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
Байду номын сангаас
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） ✓提供反型的2倍费米势
VTn
Vms
Qox Cox
qN A xd max Cox
2kT q
ln
NA ni
VTp
Vms
Qox Cox
qN D xd max Cox
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
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§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、关于反型程度划分的讨论
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 234...栅功衬电函底容数杂C差质oxΦ浓m度s 的影响 5.氧化膜中电荷的影响
●
●
●
●
●
●
●
●
●
VTn
Qox Cox
1 Cox
{2 0qN A[Vs
V ( y)
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§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
kT
当(EF Ei )s (Ei EF )V 时，ns p0p
10
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类
二、MOSFET的基本工作原理
栅源电压对沟道的影响
11
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类
二、MOSFET的基本工作原理
漏源电压对沟道的影响
12
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类
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
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 基本工作原理和分类 §7.2 阈值电压 §7.3 I-V特性和直流特性曲线 §7.4 击穿特性 §7.5 频率特性 §7.6 功率特性和功率MOSFET结构 §7.7 开关特性 §7.8 温度特性 §7.9 短沟道和窄沟道效应
定义费米势： F
(Ei
EF )体内 q
p0p
nieqF
kT
NA
F
kT q
ln
NA ni
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§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
p e N e 0 q(Vs 2F ) kT p
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
§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
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基本工作原理和分类 二、MOSFET的基本工作原理
p e0 q(Vs 2F ) kT p
N e q(Vs 2F ) kT A
p
0 p
nieqF
kT
NA
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§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
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
2
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类 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基本工作原理和分类 一、MOSFET的基本结构
N沟道增强型MOSFET结构示意图
4
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类 一、MOSFET的基本结构
5
6
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类 一、MOSFET的基本结构
7
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类
8
§7.1 MOSFET基本工作原理和分类
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。
理想MOS结构的阈值电压
QG Qox Qn QB 0
QG QB max 0
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§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
q(Vs 2F ) kT A
当Vs
2F
2kT q
ln
NA ni
时，ns
p
0 p
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。
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§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
p
0 p
e qVs
kT
n e q(Vs F ) kT i
VBS
1
]} 2
2kT q
ln
NA ni
Vms
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§7.2 MOSFET的阈值电压 二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析
1.偏置电压的影响 234...栅功衬电函底容数杂C差质oxΦ浓m度s 的影响 5.氧化膜中电荷的影响
Ec
qVD