第六章金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管6.1抱負MOS構(gòu)造的外表空間電荷區(qū)6.1抱負MOS構(gòu)造的外表空間電荷區(qū)抱負MOS構(gòu)造基于以下假設(shè)：〔1〕在氧化物中或在氧化物和半導(dǎo)體之間的界面上不存在電荷?！?〕金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差為零，如繪于圖6-2b中的情形。〔由于假設(shè)〔1〕、〔2〕，在無偏壓時半導(dǎo)體能帶是平直的?！场?〕層是良好的絕緣體，能阻擋直流電流流過。因此，即使有外加電壓，外表空間電荷區(qū)也處于熱平衡狀態(tài)，這使得整個外表空間電荷區(qū)中費米能級為常數(shù)。這些假設(shè)在以后將被取消而接近實際的MOS構(gòu)造。6.1抱負MOS構(gòu)造的外表空間電荷區(qū)半導(dǎo)體外表空間電荷區(qū)：每個極板上的感應(yīng)電荷與電場之間滿足如下關(guān)系〔6-1〕式中=自由空間的電容率 =氧化物的相對介電常數(shù) =半導(dǎo)體外表的電場 =半導(dǎo)體相對介電常數(shù) =空間電荷區(qū)在半導(dǎo)體內(nèi)部的邊界亦即空間電荷區(qū)寬度。外加電壓為跨越氧化層的電壓和外表勢所分攤：

〔6-2〕6.1抱負MOS構(gòu)造的外表空間電荷區(qū)圖6-3加上電壓時MOS構(gòu)造內(nèi)的電位分布6.1抱負MOS構(gòu)造的外表空間電荷區(qū)依據(jù)所加?xùn)艠O的極性和大小，可能消失三種不同外表狀況：載流子積存、耗盡和反型

載流子積存：緊靠硅外表的多數(shù)載流子濃度大于體內(nèi)熱平衡多數(shù)載流子濃度時，稱為載流子積存現(xiàn)象。單位面積下的空間電荷6.1抱負MOS構(gòu)造的外表空間電荷區(qū)圖6-4幾種偏壓狀況的能帶和電荷分布6.1抱負MOS構(gòu)造的外表空間電荷區(qū)載流子耗盡單位面積下的總電荷為

式中為耗盡層寬度。

〔6-6〕〔6-7〕〔6-5〕6.1抱負MOS構(gòu)造的外表空間電荷區(qū)6.1.3反型和強反型條件載流子反型：載流子類型發(fā)生變化的現(xiàn)象或者說半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型發(fā)生變化的現(xiàn)象。導(dǎo)出MOSFET反型和強反型條件反型條件:

強反型條件:式中為消失強反型時的外表勢?！?-17〕〔6-18〕6.2抱負MOS電容器6.2抱負MOS電容器系統(tǒng)單位面積的微分電容微分電容C與外加偏壓的關(guān)系稱為MOS系統(tǒng)的電容—電壓特性。

假設(shè)令〔6-22〕〔6-23〕〔6-24〕〔6-25〕6.2抱負MOS電容器則

=絕緣層單位面積上的電容，=半導(dǎo)體外表空間電荷區(qū)單位面積電容。

稱為系統(tǒng)的歸一化電容?！?-26〕〔6-28〕〔6-29〕6.2抱負MOS電容器將電容隨偏壓的變化分成幾個區(qū)域，變化大致狀況如圖6-7所示。

圖6-7P型半導(dǎo)體MOS的C-V特性解釋消失反型層以后的電容C與測量頻率有關(guān)的現(xiàn)象。答：所謂電容與測量頻率有關(guān)，就是與交變信號電壓的頻率有關(guān)。在消失反型層以后，特殊是在接近強反型時，外表電荷由兩局部所組成：一局部是反型層中的電子電荷，它是由少子的增加引起的。另一局部是耗盡層中的電離受主電荷，它是由于多子空穴的喪失引起的。〔6-21〕外表電容為考慮是怎樣積存起來的。例如，當(dāng)MOS上的電壓增加時，反型層中的電子數(shù)目要增多。P型襯底中的電子是少子，由襯底流到外表的電子特別少，因此，反型層中電子數(shù)目的增多，主要依靠耗盡層中電子—空穴對的產(chǎn)生。在反型層中實現(xiàn)電子的積存是需要一個過程的。這個過程的弛豫時間由非平衡載流子的壽命所打算，一般比較長。同樣，當(dāng)MOS上的電壓減小時，反型層中的電子要削減。電子數(shù)目的削減主要依靠電子和空穴在耗盡層中的復(fù)合來實現(xiàn)。假設(shè)測量電容的信號頻率比較高，耗盡層中電子—空穴對的產(chǎn)生和復(fù)合過程跟不上信號的變化，那么，反型層中的電子電荷也就來不及轉(zhuǎn)變。于是，〔6-47〕這樣在高頻狀況下，隨著直流偏壓的增加，增大，電容C減小。當(dāng)外表形成了強反型層時，強反型層中的電子電荷隨直流偏壓的增加而e指數(shù)地增加，對直流偏置電場起屏蔽作用。于是，耗盡層寬度不再轉(zhuǎn)變，到達極大值。這時，MOS系統(tǒng)的電容C要到達微小值。在接近強反型區(qū)，假設(shè)測量電容的信號頻率比較低，耗盡層中電子—空穴對的產(chǎn)生與復(fù)合過程能夠跟得上信號的變化，這時，反型層中的電子電荷的變化，屏蔽了信號電場，對外表電容的奉獻是主要的，而耗盡層的寬度和電荷根本上不變，因此在這種狀況下，外表電容由反型層中電子電荷的變化所打算

在形成強反型以后，隨變化很快，的數(shù)值很大。于是，MOS系統(tǒng)的電容C趨近，即隨著的增加，C經(jīng)過一個微小值，而后快速增大，最終趨近于。以上說明白MOS系統(tǒng)的C-V關(guān)系隨測量頻率變化的緣由?！?-50〕6.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓6.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓

一溝道電導(dǎo)式中為溝道中的電子濃度。為溝道寬度。

即為反型層中單位面積下的總的電子電荷溝道電導(dǎo)為

〔6-51〕〔6-52〕〔6-53〕6.3溝道電導(dǎo)與閾值電壓二閾值電壓：定義為形成強反型所需要的最小柵電壓。當(dāng)消失強反型時

溝道電荷受到偏壓掌握，這正是MOSFET工作的根底。閾值電壓：

第一項表示在形成強反型時，要用一局部電壓去支撐空間電荷；其次項表示要用一局部電壓為半導(dǎo)體外表供給到達強反型時所需要的外表勢。〔6-51〕〔6-54〕〔6-55〕6.4實際MOS的電容－電壓特性6.4實際MOS的電容—電壓特性

實際的MOS閾值電壓和C-V曲線平帶電壓閾值電壓

第一項為哪一項，為消退半導(dǎo)體和金屬的功函數(shù)差的影響，金屬電極相對于半導(dǎo)體所需要加的外加電壓；其次項是為了把絕緣層中正電荷發(fā)出的電力線全部吸引到金屬電極一側(cè)所需要加的外加電壓；第三項是支撐消失強反型時的體電荷所需要的外加電壓；第四項是開頭消失強反型層時，半導(dǎo)體外表所需的外表勢。〔6-65〕〔6-66〕6.5MOS場效應(yīng)晶體管6.5MOS場效應(yīng)晶體管

根本構(gòu)造和工作過程溝道長度為L，溝道寬度為Z圖6-15MOSFET的工作狀態(tài)和輸出特性：〔a〕低漏電壓時6.5MOS場效應(yīng)晶體管

根本構(gòu)造和工作過程圖6-15MOSFET的工作狀態(tài)和輸出特性：〔b〕開頭飽和6.5MOS場效應(yīng)晶體管

根本構(gòu)造和工作過程圖6-15MOSFET的工作狀態(tài)和輸出特性：〔c〕飽和之后6.5MOS場效應(yīng)晶體管

靜態(tài)特性線性區(qū)在下面的分析中，承受如下主要假設(shè)：〔1〕無視源區(qū)和漏區(qū)體電阻和電極接觸電阻；〔2〕溝道內(nèi)摻雜均勻；〔3〕載流子在反型層內(nèi)的遷移率為常數(shù)；〔4〕長溝道近似和漸近溝道近似，即假設(shè)垂直電場和水平電場是相互獨立的。圖6-16N溝道MOS晶體管6.5MOS場效應(yīng)晶體管線性區(qū)y處建立起電位V(y)，因而感應(yīng)溝道電荷修正為〔6-67〕漂移電子電流

兩邊積分得〔6-70〕式稱為薩支唐〔C.T.Sah〕方程?！?-68〕〔6-69〕〔6-70〕6.5MOS場效應(yīng)晶體管

飽和區(qū)假設(shè)在L點發(fā)生夾斷，則把式〔6-73〕代入式〔6-70〕得

此式在開頭飽和時是有效的。超過這一點，漏極電流可看作是常數(shù)。全部拋物線頂點右邊的曲線沒有物理意義?！?-73〕〔6-74〕6.5MOS場效應(yīng)晶體管

截止區(qū)：假設(shè)柵電壓小于閾值電壓，不會形成反型層。結(jié)果是，MOSFET象是背對背連接的兩個P-N結(jié)一樣，相互阻擋任何一方的電流流過。晶體管在這一工作區(qū)域與開路相像。6.6等效電路和頻率響應(yīng)6.6等效電路和頻率響應(yīng)

MOSFET等效電路中所涉及的小信號參數(shù)如下：1.線性導(dǎo)納對式〔6-70〕求導(dǎo)數(shù)

線性區(qū)的電阻，稱為開態(tài)電阻，或?qū)娮?，可用下式表?/p>

〔6-76〕〔6-75〕〔6-77〕6.6等效電路和頻率響應(yīng)

跨導(dǎo)

線性區(qū)：對式〔6-70〕求導(dǎo)飽和區(qū)：對式〔6-74〕求導(dǎo)

在假設(shè)為常數(shù)時，飽和區(qū)跨導(dǎo)的表示式和線性區(qū)導(dǎo)納的一樣提高gm的具體措施有：〔1〕增大載流子遷移率，選用體內(nèi)遷移率高的材料；〔2〕減小柵氧化層厚度，制作高質(zhì)量的盡可能薄的柵氧化層；〔3〕增大器件的寬長比；〔4〕減小器件的串聯(lián)電阻。〔6-79〕〔6-78〕〔6-80〕6.8場效應(yīng)晶體管的類型6.8場效應(yīng)晶體管的類型依據(jù)反型層類型的不同，MOSFET可分四種不同的根本類型N溝MOSFET：假設(shè)在零柵壓下溝道電導(dǎo)很小，柵極必需加上正向電壓才能形成N溝道，那么，這種器件就