半导体物理基础 金属-氧化物-半导体场效应管.ppt

Chap6 金属－氧化物－半导体场效应管 概述 MOSFET： Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，是超大规模集成电路的主流器件。 图6-1：MOSFET的透视图 栅极：铝、多晶硅（poly）等 绝缘层：sio2 图中尺寸的表示：沟道长度、氧化层厚度、器件宽度 概述 原极和衬底、漏极和衬底形成两个PN结。 工作原理：在栅极加上足够大的电压，在栅极下方的半导体表面上会形成反型层，从而将漏极和源极连接，形成导电沟道。 N沟道和P沟道 MOSFET只有一种载流子导电，是单极器件 概述 导电沟道的电导受控于栅极电压，所以漏极电流的大小不仅受漏电压的控制，还受到栅电压的控制，这是MOSFET晶体管的工作基本原理。 MOSFET是利用半导体的表面效应制成的器件 器件的工作原理与表面现象和性质密切相关。 6.1 理想MOS结构的表明空间电荷区 理想MOS结构和实际MOS结构 图6-2：MOS电容器的基本结构和能带图 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。 功函数：真空能级到费米能级的能量间隔，即阻止电子逃逸的势垒。 第二个条件表明金属和半导体表面的势能相等。 前两个条件表明：若没有外加电压，半导体的能带从表面到内部都是平的。 6.1 理想MOS结构的表明空间电荷区 （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。 6.1.1半导体表面空间电荷区 当在电容器两端加上电压后，就会在MOS电容器的两个极板——金属和半导体——上产生感应电荷。 电量相同，极性相反，分别为QM和QS。 由于金属中的自由载流子浓度远大于半导体，因此在半导体中形成一个相当厚的电荷层。 空间电荷区的电场从半导体表面到内部逐渐减弱。 6.1.1半导体表面空间电荷区 根据电磁场的边界条件，每个极板上的感应电荷与电场之间满足如下关系： 为自由空间的电容率， 为氧化物的相对介电常数， 为半导体表面的电场， 为半导体相对介电常数， 为氧化层中的电场。 6.1.1半导体表面空间电荷区 空间电荷区中电场的出现使半导体表面与体之间产生一个电位差。 半导体表面电势 ，被称为表面势。 图6-3，加上电压后MOS结构内的电位分布。 6.1.1半导体表面空间电荷区 为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 为跨越氧化层的电压 和表面势 所分摊： 6.1.1半导体表面空间电荷区 6.1.2 载流子的积累、耗尽和反型 空间电荷区的电势差改变了空间电荷区的能带图。 根据外加电压VG的极性和大小，在半导体表明有可能实现三种不同的载流子分布情况：载流子积累、载流子耗尽和载流子反型。 6.1.2 载流子的积累、耗尽和反型 1、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。 以P型半导体为例，金属电极加负电压，半导体表面电势为负，表面能带向上弯曲 6.1.2 载流子的积累、耗尽和反型 由热平衡载流子密度(1-7-28和1-7-29) 如图6-4（a）在半导体表面形成空穴积累。 6.1.2 载流子的积累、耗尽和反型 6.1.2 载流子的积累、耗尽和反型 2、载流子耗尽 金属电极加正电压，半导体表面电势为正，表面能带向下弯曲，造成表面多数载流子空穴的耗尽，少子电子的数目有所增加。 单位面积下的总电荷为： 式中 为耗尽层宽度。 6.1.2 载流子的积累、耗尽和反型 由泊松方程 可以得到如下的关系，类似于N＋P单边突变结 6.1.2 载流子的积累、耗尽和反型 6.1.2 载流子的积累、耗尽和反型 3、载流子反型 在耗尽基础上进一步增加偏压，使能带进一步向下弯曲，在半导体表面，出现少数载流子电子浓度高于本征载流子浓度，而多数载流子空穴的浓度低于本征载流子浓度的现象，即表面的半导体由P型变成了N型，称为反型层，这种现象称为载流子反型。 6.1.2 载流子的积累、耗尽和反型 如图6-4（c）所示。在xI的右边区域仍然为P型，半导体表面感应出PN结。 当撤销外加电压后，反型层消失，PN结也消失。 这种PN结称为物理PN结。 6.1.2 载流子的积累、耗尽和反型 6.1.3 反型和强反型条件 反型的特点：半导体表面少数载流子电子浓度高于本征载流子浓度即 因此反型条件为 即半导体表面电势等于半导体体内的费米势 6.1.3 反型和强反型条件 强反型的特点：半导体表