图7.1所示。

定义某种材料的功函数为：真空电子能量E与材料的费米能级E的差值。

F则金属的功函数为()07.1m FmW E E =- 半导体的功函数为()07.2s Fs W E E =-功函数的物理意义：表示电子从起始能量等于F E 由金属内逸出（跳到真空）需要的最小能量。

注意：半导体的费米能级随掺杂浓度改变，因而其功函数也随掺杂浓度变化。

图7.1 还显示了从0c E E 的能量间隔χ，χ称谓电子亲和能，表示使处于半导体导带底的电子逃逸出体外（跳到真空能级）需要的最小能量。

即()07.3c E E χ=-利用电子的亲和能，半导体的功函数又可以表示为 []()[]7.4()S c FS n c FS n W E E e E E e N semiconductor χχφφ=+-=+-=-表7.1 列出了硅在不同掺杂浓度下对应的功函数 ()()()331415161415167.11010101010104.37 4.31 4.25 4.87 4.93 4.99S d a W eV n type N cm p type N cm Si ----表硅的功函数与掺杂浓度的关系（计算值）半导体材料功函数7.2金属－氧化物－半导体场效应晶体管(MOSFET) 引言：MOS 器件的发明先于双极器件，但由于加工工艺条件的限制，双极器件的商品化要早于MOS 器件。

上讲知识回顾上一讲知识回顾BJT结构及特点BJT能带结构（平衡态、非平衡态） BJT工作原理（放大模式）参数BJT参数：共基电流增益，发射效率，基区输运系数 BJT静态特性曲线1半导体器件物理（3）---------MOSFET器件2MOSFET 晶体管结构金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET,metal-oxide-semiconductor field effect transistor) 单极型晶体管；利用半导体表面电场感应产生的导电沟道工作。

等field-effect transistor)：2个pn 结+1个MOS 二极管MOS 集成电路具有功耗小，集成度高，抗干扰能力强等优点。

MOS特别是CMOS 集成电路是当前集成电路的主流。

栅氧化物层要内容主要内容MOS 二极管极管MOSFET基本原理CMOS器件4MOS二极管基本结构理想MOS二极管基本特性表面势与表面耗尽区阈值电压VTC-V曲线C V非理想因素51. MOS 二极管基本结构MOS ：metal-oxide-semiconductor ，金属-氧化物-半导体栅极VSid栅介电层欧姆接触 栅极（gate ）：Al ；多晶硅；金属硅化物g ；；栅介电层：SiO 2，SiO y N x ，Si 3N 4或其它金属氧化物当栅极相对衬底为偏压为值反之为负值6栅极电压V ：当栅极相对Si 衬底为正偏压，V 为正值；反之，V 为负值。

MOS二极管在半导体器件物理中占据极其重要的地位：研究半导体表面特性最重要的器件之一先进集成电路中最重要的MOSFET器件的枢纽储存电容器电荷耦合g p电荷耦合器件（CCD：charge coupled device)的基本组成部分7MOS二极管基本结构理想MOS二极管基本特性表面势与表面耗尽区理想MOS二极管阈值电压VT理想MOS二极管C V曲线C-V非理想因素82.1 理想MOS 管能带结构（零偏压，p 型半导体）氧真空能级化层q φm E CEq φsq χE F E Fi d金属EVq ψBP型半导体功函数：费米能级与真空能级之差亲和势：半导体导带边缘与真空能级之差金属功函数：q φ半导体亲和势：q χ半导体功函数：q φ9m ；半导体本征费米能级E i 和其费米能级E F 之差：q ψB (=E i -E F )s ；2.1 理想MOS管能带结构（零偏压，p型半导体）理想MOS管假设：管假设I.零偏压下，金属半导体功函数差为0，即qφms=0。

mosfet管的工作原理小伙伴，今天咱们来唠唠MOSFET管这个超有趣的小玩意儿的工作原理。

MOSFET管，全名叫金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管（Metal - Oxide - Semiconductor Field - Effect Transistor），名字听起来是不是有点高大上？其实呀，它的工作原理就像一场小小的电子“交通指挥”。

想象一下，MOSFET管就像是一个电子的小王国。

这个小王国里有三个主要的区域，就像三个不同的街区。

这三个区域分别是源极（Source）、漏极（Drain）和栅极（Gate）。

源极呢，就像是电子的老家，好多电子都从这儿出发。

漏极就像是电子要去的目的地，是个充满吸引力的地方。

而栅极呀，那可就是这个小王国里最有权力的指挥中心啦。

那这个指挥中心是怎么指挥电子的呢？这就得说到MOSFET管的构造啦。

在源极和漏极之间，有一个通道，但是这个通道可不是随随便便就能让电子通过的。

这个时候，栅极就开始发挥它的神奇作用了。

栅极和通道之间有一层很薄的氧化物绝缘层，就像一道透明的墙。

当我们给栅极加上一定的电压的时候，就像是在这个指挥中心发出了一个特殊的信号。

这个信号会在这个透明墙的另一边产生一种神奇的电场。

这个电场就像是一个无形的大手，把通道里的电子或者空穴（这就看是N型还是P型的MOSFET管啦）给吸引或者排斥。

比如说对于N型MOSFET管，当栅极电压足够大的时候，这个电场就会把通道里的电子都吸引过来，就像是打开了一道电子的大门，电子们就可以欢快地从源极流向漏极啦，这时候MOSFET管就导通了，就像一条畅通无阻的电子高速公路。

如果栅极没有电压，那这个通道就像是被关上了大门，电子们就只能在源极附近干着急，没法跑到漏极去，这时候MOSFET管就是截止的状态。

MOSFET管的这种工作方式特别灵活。

它就像一个超级听话的小助手，可以根据我们给栅极的电压信号来随时决定是让电流通过还是把电流截断。