第五章 MOS场效应晶体管

第五章 MOS 场效应晶体管§ 5.1 MOS 场效应晶体管的结构和工作原理1．基本结构上一章我们简单提到了金属－半导体场效应晶体管（即MESFET ），它的工作原理和JEFET 的工作原理有许多类似之处。

如果在金属－半导体结之间加一层氧化物绝缘层（如SiO 2）就可以形成另一种场效应晶体管，即金属－氧化物－半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ，缩写MOSFET ），如图所示（P172）。

MOS 管主要是利用半导体表面效应而制成的晶体管，参与工作的只有一种载流子（即多数载流子），所以又称为单极型晶体管。

在双极型晶体管中，参加工作的不仅有多数载流子，也有少数载流子，故称为双极型晶体管。

本章主要以金属―SiO 2―P 型Si 构成的MOS 管为例来讨论其工作原理。

器件的基本参数是：沟道长度L （两个N P +结间的距离）；沟道宽度Z ；氧化层厚度x 0；漏区和源区的结深x j ；衬底掺杂浓度N a 等。

MOS 场效应晶体管可以以半导体Ge 、Si 为材料，也可以用化合物GaAs 、InP 等材料制作，目前以使用Si 材料的最多。

MOS 器件栅下的绝缘层可以选用SiO 2、Si 3N 4和Al 2O 3等绝缘材料，其中使用SiO 2最为普遍。

2．载流子的积累、耗尽和反型 （1）载流子积累我们先不考虑漏极电压V D ，将源极和衬底接地，如图所示。

如果在栅极加一负偏压（0G <V ），就将产生由衬底指向栅极的垂直电场。

在电场作用下，将使空穴在半导体表面积累，而电子在金属表面积累，如图所示。

（2）载流子耗尽如果在栅极加一正偏压（0G >V ），就将产生由栅极指向衬底的垂直电场。

在此电场作用下，将造成半导体表面多子空穴耗尽（即在半导体表面感应出负电荷，这些负电荷是空间电荷，不可移动），而在金属表面感应出正电荷，如图所示。

（3）载流子反型若在耗尽的基础上进一步增加偏压V G，半导体表面将由耗尽逐步进入反型状态。

在反型层中，少子电子浓度高于本征载流子浓度，而多子空穴的浓度低于本征载流子浓度，这一层半导体由P型变成了N型。

在半导体表面产生电子积累，这些电子是可以移动的，如图所示。

当栅压增加到使半导体表面积累的电子浓度等于或超过衬底内部的空穴平衡浓度pp时，半导体表面达到强反型，此时所对应的栅压称为阈值电压（通常用VTH表示）。

达到强反型时，半导体表面附近出现的与体内极性相反的电子导电层，在MOS场效应晶体管中称之为导电沟道，电子导电的反型层称作N沟道。

3．工作过程（1）VV THG>时的工作过程上面分析表明，当栅极电压大于阈值电压（VV THG>）时，在两个N＋区之间的P 型半导体形成一个表面反型层（即导电沟道）。

于是源和漏之间被能通过大电流的N型表面沟道连接在一起。

这个沟道的电导可以用改变栅电压VG来调制。

背面接触（称为下栅极）可以接参考电压或负电压，这个电压也会影响沟道电导。

①若加一小的漏电压VD，电子将通过沟道从源极（S）流到漏极（D）。

因此，沟道的作用相当于一个电阻，且漏电流ID 和漏电压VD成正比。

这是线性区，可用一条恒定电阻的直线来表示，如图（a）所示。

②当漏电压增加时，由于从漏极到源极存在电压降，因此，导电沟道从0～L逐渐变窄，甚至使Ly=处反型层宽度减小到零。

这种现象叫做沟道夹断（如图（b）所示）。

沟道夹断发生的地点叫夹断点，图中用P表示。

夹断时的漏电压记为VDsat。

③ 夹断以后，漏电流基本上保持不变，因为当V V Dsat D >时，夹断点左移，但夹断点的电压保持不变，即电导沟道两端的电压保持不变。

因而从漏到源的电流也不变。

主要变化是L 的缩短，比如从L 缩短到L '，如图（c ）所示。

载流子在P 点注入到漏耗尽区，这与双极晶体管载流子从基区注入到集电结耗尽区的情况非常类似。

通过以上分析可以看到MOSFET 的I －V 特性和JFET 的很相似。

若施加不同的栅极电压V G ，可以得到如果所示的输出特性曲线。

（2）V V TH G <时的特性当栅极施加正向电压且在V V TH G <范围内时，半导体表面没有出现导电沟道，在漏极加上电压V D （0D >V ），则漏端PN 结为反偏，流过漏源的电流很小，只是PN 结反向饱和电流，这种工作状态称为截止状态。

3．MOS 场效应晶体管的分类MOS 场效应管的分类和JFET 的分类类似。

根据形成导电沟道的起因和沟道中载流子的类别，MOS 场效应晶体管可以N 沟和P 沟两大类。

根据0G =V 时的工作状态分为增强型（0G =V 不存在导电沟道，只有当外加栅电压大于阈值电压时才形成导电沟道）和耗尽型（0G =V 已存在导电沟道，要使耗尽型MOS 器件的沟道消失，必须施加一个栅极电压）两类。

因此MOS 场效应晶体管可以分为4种不同的类型：N 沟耗尽型、N 沟增强型、P 沟耗尽型、P 沟增强型。

§ 5.2 MOS 场效应晶体管的阈值电压1．MOS 结构中的电荷分布如上所述，阈值电压是栅下半导体表面出现强反型时所加的栅源电压，所谓强反型是指表面积累的少子浓度等于甚至超过衬底多数载流子浓度的状态，即能带弯曲至表面势等于或大于两倍费米势的状态。

若用ψS 表示表面势，φf 表示半导体内的费米势，则qE E )(22F 0i f S -=≥φψ式中，E 0i 和E F 分别为本征与杂质费米能级。

由⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=≈Tk E E n p N BF 0i i 0a 可得P 型衬底费米势为n N qT k ia B f ln =φ上图是N沟MOS管出现强反型时的能带图和电荷的分布。

图中，xI 的右边EE Fi>，仍为P型；而在xI 的左边，EE Fi<，变为了N型。

因而在半导体空间电荷区中感应出了PN结，这种PN结称为物理PN结，是场感应结。

当外加电压VG撤出之后，反型层消失，PN结也随之消失。

在外加栅压VG 下，金属板上所产生的面电荷密度为QM；QSS为存在于栅绝缘层中的固定电荷，可移动电荷和界面态，并将这些电荷用Si－SiO2界面处的电荷密度来等效的一种表面态电荷密度；Qn 为反型层中单位面积上的导电电子电荷密度；QB是半导体表面耗尽层中的空间电荷密度。

当表面刚好强反型时，表面耗尽层宽度达到最大xdm ，若将反型层和衬底之间的结近似看作N P +单边突变结，则此结上所加的反向偏压等于φf 2，因此最大耗尽层宽度为N q x af 0rs dm )2(2φεε=当表面耗尽层宽度达到最大值x dm 时，表面耗尽层中单位面积上的空间电荷密度Q B也达到最大值Q Bm)2(2f a 0rs dm a Bm φεεN q x N q Q ==按照MOS 结构中电中性条件的要求，MOS 结构中的总电荷代数和必须等于零，因此，出现强反型时0n Bm SS M =+++Q Q Q Q刚达到强反型时，沟道反型层中的电子浓度刚好等于P 型衬底内的空穴浓度，而且反型层电子只存在于极表面的一层，因此Q Q Bm n <<，可以忽略，所以上式简化为0Bm SS M =++Q Q Q2．理想MOS 结构的阈值电压理想MOS 结构是指：① 在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电，能阻挡直流流过；② 金属与半导体之间的功函数差为零，即二者有相同的费米能级；③ 绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态。

因此0Bm SS M =++Q Q Q 中忽略Q SS 有)2(2f a 0rs Bm M φεεN q Q Q -=-=由于理想MOS 结构中假定金属与半导体之间的功函数差为零，因此在外加栅压为零时，能带处于平直状态，施加了栅压以后，能带才发生弯曲，因此，在理想情况下，加上电压V G 时，外加电压V G 为跨越氧化层的电压V 0和半导体表面势ψS 之和，因此有ψS 0G +=V V所以达到强反型时φf 0TH 2+=V V设栅氧化层的单位面积电容为C 0，则有C Q C Q V 0Bm 0M 0-==所以φfBm TH 2+-=C Q V3．实际MOS 结构的阈值电压实际MOS 结构中存在表面态电荷密度Q SS ，金属－半导体功函数差Φms ，因此，在栅压为零时，由于Q SS 和Φms 的作用，表面能带已经发生弯曲，为了使能带恢复到平带状态，必须在栅极上施加一定的栅压，使能带恢复到平直状态所需要加的栅压称为平带电压V FB ，所以平带电压为C Q q ΦV 0SS ms FB --=式中，C Q 0SS /表示抵消表面态电荷的影响所需加的栅源电压。

因此，在实际MOS 结构中，必须用一部分栅压去抵消Q SS 和Φms 的影响，才能使MOS 结构恢复到平带状态，达到理想MOS 结构的状况，真正降落在栅氧化层和半导体表面上的电压只有V V FB G -，这时，栅电压为V V V FB S 0G ++=ψ所以阈值电压为qΦC Q Q V V V ms f 0SSBm FB f 0TH 22-++-=++=φφqΦn N qT k N q C C Q ms ia B f a 0rs 0SS ln 2)2(21-++-=φεε讨论：① V TH 与衬底掺杂浓度N a 密切相关，衬底掺杂浓度越高，阈值电压也越高。

② 在使用SiO 2作为栅绝缘材料的SiO 2－Si 系统中，表面电荷Q SS 总是正的，而且主要由界面态、固定电荷、可动离子和电离陷阱等组成。

因此，当表面电荷密度较高时，阈值电压可能变成负值，要制作增强型N 沟MOS 管，在工艺中要尽量减少SiO 2－Si 界面上的电荷密度Q SS 。

③ 金属－半导体功函数差定义为W W Φm s ms -=W s 和W m 分别代表金属和半导体的功函数。

一般P 型Si 半导体的功函数比金属（如Al ）的功函数大，即W W m s >。

因此，要制作增强型N 沟MOS 管，应该选择功函数差低的材料，如多晶硅等栅极材料。

§ 5.3 MOS 场效应晶体管的直流电流－电压特性本节将定量分析MOS 场效应晶体管的电流－电压特性。

为了方便起见，先作以下几个假设：① 忽略源区和漏区体电阻和电极接触电阻；② 沟道内掺杂均匀；③ 载流子在反型层内的迁移率为常数； ④ 长沟道近似和渐近沟道近似，即假设垂直电场和水平电场使互相独立的。

⑤ 在沟道区不存在复合－产生电流。

下图为N 沟增强型MOS 场效应晶体管的输出特性曲线，图中的电流－电压特性可以用夹断条件作为界限划分为线性区和饱和区。

下面作定量分析。

1．线性区的电流－电压特性下图是放大的N 沟道MOS 管的示意图，其上加了偏置电压。