- -氧化物氧化物- -半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管p3030年代初年代初, ,LienfeldLienfeld和和HeilHeil提出表面场效应晶体管原理。提出表面场效应晶体管原理。p4040年代末年代末, Shockley, Shockley和和PearsonPearson进行深入研究。进行深入研究。p19601960年年, , KahngKahng和和AlallaAlalla应用热氧化硅结构制造出第一只应用热氧化硅结构制造出第一只 MOSFET. .pMOSFET是大规模集成电路中的主流器件。是大规模集成电路中的主流器件。pMOSFET其它叫法：绝缘栅场效应晶体管（其它叫法：绝缘栅场效应晶体管（IGFET） 金属金属- -绝缘体绝缘体- -半导体场效应晶体管（半导体场效应晶体管（MISFET） 金属金属- -氧化物氧化物- -半导体晶体管（半导体晶体管（MOST）金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构表面空间电荷区结构表面空间电荷区第六章第六章 金属金属- -氧化物氧化物- -半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构表面空间电荷区结构表面空间电荷区 p理想理想MOSMOS结构假设结构假设（1 1）氧化物中或氧化物和半导体之间的界面不存在电荷。）氧化物中或氧化物和半导体之间的界面不存在电荷。（2 2）金属和半导体之间的功函数差为零）金属和半导体之间的功函数差为零. . 由假设（由假设（1 1）（）（2 2）无偏压时半导体能带平直）无偏压时半导体能带平直（3 3）二氧化硅层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过。）二氧化硅层是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过。 由假设（由假设（3 3），即使有外加电压，在达到热平衡状态时，即使有外加电压，在达到热平衡状态时，整个整个表面空间电荷区中费米能级为常数，与体内费米能级表面空间电荷区中费米能级为常数，与体内费米能级相平相平。 图图6-26-2b MOSb MOS电容器结构和能带图电容器结构和能带图（P192P192） 金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区图图6-3加上电压加上电压 时时MOSMOS结构内的结构内的电位分布电位分布 p半导体表面空间电荷区半导体表面空间电荷区（厚度厚度umum量级量级 P193P193) )在在MOSMOS电容两端加上电压，电容两端加上电压，则半导体表面感应电荷为则半导体表面感应电荷为Q QS S=-Q=-QM M。金属的自由电子浓度很大，金属的自由电子浓度很大，金属表面的空间电荷区局限金属表面的空间电荷区局限于一个原子厚度。于一个原子厚度。半导体的载流子的浓度比半导体的载流子的浓度比金属中小，在半导体表面形金属中小，在半导体表面形成一个具有相当厚度的空间成一个具有相当厚度的空间电荷区。电荷区。金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 p半导体表面空间电荷区（半导体表面空间电荷区（P193P193) )每个极板上的感应电荷与电场之间关系每个极板上的感应电荷与电场之间关系 自由空间电容率自由空间电容率 氧化物氧化物相对相对介电常数介电常数 半导体表面电场半导体表面电场 半导体半导体相对相对介电常数介电常数空间电荷区在半导体内部边界亦即空间电荷区宽度空间电荷区在半导体内部边界亦即空间电荷区宽度外加电压外加电压为跨越氧化层电压为跨越氧化层电压和表面势和表面势所分摊所分摊（6-26-2）（6-16-1）金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 图图6-4几种偏压情况的能带和电荷分布几种偏压情况的能带和电荷分布 （a）p载流子载流子积累积累、耗尽和反型、耗尽和反型金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 p载流子积累、耗尽和反型载流子积累、耗尽和反型载流子积累载流子积累 紧紧靠靠硅硅表表面面的的多多数数载载流流子子浓浓度度大大于于体体内内热热平平衡衡多多数数载载流流子浓度时，称为载流子积累现象。子浓度时，称为载流子积累现象。 单位面积空间电荷单位面积空间电荷金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 图图6-4几种偏压情况的能带和电荷分布几种偏压情况的能带和电荷分布（b）小的小的 （c）大的大的p载流子积累、载流子积累、耗尽耗尽和和反型反型物理物理PNPN结结场感应结场感应结金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 载流子耗尽载流子耗尽 单位面积总电荷单位面积总电荷 载流子反型载流子反型 载流子类型发生变化或者半导体的导电类型发生变化载流子类型发生变化或者半导体的导电类型发生变化（6-66-6）（6-76-7）（6-56-5）p载流子积累、耗尽和反型载流子积累、耗尽和反型金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 6.1.3 反型和强反型条件反型和强反型条件反型条件反型条件强反型条件强反型条件（6-176-17）（6-186-18）图图6-5强反型时的能带图强反型时的能带图 在外电场作用下，可以改变半导在外电场作用下，可以改变半导体的表面以内相当厚的一层中载流体的表面以内相当厚的一层中载流子的浓度和型号，从而可控制该层子的浓度和型号，从而可控制该层的导电能力和性质。的导电能力和性质。反型层称反型层称导电沟道导电沟道，半导体表面，半导体表面场效应，场效应，MOSFETMOSFET的物理基础。的物理基础。金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 反型层中单位面积下的可动电荷即沟道电荷反型层中单位面积下的可动电荷即沟道电荷总表面空间电荷总表面空间电荷（6-196-19）（6-206-20）（6-216-21）（6-6-2222）p 反型和强反型条件反型和强反型条件( (小结小结8 8) )金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 小结小结1.1.理想理想MOSMOS假设意义，即使外加电压，表面空间电荷区也处假设意义，即使外加电压，表面空间电荷区也处热平衡状态，整个表面空间电荷区中费米能级为常数。热平衡状态，整个表面空间电荷区中费米能级为常数。2. 2. 偏压由氧化层和半导体承担偏压由氧化层和半导体承担3. 3. 根据电磁场边界条件，空间电荷与电场具有以下关系根据电磁场边界条件，空间电荷与电场具有以下关系4. 4. 不同栅偏压使半导体表面出现不同栅偏压使半导体表面出现. .载流子积累、耗尽和反型的载流子积累、耗尽和反型的不同状态。不同状态。金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区小结小结5. 5. 画能带图的依据画能带图的依据a.a. 据理想据理想MOSMOS假设，各种偏压下半导体的费米能级不变；假设，各种偏压下半导体的费米能级不变；b.b.半导体中性区的费米能级与金属费米能级分开，其差等半导体中性区的费米能级与金属费米能级分开，其差等 栅偏压栅偏压 c.c.偏压由氧化层和半导体承担偏压由氧化层和半导体承担d.d.真空能级连续，各能级与真空能级平行。真空能级连续，各能级与真空能级平行。6. 6. 体费米势体费米势定义定义金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区小结小结7. 7. 反型和强反型条件反型和强反型条件8. 8. 强反型后，当偏压继续增加时，导带电子在很薄的强反型强反型后，当偏压继续增加时，导带电子在很薄的强反型层中迅速增加，屏蔽了外电场。于是空间电荷区的势垒高层中迅速增加，屏蔽了外电场。于是空间电荷区的势垒高度、表面势、固定的受主负电荷以及空间电荷区的宽度基度、表面势、固定的受主负电荷以及空间电荷区的宽度基本上保持不变。本上保持不变。金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.1 6.1 理想理想MOSMOS结构的表面空间电荷区结构的表面空间电荷区 教学要求教学要求了解理想结构基本假设及其意义。了解理想结构基本假设及其意义。根据电磁场边界条件导出空间电荷与电场的关系根据电磁场边界条件导出空间电荷与电场的关系掌握载流子积累、耗尽和反型和强反型的概念。掌握载流子积累、耗尽和反型和强反型的概念。正确画流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况能带图。正确画流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况能带图。导出反型和强反型条件导出反型和强反型条件金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器电容器第六章第六章 金属金属- -氧化物氧化物- -半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器电容器 p单位面积微分电容单位面积微分电容p MOSMOS系统电容系统电容- -电压特性电压特性: : 微分电容微分电容C C与偏压与偏压 关系关系绝缘层单位面积上的电容绝缘层单位面积上的电容半导体表面空间电荷区单位面积电容半导体表面空间电荷区单位面积电容（6-226-22）（6-236-23）（6-246-24）（6-256-25）金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器电容器 （6-266-26）（6-286-28）（6-296-29）p系统归一化电容系统归一化电容图图6-7 6-7 P P型半导体型半导体MOSMOS的的C-VC-V特性特性 电容随偏压变化分成几个区域电容随偏压变化分成几个区域金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器电容器 p积累区（积累区（ P198P198 ）MOS系系统统电电容容C基基本本等等于于绝绝缘缘体体电电容容。负负偏偏压压逐逐渐渐减减少少，空空间间电电荷荷区区积积累累空空穴穴数数随随之之减减少少，且且随随变变化也逐渐减慢，化也逐渐减慢，变小。总电容变小。总电容C也就变小。也就变小。p平带情况（平带情况（ P199P199）（6-6-4040）金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器电容器 p耗尽区（耗尽区（ P200P200） （6-436-43）（6-426-42）（6-446-44）（6-56-5）（6-66-6）金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器电容器 归一化电容归一化电容 随着外加偏压的增加而减小随着外加偏压的增加而减小p反型区（反型区（ P201,P201,小结小结6 6）（6-456-45）（6-466-46）（6-476-47）p耗尽区耗尽区金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器电容器 小结小结1. MOS1. MOS电容电容: :氧化层电容和半导体表面空间电荷区电容串联氧化层电容和半导体表面空间电荷区电容串联. .2. 2. 绝缘层单位面积电容绝缘层单位面积电容3. 3. 导体表面空间电荷区单位面积电容导体表面空间电荷区单位面积电容金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器电容器 小结小结4.归一化电容归一化电容5. 5. 耗尽区耗尽区 归一化归一化MOSMOS电容电容 随着外加偏压的增加而减小随着外加偏压的增加而减小6. 6. 反型区反型区 载载流流子子数数量量变变化化主主要要依依靠靠少少子子产产生生与与复复合合，这这个个过过程程快快慢由少子寿命决定，归一化电容与测量信号的频率有关。慢由少子寿命决定，归一化电容与测量信号的频率有关。金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.2 6.2 理想理想MOSMOS电容器电容器 教学要求教学要求掌握理想系统电容掌握理想系统电容-电压特性，对图电压特性，对图6.76.7作出正确分析。作出正确分析。导出公式（导出公式（6 64545）、（）、（6-466-46）。）。金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.3 6.3 沟道电导与阈值电压沟道电导与阈值电压第六章第六章 金属金属- -氧化物氧化物- -半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.3 6.3 沟道电导与阈值电压沟道电导与阈值电压 一一 沟道电导沟道电导 为沟道中的电子浓度为沟道中的电子浓度, , 为沟道宽度为沟道宽度 反型层中单位面积总的电子电荷反型层中单位面积总的电子电荷 沟道电导沟道电导（6-516-51）（6-526-52）（6-536-53）金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.3 6.3 沟道电导与阈值电压沟道电导与阈值电压二二 阈值电压阈值电压 定义为形成定义为形成强反型强反型所需要最小栅电压。所需要最小栅电压。 出现强反型出现强反型 沟道电荷受到偏压控制沟道电荷受到偏压控制，这正是，这正是MOSFETMOSFET工作的基础。工作的基础。 （6-516-51）（6-56-54 4）金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.3 6.3 沟道电导与阈值电压沟道电导与阈值电压二二 阈值电压阈值电压 定义为形成强反型所需要最小栅电压。定义为形成强反型所需要最小栅电压。 p第第一一项项表表示示形形成成强强反反型型时时，要要用用一一部部分分电电压压去去支支撑撑空空间间电电荷荷 ；p第第二二项项表表示示要要用用一一部部分分电电压压为为半半导导体体表表面面提提供供达达到到强强反反型型时所需要的表面势时所需要的表面势 。（6-56-55 5）金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.3 6.3 沟道电导与阈值电压沟道电导与阈值电压 小结小结1. 1. 沟道电导反映了导电沟道的导电能力，沟道电导与器件结沟道电导反映了导电沟道的导电能力，沟道电导与器件结构有关，与沟道内载流子迁移率和沟道电荷成正比。构有关，与沟道内载流子迁移率和沟道电荷成正比。2. 2. 阈值电压阈值电压 形成强反型时所需最小栅电压。第一项表示在形成强形成强反型时所需最小栅电压。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；第二项表示要反型时，要用一部分电压去支撑空间电荷；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。面势。金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.3 6.3 沟道电导与阈值电压沟道电导与阈值电压 教学要求教学要求掌握概念：掌握概念：沟道电导、阈值电压沟道电导、阈值电压导出沟道电导公式导出沟道电导公式（6-536-53） 导出阈值电压公式（导出阈值电压公式（6-546-54）说明阈值电压的物理意义。说明阈值电压的物理意义。金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容- -电压特性电压特性第六章第六章 金属金属- -氧化物氧化物- -半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容- -电压特性电压特性p功函数差的影响功函数差的影响金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容- -电压特性电压特性p铝电极和铝电极和P P型硅衬底型硅衬底 铝的功函数比铝的功函数比P P型硅的小，铝的费米能级高。型硅的小，铝的费米能级高。 功函数差功函数差 功功函函数数不不同同，铝铝- -二二氧氧化化硅硅-P-P型型硅硅MOSMOS系系统统在在没没有有外外加加偏偏压压的的时时候候，在在半半导导体体表表面面存存在在表表面面势势 。因因此此，欲欲使使能能带带平平直直，除除去去功功函函数数差差的的影影响响，就就必必须须在在金金属属电电极上加一负电压。极上加一负电压。平带电压平带电压（6-566-56）金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容- -电压特性电压特性 金属氧化物半导体场效应晶体管课件（6-576-57）在室温下，硅的修正功函数在室温下，硅的修正功函数 起着有效电压的作用。起着有效电压的作用。 实实际际系系统统的的电电容容C C作作为为 的的函函数数，与与理理想想MOSMOS系系统统C C的作为的作为 的函数，在形式上应该一样。的函数，在形式上应该一样。（6-576-57）p功函数差的影响功函数差的影响金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容- -电压特性电压特性p界面陷阱和氧化物电荷的影响界面陷阱和氧化物电荷的影响金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容- -电压特性电压特性界面陷阱电荷（界面陷阱电荷（interfacetrappedcharge）硅（硅（100100）面约）面约硅（硅（111）面约面约氧化物固定电荷（氧化物固定电荷（fixedoxidecharge）位于界面约位于界面约3nm的范围内，电荷固定，正的。的范围内，电荷固定，正的。（100100）面约为）面约为 （111111）面约为）面约为硅硅MOSFETMOSFET一般采用（一般采用（100100）晶面）晶面,较低。较低。氧化物陷阱电荷（氧化物陷阱电荷（oxidetrappedcharge）可低温退火消除可低温退火消除.可动离子电荷（可动离子电荷（mobileioniccharge）诸诸如如钠钠离离子子和和其其它它碱碱金金属属离离子子，高高温温和和高高压压下下工工作作时时，能在氧化层内移动。能在氧化层内移动。金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容- -电压特性电压特性克服硅克服硅-二氧化硅界面电荷和二氧化硅中电荷影响二氧化硅界面电荷和二氧化硅中电荷影响平带电压平带电压 如果氧化层中正电荷连续分布，电荷体密度为如果氧化层中正电荷连续分布，电荷体密度为（6-586-58）（6-596-59）p界面陷阱和氧化物电荷的影响界面陷阱和氧化物电荷的影响金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容- -电压特性电压特性总平带电压总平带电压有效面电荷有效面电荷实际硅二氧化硅系统实际硅二氧化硅系统（6-646-64）(6-61)(6-61)(6-60)(6-60)p界面陷阱和氧化物电荷的影响界面陷阱和氧化物电荷的影响为方便，上述四种电荷为方便，上述四种电荷通称氧化层电荷，记通称氧化层电荷，记金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容- -电压特性电压特性p实际的实际的MOSMOS阈值电压和阈值电压和C-VC-V曲线（曲线（P210 P210 小结小结5 5) )平带电压平带电压阈值电压阈值电压 第第一一项项是是，为为消消除除半半导导体体和和金金属属的的功功函函数数差差的的影影响响，金金属属电电极极相相对对于于半半导导体体所所需要加的外加电压；需要加的外加电压；第第二二项项是是为为了了把把绝绝缘缘层层中中正正电电荷荷发发出出的的电电力力线线全全部部吸吸引引到到金金属属电电极极一一侧侧所所需需要要加的外加电压；加的外加电压；第三项是支撑出现强反型时的体电荷所需要的外加电压；第三项是支撑出现强反型时的体电荷所需要的外加电压；第四项是开始出现强反型层时，半导体表面所需的表面势。第四项是开始出现强反型层时，半导体表面所需的表面势。（6-656-65）（6-666-66）金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容- -电压特性电压特性 小结小结1. 1. 由由于于功功函函数数差差，MOSMOS系系统统在在没没有有外外加加偏偏压压的的时时候候，在在半半导导体体表表面面就就存存在在表表面面势势00。因因此此，欲欲使使能能带带平平直直，除除去去功功函函数差所带来影响，就必须在金属电极上加一负电压。数差所带来影响，就必须在金属电极上加一负电压。 这这个个电电压压一一部部分分用用来来拉拉平平二二氧氧化化硅硅能能带带，一一部部分分用用来来拉拉平平半导体的能带，使半导体的能带，使 0 0。因此称其为平带电压。因此称其为平带电压.2. 2. 在二氧化硅、二氧化硅硅界面系统存在电荷：在二氧化硅、二氧化硅硅界面系统存在电荷： 界面陷阱电荷界面陷阱电荷 氧化物固定电荷氧化物固定电荷 氧化物陷阱电荷氧化物陷阱电荷 可动离子电荷可动离子电荷综合看，可把它们看做位于二氧化硅硅界面正电荷。综合看，可把它们看做位于二氧化硅硅界面正电荷。金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容- -电压特性电压特性 小结小结3. 3. 克服二氧化硅内位于克服二氧化硅内位于x x处电荷片造成能带弯曲需平带电压处电荷片造成能带弯曲需平带电压4. 4. 如果氧化层中正电荷连续分布，电荷体密度为如果氧化层中正电荷连续分布，电荷体密度为 ，总，总平带电压平带电压5. 5. 实现平带条件所需的偏压叫做平带电压实现平带条件所需的偏压叫做平带电压 理想理想MOSMOS的的C-VC-V曲线沿着电压轴平移可得实际的曲线沿着电压轴平移可得实际的C-VC-V曲线。曲线。金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容- -电压特性电压特性 小结小结6. 6. 实际实际MOSMOS的阈值电压的阈值电压第一项是为消除半导体和金属的功函数差的影响，金属电第一项是为消除半导体和金属的功函数差的影响，金属电极相对于半导体所需要加的外加电压；极相对于半导体所需要加的外加电压；第二项是为了把绝缘层中正电荷发出的电力线全部吸引到第二项是为了把绝缘层中正电荷发出的电力线全部吸引到金属电极一侧所需要加的外加电压；金属电极一侧所需要加的外加电压；第三项是支撑出现强反型时的体电荷第三项是支撑出现强反型时的体电荷 所需外加电压；所需外加电压；第四项是出现强反型层时，半导体表面所需的表面势。第四项是出现强反型层时，半导体表面所需的表面势。金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容- -电压特性电压特性教学要求教学要求画出铝二氧化硅硅系统的能带图。画出铝二氧化硅硅系统的能带图。根据能带图说明根据能带图说明是否等于是否等于？ 了了解解在在二二氧氧化化硅硅、二二氧氧化化硅硅硅硅界界面面系系统统存存在在的的电电荷荷及及其其主要性质。主要性质。金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.4 6.4 实际实际MOSMOS的电容的电容- -电压特性电压特性 教学要求教学要求平带电压公式平带电压公式掌握实际阈值电压的公式及各项的意义掌握实际阈值电压的公式及各项的意义理想理想MOS CMOS CV V曲线曲线沿电压轴平移可得实际沿电压轴平移可得实际MOS CMOS CV V曲线？曲线？对对于于铝铝二二氧氧化化硅硅P P型型硅硅系系统统和和铝铝二二氧氧化化硅硅N N型型硅硅系系统分析式（统分析式（6-666-66）各项的符号。）各项的符号。v作业：作业：6.46.4、6.56.5、6.66.6、6.76.7、6.86.8。金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.5 6.5 MOSMOS场效效应晶体管晶体管第六章第六章 金属金属- -氧化物氧化物- -半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 p基本结构和工作过程基本结构和工作过程(小结小结1234)图图6-15 6-15 MOSFETMOSFET的工作状态和输出特性：（的工作状态和输出特性：（a a）低漏电压时低漏电压时 金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 p基本结构和工作过程基本结构和工作过程(小结小结1234)图图6-15 6-15 MOSFETMOSFET的工作状态和输出特性：（的工作状态和输出特性：（b b）开始饱和开始饱和 金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 p基本结构和工作过程基本结构和工作过程(小结小结1234)图图6-15 6-15 MOSFETMOSFET的工作状态和输出特性：（的工作状态和输出特性：（c c）饱和之后饱和之后 金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 p静态特性静态特性图图6-16 6-16 N N沟道沟道MOSMOS晶体管晶体管 金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 分析中主要假设分析中主要假设：（1 1）忽略源区和漏区体电阻和电极接触电阻；）忽略源区和漏区体电阻和电极接触电阻；（2 2）沟道内掺杂均匀；）沟道内掺杂均匀；（3 3）载流子在反型层内的迁移率为常数；）载流子在反型层内的迁移率为常数；（4 4）长长沟沟道道近近似似和和渐渐近近沟沟道道近近似似，即即假假设设垂垂直直电电场场和和水水平平电路是互相独立的。电路是互相独立的。p静态特性静态特性金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.5 6.5 MOSMOS场效效应晶体管晶体管 p线性区线性区 感应沟道电荷感应沟道电荷 漂移电子电流漂移电子电流 萨支唐（萨支唐（C.T.Sah）方程方程（6-686-68）（6-696-69）（6-706-70）（6-66-67 7）金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 p考虑到沟道电压的作用考虑到沟道电压的作用金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 p所有抛物线顶点右边的曲线没有物理意义所有抛物线顶点右边的曲线没有物理意义图图6-17 6-17 式（式（6-686-68）和式（）和式（6-706-70）的比较）的比较金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 p饱和区饱和区 假设在假设在L L点发生夹断点发生夹断 此此式式在在开开始始饱饱和和时时有有效效。超超过过这这一一点点，漏漏极极电电流流可可看看作作是常数。所有抛物线顶点右边的曲线没有物理意义。是常数。所有抛物线顶点右边的曲线没有物理意义。 （6-736-73）（6-746-74）金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 图图6-18 6-18 N N沟道沟道MOSFETMOSFET的电流的电流 电压特性电压特性 pN N沟道沟道MOSFETMOSFET的电流的电流 电压特性电压特性金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 例题：例题： 采用采用6.46.4节例题中节例题中MOSMOS结构结构MOSFETMOSFET。已知参数已知参数 计算计算 解：解：6.36.3节中节中 金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 小结小结1.1.当当MOSFETMOSFET栅极加上足够大的正电压栅极加上足够大的正电压 时，中间的时，中间的MOSMOS结构结构发生反型，在两个发生反型，在两个 区之间的区之间的P P型半导体表面形成一个反型半导体表面形成一个反型层。于是源和漏之间被能通过大电流的型层。于是源和漏之间被能通过大电流的N N型表面沟道连接型表面沟道连接在一起。改变栅电压可以调制这个沟道的电导（场效应）在一起。改变栅电压可以调制这个沟道的电导（场效应）, ,从而调制沟道电流。从而调制沟道电流。2.2.若加一小的漏电压，电子将通过沟道从源流到漏。沟道的若加一小的漏电压，电子将通过沟道从源流到漏。沟道的作用相当于一个电阻，漏电流作用相当于一个电阻，漏电流 和漏电压和漏电压 成正比。成正比。这是线性区。线性区这是线性区。线性区金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 小结小结3. 3. 当漏电压增加时，由于从源到漏存在电压，因此，导电当漏电压增加时，由于从源到漏存在电压，因此，导电沟道从沟道从 逐渐变窄，致使逐渐变窄，致使 处反型层宽度减小到处反型层宽度减小到零。这种现象叫做沟道夹断。沟道夹断发生的地点叫夹断零。这种现象叫做沟道夹断。沟道夹断发生的地点叫夹断点。点。 夹断以后，漏电流基本上保持不变，晶体管的这种夹断以后，漏电流基本上保持不变，晶体管的这种工作状态称为饱和工作状态。工作状态称为饱和工作状态。 饱和条件饱和条件4. 4. 夹断以后，随着漏电压增加导电沟道两端的电压保持不夹断以后，随着漏电压增加导电沟道两端的电压保持不变但沟道长度缩短，因此漏电流将增加从而呈现不饱和特变但沟道长度缩短，因此漏电流将增加从而呈现不饱和特性。这种现象叫做沟道长度调制效应。性。这种现象叫做沟道长度调制效应。金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 小结小结5.5. 萨支唐方程萨支唐方程 6. 6. 线性区电流线性区电流7. 7. 饱和区电流饱和区电流（6-706-70）（6-76-71 1）（6-76-72 2）金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.5 6.5 MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 教学要求教学要求画出结构示意图说明画出结构示意图说明MOSMOS场效应晶体管工作原理。场效应晶体管工作原理。导出萨支唐方程导出萨支唐方程（6-706-70） 导出漏电流修正为公式（导出漏电流修正为公式（6-726-72）说明夹断条件的物理意义说明夹断条件的物理意义 导出饱和区导出饱和区I IV V特性公式（特性公式（6-746-74） v作业：作业：6.96.9、6.106.10、6.116.11金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应第六章第六章 金属金属- -氧化物氧化物- -半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应 图图6-20 6-20 MOSMOS晶体管的小信号等效电路。晶体管的小信号等效电路。 pMOSFETMOSFET的等效电路的等效电路 金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应 p小信号参数小信号参数1.1.线性导纳线性导纳 线性区电阻线性区电阻(开态电阻或导通电阻开态电阻或导通电阻) （6-766-76）（6-756-75）（6-776-77）金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应 图图6-19 6-19 MOSFETMOSFET中沟道导纳与的对应关系中沟道导纳与的对应关系 p线性导纳线性导纳金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应 p2.2.跨导跨导 线性区：线性区： 饱和区：饱和区： 设设 为为常常数数成成立立，饱饱和和区区跨跨导导表表示示式式和和线线性性区区导导纳相同纳相同. .（6-796-79）（6-786-78）（6-806-80）金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应 3.3.饱和区的漏极电阻饱和区的漏极电阻 饱和区漏极电阻可以用作图法从漏极特性中求得。饱和区漏极电阻可以用作图法从漏极特性中求得。4.4.栅极电容栅极电容 （6-6-8181）金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应 p截止频率截止频率定义为输出电流和输入电流之比为定义为输出电流和输入电流之比为1 1时的频率，即当器件时的频率，即当器件输出短路时，器件不能够放大输入信号时的频率。输出短路时，器件不能够放大输入信号时的频率。线性区线性区饱和区饱和区 为了提高工作了提高工作频率或工作速度，率或工作速度，沟道沟道长度要短度要短，载流子流子迁迁移率要高移率要高。 （6-826-82）金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应 小结小结1.1.漏极导纳也叫做线性导纳漏极导纳也叫做线性导纳( (饱和区漏电流不随漏电压变化饱和区漏电流不随漏电压变化) )。根据公式（。根据公式（6-766-76）可由电流）可由电流- -电压曲线测出漏极导纳，电压曲线测出漏极导纳，根据公式（根据公式（6-776-77）可计算出漏极导纳。）可计算出漏极导纳。2.2.同样根据公式公式（同样根据公式公式（6-796-79）、（）、（6-806-80）和（）和（6-816-81）可以分）可以分别测出和计算出跨导并将实验测量结果和计算结果比较。别测出和计算出跨导并将实验测量结果和计算结果比较。3.3.栅极电容栅极电容 为绝缘层电容。输入电压信号加在栅极电容为绝缘层电容。输入电压信号加在栅极电容上，上，MOSFETMOSFET具有比具有比JFETJFET更高的输入阻抗。更高的输入阻抗。金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应 小结小结4. 4. 最高工作频率频率最高工作频率频率 线性区线性区 饱和区饱和区 为了提高工作频率或工作速度，沟道长度要短，载流为了提高工作频率或工作速度，沟道长度要短，载流子迁移率要高子迁移率要高。（6-86-83b3b）（6-86-83a3a）金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.6 6.6 等效电路和频率响应等效电路和频率响应 教学要求教学要求掌掌握握交交流流小小信信号号参参数数线线性性导导纳纳、导导通通电电阻阻、线线性性区区跨跨导导、饱饱和和区区跨跨导导、饱饱和和区区的的漏漏极极电电阻阻 栅栅极极电容电容画出交流等效电路图画出交流等效电路图6-206-20计算截止频率，提高工作频率或工作速度途径计算截止频率，提高工作频率或工作速度途径v作业：作业：6.116.11、6.126.12金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.7 6.7 亚阈值区亚阈值区第六章第六章 金属金属- -氧化物氧化物- -半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管金属氧化物半导体场效应晶体管课件1.1.当栅电压低于阈值电压，半导体表面仅仅只是弱当栅电压低于阈值电压，半导体表面仅仅只是弱反型时，相应的漏电流称为亚阈值电流。反型时，相应的漏电流称为亚阈值电流。2.2.在亚阈值区，在亚阈值区，对漏电流起决定作用的是载流子扩对漏电流起决定作用的是载流子扩散而不是漂移散而不是漂移。漏电流可以用推导均匀掺杂基区。漏电流可以用推导均匀掺杂基区的双极晶体管集电极电流的相同方法导出的双极晶体管集电极电流的相同方法导出（6-86-86 6）6.7 6.7 亚阈值区亚阈值区 小结小结金属氧化物半导体场效应晶体管课件3. 3. 用做数字逻辑电路开关及存储器使用时，亚阈用做数字逻辑电路开关及存储器使用时，亚阈值区特别重要。这是因为亚阈值区描述了开关如值区特别重要。这是因为亚阈值区描述了开关如何导通和截止。何导通和截止。4. 4. 必须将必须将MOSFETMOSFET偏置在比偏置在比 低低0.5V0.5V（实例）或更（实例）或更低电压值，以使亚阈值区电流减小到可忽略。低电压值，以使亚阈值区电流减小到可忽略。6.7 6.7 亚阈值区亚阈值区 小结小结金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.8 6.8 场效应晶体管的类型场效应晶体管的类型第六章第六章 金属金属- -氧化物氧化物- -半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.8 6.8 场效应晶体管的类型场效应晶体管的类型 p按照反型层类型不同，按照反型层类型不同，MOSFETMOSFET可分四种可分四种pN N沟沟MOSFETMOSFET：N N沟增强型沟增强型 N N沟耗尽型沟耗尽型若若在在零零栅栅压压下下沟沟道道电电导导很很小小，栅栅极极必必须须加加上上正正偏偏压压才才能形成导电沟道，这种器件就是增强型能形成导电沟道，这种器件就是增强型N N沟沟MOSFETMOSFET。 若若在在零零偏偏压压下下已已存存在在N N型型沟沟道道，为为了了减减小小沟沟道道电电导导，栅栅极极必必须须加加负负偏偏压压以以耗耗尽尽沟沟道道载载流流子子，这这样样的的器器件件是是耗耗尽尽型型N N沟沟MOSFETMOSFET。pP P沟沟MOSFETMOSFET：P P沟增强型沟增强型 P P沟耗尽型沟耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.8 6.8 场效应晶体管的类型场效应晶体管的类型 pN N沟沟MOSFETMOSFET： N N沟增强型沟增强型 N N沟耗尽型沟耗尽型 增增强强型型N N沟沟器器件件，要要使使沟沟道道通通过过一一定定的的电电流流，正正的的栅栅偏偏置电压必须比阈值电压大。置电压必须比阈值电压大。 耗耗尽尽型型N N沟沟器器件件，在在零零栅栅压压时时，沟沟道道已已可可流流过过很很大大的的电电流，改变栅压可以增加或减小沟道电流。流，改变栅压可以增加或减小沟道电流。pP P沟沟MOSFETMOSFET： P P沟增强型沟增强型 P P沟耗尽型沟耗尽型 把把电电压压的的极极性性改改变变，关关于于N N沟沟器器件件结结论论可可以以很很容容易易地地推推广到广到P P沟器件。沟器件。金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.8 6.8 场效应晶体管的类型场效应晶体管的类型 表表6.26.2四种器件的截面、输出特性和转移特性四种器件的截面、输出特性和转移特性金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.8 6.8 场效应晶体管的类型场效应晶体管的类型 表表6.26.2四种器件的截面、输出特性和转移特性四种器件的截面、输出特性和转移特性金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.8 6.8 场效应晶体管的类型场效应晶体管的类型 小结小结pMOSFETMOSFET四种类型四种类型: N: N沟增强、沟增强、N N沟耗尽、沟耗尽、P P沟增强沟增强 P P沟耗尽沟耗尽N N沟增强型沟增强型MOSFETMOSFET在零栅电压时不存在导电沟道，欲使器件导通需加正在零栅电压时不存在导电沟道，欲使器件导通需加正的栅偏压的栅偏压 使半导体表面反型。使半导体表面反型。N N沟耗尽型沟耗尽型MOSFETMOSFET在零栅偏压时就存在导电沟道，欲使器件截止需加负在零栅偏压时就存在导电沟道，欲使器件截止需加负的栅偏压的栅偏压 以耗尽沟道内的载流子。以耗尽沟道内的载流子。P P沟增强型沟增强型MOSFETMOSFET在零栅电压时不存在导电沟道，欲使器件导通需加负在零栅电压时不存在导电沟道，欲使器件导通需加负的的栅偏压的的栅偏压 使半导体表面反型。使半导体表面反型。N N沟耗尽型沟耗尽型MOSFETMOSFET在零栅偏压时就存在导电沟道，欲使器件截止需加负在零栅偏压时就存在导电沟道，欲使器件截止需加负的栅偏压的栅偏压 以耗尽沟道内的载流子（见转移特性图）以耗尽沟道内的载流子（见转移特性图）金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.9 6.9 影响阈值电压的其余因素影响阈值电压的其余因素第六章第六章 金属金属- -氧化物氧化物- -半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.9 6.9 影响阈值电压的其余因素影响阈值电压的其余因素 小结小结1. 1. 阈值电压与阈值电压与衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度和和氧化层厚度氧化层厚度有关，因有关，因此可以通过改变衬底掺杂浓度和氧化层厚度来控此可以通过改变衬底掺杂浓度和氧化层厚度来控制阈值电压。制阈值电压。2. 2. 衬底偏置也会影响阈值电压：衬底偏置也会影响阈值电压：3. 3. 只要考虑到只要考虑到 的改变，即使有衬底偏压的情况的改变，即使有衬底偏压的情况下，下，6.56.5和和6.66.6节中推导的方程仍然有效。节中推导的方程仍然有效。（6-6-9191）金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.10 6.10 器件尺寸比例器件尺寸比例第六章第六章 金属金属- -氧化物氧化物- -半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.10 6.10 器件尺寸比例器件尺寸比例 小结小结1. 1. 短沟道效应短沟道效应a. a. 当当 时，源和漏两个耗尽层连在一起，时，源和漏两个耗尽层连在一起，耗尽层穿通是对短沟道耗尽层穿通是对短沟道MOSFETMOSFET工作主要限制。工作主要限制。b. b. 速度饱和，引起迁移率的下降。速度饱和，引起迁移率的下降。c. c. 当速度出现饱和时，电流和跨导都显著地减小。当速度出现饱和时，电流和跨导都显著地减小。此外使阈值电压发生改变。此外使阈值电压发生改变。金属氧化物半导体场效应晶体管课件6.10 6.10 器件尺寸比例器件尺寸比例 小结小结2. 2. 减小短沟道效应而能保持原来长沟道特性是器件减小短沟道效应而能保持原来长沟道特性是器件小型化的目的。小型化的目的。a.a.简单地将器件所有尺寸和电压同时缩小一个比简单地将器件所有尺寸和电压同时缩小一个比例因子例因子 ，使内部电场和长沟道，使内部电场和长沟道MOSFETMOSFET的相同。的相同。带来的问题是电流密度也按比例因子倍增。带来的问题是电流密度也按比例因子倍增。b. b. 用最小沟道长度表达（用最小沟道长度表达（6-1026-102）式来缩小器件）式来缩小器件尺寸是更方便的方法尺寸是更方便的方法. .金属氧化物半导体场效应晶体管课件