半导体器件物理MOSFET.ppt

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。 6.1 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） 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。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 （6-1） 式中 =自由空间的电容率 =氧化物的相对介电常数 =半导体表面的电场 =半导体相对介电常数 =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 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 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 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） ， （b）小的 ， （c）大的 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 式中 为耗尽层宽度。 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。 图6-4 几种偏压情况的能带和电荷分布： （a） ， （b）小的 ， （c）大的 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； 强反型条件； 式中 为出现强反型时的表面势。 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 ? 总表面空间电荷 为反型层中单位面积下的可动电荷即沟道电荷： 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） 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 使半导体表面具有表面势，出现表面空间电荷区。 空间电荷与电场具有以下关系 （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： 反型和强反型条件： 反型条件； 强反型条件； 6.1 理想MOS结构的表面空间电荷区 ?教学要求 了解理想结构基本