半导体器件
第四章 场效应晶体管
场效应晶体管
栅极采用PN结结构 ——结型场效应晶体管
栅极采用MOS结构 ——绝缘栅型场效应晶体管
4.2 绝缘栅型场效应晶体管
4.2.1 理想MOS结构
金属—氧化物—半导体结构，构成MOS管。MOS结构是绝缘栅型场效应晶体 管开关控制的核心部分。金属层引出的电极称为栅极，栅电压的正负是相对硅衬 底电压而言的。
输出特性 VGS>VT为参量，源漏电流 ID随VDS的变化关系，称为 MOSFET的输出特性。 VDS很小时（<<VGS),反型沟道类似 线性电阻，ID与VDS呈线性关系(0A段), 沟道电阻为0A直线的斜率。 + S + D
输出特性 VDS增大，栅与源之间电势差不变，但 栅与漏之间电势差减小，靠近漏极的 沟道厚度减薄，沟道电阻增大， ID随 VDS增加变慢，输出特性曲线斜率变小， 如AB段。
非饱和区：
饱和区：
2
V DS I D VGS VT VDS 2
I Dsat

2
V
GS
VT
2
能够根据VGS、VDS、VT计算出非饱和状态或饱和状态时的漏极电流.
6、跨导 能够根据VGS、VDS、VT计算出非饱和状态或饱和状态时的跨导值
7、MOSFET的击穿
能带弯曲的方向与费米 能级变化的方向相同。 半导体表面能带向下弯曲。 在半导体与氧化物的界面 处（即，能带发生弯曲的 区域），费米能级更远离 价带，意味着该区域空穴 浓度降低。
+
界面处出现了多数载流子的耗尽。
VG >>0时，理想MOS管的能带图
VG >>0时，金属费米能 级相对于半导体费米能 级进一步下降。 半导体表面能带进一步 向下弯曲。 栅压增大到一定值时， 半导体表面处费米能级 高于本征费米能级。表 面处电子浓度超过空穴 ++ 浓度。此时半导体表面 出现“反型”。 若反型层内电子浓度较低，称为“弱反型”；
若反型层内电子浓度等于体内多子浓度时，称为“临界强反型”。 通常认为，半导体表面在临界强反型时才具有导电能力。
从MOS管电容理论，理解半导体表面的反型
P
正的栅压会将半导体表面的空穴推向体内，同时把半导体 体内的电子吸引到表面区域，p型硅衬底表面（硅衬底与绝 缘层界面处）的电子浓度升高，出现反型。
表面电子浓度升高到与体内多子浓度相当时，为临界强反 型。此时，半导体表面形成导电沟道，沟道中电子为多子， 因此称为n沟道。
输出特性
VDS>VT的条件下，越大，反型沟道中的载流子浓度越高， 对应的源漏电流ID越大。
转移特性
输出特性
阈值电压
源漏饱和电压
源漏击穿电压
4.2.3 影响MOSFET阈值电压的因素
1、对阈值电压的理解
临界强反型：反型层中的电子 浓度与半导体体内多子浓度相等。 即Φs=2Φf ，半导体表面进入 临界强反型状态。
I Dsat

2
V
GS
VT
2
输出特性曲线上，VDS=VGS-VT的曲线为临界饱和线。
非饱和区：
饱和区：
2
V DS I D VGS VT VDS 2
I Dsat

2
V
GS
VT
2
跨导
跨导的大小反应栅压对漏极电流的控制能力。跨导越大，控制 能力越强。
（2）在任何直流偏置下，绝缘层内无电荷且绝缘层，完全 不导电。 （3）绝缘层与半导体界面不存在任何界面态。
2、 理想MOS结构在非平衡态时的能带图
VG <0时，理想MOS管的能带图 VG <0时，金属费米能级 相对于半导体费米能级 上移qVG。 界面两侧费米能级不再 统一，费米能级的差值 会引起界面处能带发生 弯曲。能带弯曲的方向 与费米能级变化的方向 相同。 在半导体与氧化物的界面 处（即，能带发生弯曲的 区域），费米能级更靠近 界面处出现了多数载流子的积累。 价带，意味着该区域空穴 浓度更高。
当表面电子浓度与体内多子浓度 相等时： Ei（体内）-EFs= EFs - Ei（表面）
2、理想MOSFET的阈值电压
半导体耗尽层上的分压： 这部分电压引起半导体 表面能带弯曲。 绝缘层上的分压： 这部分电压不能 引起半导体表面 能带弯曲。
衬底的性质（掺杂浓度、本征载流子 浓度）会影响阈值电压的大小；
2、表面势 理解表面势的含义： 表征能带弯曲程度
结合能带图，分析表面势不同取值时，能带弯曲的情况， 进而判断MOS管半导体表面状态。
3、MOSFET的工作原理 转移特性
增强型 n沟道 MOSFET 1、为什么栅极电压要达到一定 值时，源漏才有电流流过？ 2、源漏开始导通时，MOS结构 中半导体表面处于哪种状态？
2、源漏击穿 随着源漏电压的增大，导电沟道出现夹断。电压继续增大， 耗尽区的电场增强，引起雪崩击穿，ID急剧增大。 在曲率半径大的区域，电场最强，该区域最容易发生雪崩击 穿。
4.2.10 MOSFET的等比例缩小
MOSFET 器件与电路参数
器件参数按比 栅长L 例缩小的衍生 栅宽W、绝缘层厚度t ox 结果 掺杂浓度NA、ND 结深xj
W n Cox L
4.2.6 MOSFET的击穿
1、栅介质的可靠性与栅介质的击穿 当栅压过大时，栅介质会发生击穿。若栅介质发生击穿， 半导体表面的载流子会发生泄露，导电沟道消失。 （a）三角形势垒遂穿
（b）直接遂穿
在大电场或大电流的作用 下，栅介质中缺陷密度增 加，形成导电通道，栅介 质完全击穿。
+ S
+ D
输出特性 VDS增大到某一定值时（VDsat），漏 端的沟道消失，称为漏端沟道夹断。 夹断出现后，沟道中出现高阻的耗尽 区。 VDS增加的部分几乎都加在耗尽 区（沟道上的压降几乎不变），所以 ID出现饱和。 VDsat为源漏饱和电压。 + S + D
输出特性 进一步增大VDS，夹断区向源端扩展， 沟道中耗尽区的长度增加。随着VDS 的增大，耗尽区中电场增大，引起 雪崩击穿。此时， ID急剧增大，发生 雪崩击穿时的源漏电压称为MOSFET 的击穿电压，用BVDS表示。
输出特性
VDsat VGS VT
漏端沟道夹断
源漏饱和电压VDsat
4、MOSFET的阈值电压 转移特性
阈值电压
影响阈值电压的因素：
非理想MOS的能带图
实际MOS管在平衡态时半导体侧能带会发生弯曲，这与理想MOS 管在平衡态时的能带有一定的区别，引起实际情况与理想情况出现 偏差的原因？ （2个原因）
5、MOSFET的分类 n沟道、p沟道——导电沟道类型 增强型、耗尽型——栅压为0时，源漏是否导通
4.2.4 MOSFET的电流-电压关系
栅宽
栅长 绝缘层电容
载流子的迁移率
W n Cox L 非饱和区：
2
V DS I D VGS VT VDS 2
1、金属半导体的功函数差； 2、绝缘层中电荷数量。
5、 MOSFET 的类型
1、 已知一MOSFET的转移特性如下图，若栅极电压VGS为4V， 源漏饱和电压值为？
1V
2、 已知一MOSFET的转移特性如下图，若栅极电压VGS为-4V， 源漏饱和电压值为？
-1V
5、MOSFET的电流电压关系 输出特性曲线上，VDS=VGS-VT的曲线为临界饱和线。
VG增大到一定值时，半导体表面开始反型，绝缘栅下出现电子层。 若处于弱反型状态，n型沟道的导电能力较差，源漏之间仍处于关 态； 当栅压增大到足以使半导体表面临界强反型时，反型层内电子 浓度足够大，形成导电能力较强的n型导电沟道，此时，导电沟道 将n型源漏连接起来，源漏处于开态。
阈值电压 半导体表面发生临界强反型时所加的栅极电压VG称为MOSFET的 阈值电压，用VT表示。 沟道开启以后，若继续增大VG，沟道中电子浓度按指数规律增加， 沟道的导电能力迅速增大，在源漏电压不变的情况下，源漏之间的 电流迅速增大。 转移特性 固定源漏电压VSD，源漏电 流ID随VG的变化关系，称 为MOSFET的转移特性。
1、 理想MOS结构的特征
理想MOS管平衡态的能带图 (1)零偏条件下，金属与 半导体的功函数差为0，即
理想情况下，平衡态时MOS 结构的能带图没有发生弯曲。
功函数：费米能级Байду номын сангаас真空能级之间的能量差
金属的功函数表示为电子由金属内部逸出到真空中所需要的最小能量。 功函数的大小标志着电子在金属中束缚的强弱，功函数越大，电子越不容易离开金属。
费米势：本征费米能级与 体内费米能级之差。
若0<Φs< Φf ，表面空穴耗尽；
若Φs>Φf ，半导体表面本征费米能级弯曲至费米能级之下， 表面反型；
若Φs=2Φf ，ns=p0，半导体表面进入临界强反型状态，具有 较强的导电能力。
5、 MOS管性能的描述 ——电容-电压特性
4.2.2 MOSFET 结构及其工作原理
乘积因子
1/α 1/α α 1/α
电路参数按比 耗尽层电容 例缩小的衍生 电路延迟时间（τ =RC） 结果 单位电路的功耗
阈值电压
1/α
1/α 1/α2 1/α
电路密度
α2
第四章 重点
1、理想MOS管的能带结构 非平衡态——外加电压
平衡态
能够根据非平衡态时能带结构，判 断出半导体表面的状态：积累、耗 尽、反型（弱反型、临界强反型）
—
从MOS管电容理论，理解多数载流子的积累
将MOS结构看成平板电容，负的栅压会将半导体表面的 电子推向体内，同时把半导体体内的空穴吸引到表面区 域，p型硅衬底表面（硅衬底与绝缘层界面处）的空穴浓 度高于体内，出现载流子的积累。