第六章 金属—氧化物—半导体场 效应晶体管
Lienfeld和Heil于30年代初就提出了表面场效应晶体管原理。 40年代末Shockley和Pearson进行了深入研究。 1960年Kahng和Alalla应用热氧化硅结构制造出第一只MOSFET. MOSFET是大规模集成电路中的主流器件。 MOSFET是英文缩写词。 其它叫法：绝缘体场效应晶体管（IGFET）、金属-绝缘体-半导体场效应 晶体管（MISFET）、金属-氧化物-半导体晶体管（MOST）等。
（6-25）
6.2 理想MOS电容器
则
C 0 =绝缘层单位面积上的电容，
C S =半导体表面空间电荷区单位面积电容。
C 1 C0 1 C0 C S
（6-28）
1 1 1 C C0 C S
（6-26）
C C 0 称为系统的归一化电容。
C0
dQM 0 k 0 dV0 x0
（6-29）
S
的变化也逐渐减慢， C S 变小。总电容
C FB C0
1 k 0 LD 1 k s x0
（6-40）
（6-40）由掺杂浓度和氧化层厚度确定
6.2 理想MOS电容器
耗尽区（ VG >0）
dQS 0 k S CS d S xd
V0
（6-42）
C CS
氧化层电容
QS ，代入（6-2）式中有 C0
教学要求
掌握概念：沟道电导、阈值电压 导出沟道电导公式（6-53） 导出阈值电压公式（6-54） 说明阈值电压的物理意义。
6.4实际MOS的电容－电压特性
6.4实际MOS的电容－电压特性
• 功函数差的影响
6.4 实际MOS的电容—电压特性
以铝电极和P型硅衬底为例。铝的功函数比型硅的小，前者的费米能级比后者的高 。接触前，功函数差
2
间电荷区也处于热平衡状态，这使得整个表面空间电荷区中费米能级为常数。这些 假设在以后将被取消而接近实际的MOS结构。
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
半导体表面空间电荷区 ： 每个极板上的感应电荷与电场之间满足如下关系
QM QS k 0 0 0 k S 0 S
式中0=自由空间的电容率
dQI dQB dQS Cs d S d S d S
（6-47）
6.2 理想MOS电容器
小结
MOS电容定义为
C
dQM dVG
（6-22）
绝缘层单位面积电容
导体表面空间电荷区单位面积电容
dQM 0 k 0 C0 dV0 x0
（6-29）
CS
dQ S dQ M d S d S
－q q m S
＝ －( EFM
EFS )<0
由于功函数的不同，铝—二氧化硅—P型硅MOS系统在没有外加偏压的时候，在 半导体表面就存在表面势 S >0。因此，欲使能带平直，即除去功函数差所带来的影 响，就必须在金属电极上加一负电压。
' ' VG1 ms m s'
QM QS k 0 0 0 k S 0 S
（6-1）
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
小结
载流子积累、耗尽和反型的概念。 载流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况的能带图。 体费米势的概念：
Ei 0 EF f
q
反型和强反型条件： 反型条件；
（6-1）
S =半导体表面的电场
k 0 =氧化物的相对介电常数
k S =半导体相对介电常数
x d =空间电荷区在半导体内部的边界亦即空间电荷区宽度。
外加电压 VG 为跨越氧化层的电压
V0和表面势 S 所分摊：
（6-2）
VG V0 S
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
图6-3 加上电压 VG 时MOS结构内的电位分布
1 k 0 xd 1 k S x0
（6-43）
QS S VG C0
把
（6-44）
QS QB qN a x d
2 qN a x d S 2k s 0
（6-5）
和
（6-6）
6.2 理想MOS电容器
代入（6-44）式解出 x
d
Xd
kS 0 kS 0 2VG 1 C0 2 C0 C0 qkS 0 N a
G
（6-51） （6-54）
沟道电荷受到偏压 V 阈值电压：
控制，这正是MOSFET工作的基础。
VTH
QB Si C0
（6-55）
第一项表示在形成强反型时，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所需要的表面势 Si 。
6.3沟道电导与阈值电压
6.1 理想MOS结构的表面空间电 荷区
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
理想MOS结构基于以下假设： （1）在氧化物中或在氧化物和半导体之间的界面上不存在电荷。 （2）金属和半导体之间的功函数差为零，如绘于图6-2b中的情形。 〔由于假设（1）、（2），在无偏压时半导体能带是平直的。〕 （3） SiO 层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过。因此，即使有外加电压，表面空
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
载流子耗尽 单位面积下的总电荷为
QS QB qN a x d
式中 xd 为耗尽层宽度。
2 qN a x d S 2k s 0
（6-5）
（6-6）
x S 1


x xd

2
（6-7）
载流子反型：载流子类型发生变化的现象或者说半导体的导电类型发生变化的现象。
小结
二个概念：沟道电导、阈值电压 沟道电导公式
Z g I n QI L
阈值电压公式
（6-53）
QB QI C0 VG C Si C 0 VG VTH 0
（6-54）
6.3沟道电导与阈值电压
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
6.1.3反型和强反型条件 反型条件；
s f
强反型条件；
（6-17）
si 2 f
式中 Si 为出现强反型时的表面势。
（6-18）
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
E
Ec
q f q f
Ei
Ev
0
xI
x
图6-5 强反型时的能带图
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
x dm 2k S 0 si qNa 4 k S 0 f qNa
（6-19） （6-20）
QB qN a xdm
总表面空间电荷
QS QI QB QI qN a xdm
（6-21）
QI为反型层中单位面积下的可动电荷即沟道电荷：
qnI x dx Q I
Z g I n QI L
（6-53）
6.3沟道电导与阈值电压
二 阈值电压 VTH ：定义为形成强反型所需要的最小栅电压。
当出现强反型时
QI QB VG Si C0 C0 QB QI C 0 VG C 0 VG VTH C Si 0
归一化MOS电容 C C 0 随着外加偏压
2 0 k 0 V 1 2 G qN a k S x0
（6-46）
VG 的增加而减小
画出了理想系统的电容—电压特性（图6.7）。
6.2 理想MOS电容器
教学要求
掌握理想系统的电容—电压特性，对图6.7作出正确分析。 导出公式（6－45）、（6-46）。
0 xI
（6-52）
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
小结
理想MOS结构基于以下假设： （1）在氧化物中或在氧化物和半导体之间的界面上不存在电荷。 （2）金属和半导体之间的功函数差为零，如绘于图6-2b中的情形。 〔由于假设（1）、（2），在无偏压时半导体能带是平直的。〕 （3） SiO2 层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过。因此，即使有外加电压，表面空 间电荷区也处于热平衡状态，这使得整个表面空间电荷区中费米能级为常数。 偏压 V 使半导体表面具有表面势，出现表面空间电荷区。 G 空间电荷与电场具有以下关系
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
载流子积累、耗尽和反型
载流子积累 紧靠硅表面的多数载流子浓度大于体内热平衡多数载流子浓度时，称为载流子积 累现象。 单位面积下的空间电荷
Qs q [ p ( x) p0 ]dx
0
xd
6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区
图6-4 几种偏压情况的能带和电荷分布 （a） VG ， （b）小的 VG ， （c）大的 VG
2 0 12
（6-45）
C 2C VG 1 C0 qN a k S 0
2 0 k 0 V 1 2 G qN a k S x0
2
12
（6-46）
归一化电容 C C 0 随着外加偏压 VG 的增加而减小. 反型区（ VG >0）
（6-25）
6.2 理想MOS电容器
小结
归一化电容
C 1 C0 1 C0 C S
Xd kS 0 kS 0 2VG C0 2 1 C0 C0 qkS 0 N a
2 0 12
（6-28）
在耗尽区
（6-45）
2 12
C 2C VG 1 C0 qN a k S 0