微电子器件第七章MOS场效应晶体管讲义

14
§7.2 MOSFET的阈值电压
一、MOSFET的阈值电压表达式
MOSFET的阈值电压VT是
栅极下面的半导体表面呈现 强反型，从而出现导电沟道 时所加的栅源电压。
1.MOS结构中的电荷分布 2.强反型条件 3.理想MOS结构的阈值电压 4.实际MOS结构的阈值电压
QG Qox Qn QB 0
p
0 p
e qVs
kT
n e q(Vs F ) kT i
p e0 q(Vs 2F ) kT p
N e q(Vs 2F ) kT A
p
0 p
nieqF
kT
NA
图7-6 表面电子浓度与表面势的关系
18
§7.2 MOSFET的阈值电压 一、MOSFET的阈值电压表达式
3.理想MOS结构的阈值电压
VT
QBmax Cox
2F
VG Vox Vs 强反型时：
Vox
QG Cox
QBmax Cox
Vs 2F
QBmax qN A xd max
qN
A[
2 0Vs
qN A
1
]2
qN
A[
4 0 kT
q2 N A
ln
N
A
]
1 2
ni
1
[40qN AF ] 2
C ox
0 ox
tox
20
21
p e N e 0 q(Vs 2F ) kT p
q(Vs 2F ) kT A
当Vs
2F
2kT q
ln
NA ni
时，ns
p0p
NA
半导体表面能带弯曲至表面势等于两倍费
米势时，半导体表面呈现强反型状态。
17
§7.2 MOSFET的阈值电压 一、MOSFET的阈值电压表达式
ns
n
0 p
e
qVs
kT
ni2
电路符号
n沟MOSFET
耗尽型
增强型
p型 n+区 电子
>0 由D→S
VT<0
VT>0
D
D
G
BG
B
S
S
p沟MOSFET
耗尽型
增强型
n型 p+区 空穴
<0 由S→D
VT>0
VT<0
D
D
G
BG
B
S
S
13
§7.2 MOSFET的阈值电压 一、MOSFET的阈值电压表达式 二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析 三、关于强反型状态
2
§7.1 MOSFET基本结构和工作原理 一、MOSFET的基本结构 二、MOSFET的基本工作原理 三、MOSFET的分类
3
§7.1 MOSFET基本结构和工作原理 一、MOSFET的基本结构
图7-1 n沟MOSFET结构示意图
N沟道增强型MOSFET结构示意图
4
§7.1 MOSFET基本结构和工作原理 一、MOSFET的基本结构
10
§7.1 MOSFET基本结构和工作原理 二、MOSFET的基本工作原理 栅源电压对沟道的影响
11
§7.1 MOSFET基本结构和工作原理
二、MOSFET的基本工作原理
漏源电压对沟道的影响
12
§7.1 MOSFET基本结构和工作原理
三、MOSFET的分类
类型
衬底 S、D区 沟道载流子
VDS IDS方向 阈值电压
§7.2 MOSFET的阈值电压
一、MOSFET的阈值电压表达式
4.实际MOS结构的阈值电压
•平带电压VFB
VFB
Vms
Qox Cox
VT
Vms
Qox Cox
QBmax Cox
2F
栅源电压： ✓抵消金-半之间接触电势差 ✓补偿氧化层中电荷 ✓建立耗尽层电荷（感应结） ✓提供强反型的2倍费米势
●
●
●
●
●
●
●
●
●
VTn
Qox Cox
1 Cox
{2 0qN A[Vs
V ( y)
VBS
1
]} 2
2kT q
ln
NA ni
Vms
图7-5 MOS结构强反型时的能带图(a) 和电荷分布(b)
15
§7.2 MOSFET的阈值电压
一、MOSFET的阈值电压表达式
2.强反型条件 强反型：是指半导体表面积累的少数载流子的浓度达到和超过体 内平衡多子浓度的状态
表面势：半导体表面的电势VS
ns
n e(EF Ei ) i
kT
p0p
n e(Ei EF ) i
图7-2 MOSFET的物理模型
当栅极加有电压0＜VGS＜VT时，通过 栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下 方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出 现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的 少子将向表层运动，但数量有限，不足以 形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不足 以形成漏极电流ID。
9
§7.1 MOSFET基本结构和工作原理 二、MOSFET的基本工作原理
表面耗尽层 反型层载流子的屏蔽作用 场感应结 理想MOS结构
• 忽略氧化层中电荷的影响 • 不计金属-半导体功函数差
理想MOS结构的阈值电压
QG Qox Qn QB 0
QG QB max 0
19
§7.2 MOSFET的阈值电压 一、MOSFET的阈值电压表达式
3.理想MOS结构的阈值电压
微电子器件原理
第七章 MOS场效应晶体管
第七章 MOS场效应晶体管
§7.1 基本结构和工作原理 §7.2 阈值电压 §7.3 I-V特性和直流特性曲线 §7.4 频率特性 §7.5 功率特性和功率MOSFET结构 §7.6 开关特性 §7.7 击穿特性 §7.8 温度特性 §7.9 短沟道和窄沟道效应
VTn
Vms
Qox Cox
qN A xd max Cox
2kT q
ln
NA ni
VTp
Vms
Qox Cox
qN D xd max Cox
2kT q
ln
ND ni
22
§7.2 MOSFET的阈值电压
二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析 1、VDS 2、VBS
1.偏置电压的影响 2.栅电容Cox 3.功函数差Φms 4.衬底杂质浓度的影响 5.氧化膜中电荷的影响
kT
当(EF Ei )s (Ei EF )V 时，ns p0p
定义费米势： F
(Ei
EF )体内 q
p0p
nieqF
kT
NA
F
kT q
ln
NA ni
16
§7.2 MOSFET的阈值电压
一、MOSFET的阈值电压表达式
2.强反型条件
ns
n
0 p
e
qVs
kT
ni2
p
0 p
e qVs
kT
n e q(Vs F ) kT i
5
6
§7.1 MOSFET基本结构和工作原理 一、MOSFET的基本结构
7
§7.1 MOSFET基本结构和工作原理
8Байду номын сангаас
§7.1 MOSFET基本结构和工作原理
二、MOSFET的基本工作原理
MOSFET的基本工作原理是基于半导体的“表面场效应”
当 VGS=0V 时 ， 漏 源 之 间 相 当 两 个 背 靠背的二极管，在D、S之间加上电压不 会在D、S间形成电流。