理想MOS结构的表面空间电荷区全解

10分钟详细图解MOS管的结构原理什么是MOS管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，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管的优势•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•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•可以⽤作可变电阻•可以⽅便地⽤作恒流源•可以⽤作电⼦开关•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。

半导体器件物理哈理⼯复习资料缩印1.PN 结：采⽤不同的掺杂⼯艺，通过扩散作⽤，将P 型半导体和N 型半导体制作在同⼀块半导体基⽚上，在它们的交界⾯就形成空间电荷区称为PN 结。

2.雪崩击穿：随着PN 结反向电压的增加，势垒中电场强度也在增加。

当电场强度达到⼀定程度后，势垒区中载流⼦就会碰撞电离出新的电⼦—空⽳对。

新的电⼦—空⽳对在电场作⽤下继续碰撞产⽣新的载流⼦，如此反复即碰撞电离率增加，流过PN 结的电流急剧增⼤，击穿PN 结。

3.空间电荷区：在PN 结中，由于⾃由电⼦的扩散运动和漂移运动，使PN 结中间产⽣⼀个很薄的电荷区，就是空间电荷区。

4.耗尽层电容：由于耗尽层内空间电荷随偏压变化所引起的电容称为PN 结耗尽层电容。

5.MOS 阈值电压：阈值电压si -ψ+=O B TH C Q V 是形成强反型层时所需要的最⼩栅极电压。

它的第⼀项表⽰在形成强反型层时，要⽤⼀部分电压去⽀撑空间电荷QB ；第⼆项表⽰要⽤⼀部分电压为半导体表⾯提供达到强反型时需要的表⾯势si ψ。

6.强反型：当表⾯电⼦浓度等于体内平衡多⼦浓度时，半导体表⾯形成强反型层。

7.载流⼦扩散漂移观点分析空间电荷区形成当N 型P 型材料放在⼀起时，P 型材料中多的空⽳向N 型扩散，N 型多的电⼦向P 型扩散，由于扩散，在互相靠近N 侧和P 侧分别出现施主离⼦和受主离⼦，这些空间电荷建⽴⼀个电场，即空间电荷区。

8.载流⼦扩散漂移分析PN 结单向导电性若在PN 结加正向电压，PN 结势垒⾼度下降，减⼩的势垒⾼度有助于扩散通过PN 结，形成⼤的电流，若加反向电压，势垒⾼度增加，漂移作⽤增强，阻挡载流⼦通过PN 结扩散，所以PN 结单向导电1.5种半导体器件：PN 结，光电⼆极管，JFET,MOSFET ，太阳能电池。

2.PN 结隧道电流产⽣条件：费⽶能级进⼊能带；空间电荷层的宽度很窄，因⽽有⾼的隧道3.穿透概率；在相同的能⼒⽔平上，在⼀侧的能带中有电⼦⽽在另⼀侧的能带中有空的状态。

MOS 结构高频C-V 特性测试MOS 结构电容-电压特性（简称C-V 特性）测量是检测MOS 器件制造工艺的重要手段。

它可以方便地确定二氧化硅层厚度ox d 、衬底掺杂浓度N 、氧化层中可动电荷面密度I Q 、和固定电荷面密度fc Q 等参数。

本实验目的是通过测量MOS 结构高频C-V 特性及偏压温度处理（简称BT 处理），确定ox d 、N 、I Q 和fc Q 等参数。

一、 实验原理MOS 结构如图1（a ）所示，它类似于金属和介质形成的平板电容器。

但是，由于半导体中的电荷密度比金属中的小得多，所以充电电荷在半导体表面形成的空间电荷区有一定的厚度（—微米量级），而不像金属中那样，只集中在一薄层（—0.1nm ）内。

半导体表面空间电荷区的厚度随偏压G V 而改变,所以MOS 电容是微分电容 GG dV dQ A C = （1） 式中G Q 是金属电极上的电荷面密度,A 是电极面积。

现在考虑理想MOS 结构。

所谓理想情形，是假设MOS 结构满足以下条件：（1）金属与半导体间功函数差为零；（2）2O S i 绝缘层内没有电荷；（3）2O S i 与半导体界面处不存在界面态。

偏压V G 一部分在降在2O S i 上，记作ox V ；一部分降在半导体表面空间电荷区，记作S V ,即S OX G V V V += （2）S V 又叫表面势。

考虑到半导体表面空间电荷区电荷和金属电极上的电荷数量相等、符号相反，有G SC Q Q = （3）式中SC Q 是半导体表面空间电荷区电荷面密度。

将式（2）、（3）代入式（1），S ox S ox Sox S ox G G G C C C C C C dV dV dQ A dV dQ A C +=+=+==111 （4） 式（4）表明MOS 电容由ox C 和S C 串联构成，其等效电路如图1（b ）所示。

其中ox C 是以2O S i 为介质的氧化层电容，它的数值不随改变G V ；S C 是半导体表面空间区电容，其数值随G V 改变，因此oxro ox G ox d A dV dQ A C εε0== （5） S SC S dV dQ AC = （6） 式中ro ε是2O S i 相对介电常数。