【2017年整理】MOS的物理机制.doc

MOS的表面能带弯曲 说明: qψS ( 表面势能 ) = ( 半导体内的Ei ) – ( 表面处的Ei ); VGS 可使表面势ψs 变化 ( 基本是线性变化关系 ) ; Qn(y) 是沟道中的少数载流子面电荷密度. 半导体的Fermi势ψB 和 表面状态: 在半导体表面处的载流子浓度决定于表面能带的弯曲程度: nP0 = ni exp[(EF-Ei)/kT] ni ; pP0 = ni exp[(Ei-EF)/kT] ni . 在半导体内的Fermi势能(qψB = Ei-EF ) 可用半导体内的参量来表示: ∵半导体内的平衡多子浓度pP0 = ni exp[(Ei-EF)/kT] = ni exp(qψB /kT) ≈ NA , ∴ ψB =( Ei-EF )/q = (kT/q) ln(NA / ni ). 可见: 在ψs = ψB 时, 表面处的多子浓度将小于体内的多子浓度, 而少子浓度将多于 体内的少子浓度，即表面呈现为弱反型的表面; 在ψs = 2ψB 时, 表面处的多子浓度将远小于体内的多子浓度,而少子浓度将远 多于体内的少子浓度，为强反型表面. 理想MOSFET的阈值电压: 说明: ①MOSFET是“理想”: 在MOS系统中不含有任何电荷状态 (除栅电压在半导体表面产生的空间电荷以外, 不考虑表面态电荷和M-S功函数差). →在栅电压VGS = 0 时, 半导体表面的能带不发生弯曲 (平带状态) . ②在讨论VT时忽略了反型层中的电荷: 因为刚达到强反型时, 正好沟道中的电子浓度 = p-衬底内的空穴浓度; 而且反型层 仅限于表面极薄的一层,Qn, 比耗尽层中的电荷QB少得多(在刚强反型时, 耗尽层宽度最大). 所以可忽略反型层中的电荷Qn . MOS的非饱和特性 说明: 沟道的长度(y方向)为L ; 沟道的宽度(z方向)为Z ; 沟道的厚度(x方向)为X(y) ; 沟道的截面积为 A ; 沟道的电子浓度为 n . 理想MOSFET的输出伏安特性计算 ~ 沟道电流ID是沟道中的面电荷密度Qn(y)漂移运动的结果: ID = Z X q n μn E(y) = Qn(y) Z μn E(y) , 代入Qn(y)与电压的关系, 并把E(y)用电压来表示为dV(y)/dy, 即有 ID = Z μn Ci [VGS - VT - V(y)] dV(y)/dy , 积分之 ∫ ID dy = Z μn Ci ∫[VGS - VT - V(y)] dV(y) , [ 积分限: y= 0~L , V= 0~VDS ] 则得到 ID = ( Z μn Ci / L ) {(VGS - 2ψB - VD/2) VDS － (2γ/ 3)×[ (VDS + 2ψB)3/2 - (2ψB)3/2 ] }, ID ≈( m Z μn Ci / L ) { (VGS - VT ) VDS - VDS2 } = m β{ (VGS - VT ) VDS - VDS2 } (Sah方程) , 其中 γ≡ ( 2εε0 q NA )1/2 /Ci 称为衬偏系数; 对较小的NA , m = 1/2 . β = Z μn Ci / L . ①当VDS 较小时, 有线性特性: ID = ( Z μn Ci / L ) {VGS - 2ψB - [2εε0 q NA(2ψB)]1/2 / Ci } VDS = β (VGS - VT ) VDS ∝ VDS , 当 VGS = 2ψB - [2εε0 q NA (2ψB)]1/2 / Ci ≡ VT 时, ID = 0, 即沟道夹断, 这时 的栅电压就是阈值电压 (夹断电压) . 线性区的跨导为 gm = ( Z μn Ci / L ) VDS .