IntroductiontoMicroelectronicsThirdEdition《微電子概論》（第3版）郝躍賈新章史江一引言MOSFET：MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransisitor早在20世紀(jì)30年代就已提出MOS結(jié)構(gòu)的工作原理，比雙極晶體管的發(fā)明還早10幾年。但是受到制造技術(shù)的制約遲遲不能轉(zhuǎn)化為應(yīng)用。直到雙極晶體管廣泛應(yīng)用10年以后，隨著1960年使用二氧化硅作為柵絕緣層的MOS晶體管問(wèn)世以來(lái)，MOS晶體管及集成電路迅速得到了“飛躍”的發(fā)展。引言MOSFET：MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransisitor目前在數(shù)字集成電路，尤其是微處理機(jī)和存儲(chǔ)器方面，MOS集成電路幾乎占據(jù)了絕對(duì)的地位。2.6節(jié)以常用的n溝MOS增強(qiáng)型晶體管為例，詳細(xì)分析MOS晶體管的工作原理。最后在分析MOS晶體管非理想效應(yīng)的基礎(chǔ)上，介紹適用于5納米工藝節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)代MOSFET結(jié)構(gòu)。目錄1.nMOSFET結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2.6.1MOSFET導(dǎo)電溝道的形成2.MOSFET器件溝道調(diào)制與閾值電壓3.導(dǎo)電溝道的可動(dòng)電荷面密度1.nMOSFET結(jié)構(gòu)特點(diǎn)“MOS場(chǎng)效應(yīng)”名稱解讀在半導(dǎo)體表面覆蓋有一層很薄的柵二氧化硅層。柵氧化層上方覆蓋有一層金屬鋁，形成柵電極。這樣從上往下，構(gòu)成一種金屬(Metal)—氧化物(Oxide)—半導(dǎo)體(Semiconductor)結(jié)構(gòu)，故稱為“MOS”結(jié)構(gòu)。MOSFET就是在柵上加電壓，通過(guò)電場(chǎng)控制半導(dǎo)體表面感應(yīng)電荷的方式控制導(dǎo)電溝道。這也是“場(chǎng)效應(yīng)”名稱的來(lái)由。1.nMOSFET結(jié)構(gòu)特點(diǎn)MOSFET結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)①控制柵為MOS結(jié)構(gòu)②源、漏摻雜與類型與襯底相反，與溝道相同。③襯底作為一極，MOS器件相當(dāng)于四端器件。一般情況下，VBS=0，則成為三端器件。④導(dǎo)電溝道位于表面與JFET相比：2.MOSFET器件溝道調(diào)制與閾值電壓復(fù)習(xí)：常規(guī)金屬電容器存儲(chǔ)的電荷：Q=CV若C為單位面積極板對(duì)應(yīng)的電容，則Q為金屬極板上的面電荷密度。(1)柵壓對(duì)半導(dǎo)體表面溝道的調(diào)制作用（以增強(qiáng)型NMOS為例）對(duì)增強(qiáng)型NMOS結(jié)構(gòu)，襯底為P型半導(dǎo)體：①若VG＞0，垂直方向電場(chǎng)使P型半導(dǎo)體表面空穴被排斥表面空穴耗盡②VG↑，使P型半導(dǎo)體內(nèi)部電子被吸引至表面表面開(kāi)始反型，成為n型③VG↑↑，足夠多電子被吸引至P型半導(dǎo)體表面

P型半導(dǎo)體表面成為強(qiáng)反型，形成電子導(dǎo)電溝道。2.MOSFET器件溝道調(diào)制與閾值電壓(2)MOS電容結(jié)構(gòu)的閾值電壓(Thresholdvoltage)（以增強(qiáng)型NMOS為例）(a)表面強(qiáng)反型形成導(dǎo)電溝道的標(biāo)志表面反型層中電子濃度已達(dá)到與P型襯底多子濃度相等的程度(b)閾值電壓VT使表面開(kāi)始形成可動(dòng)電荷溝道的柵源電壓稱為閾值電壓2.MOSFET器件溝道調(diào)制與閾值電壓(2)MOS電容結(jié)構(gòu)的閾值電壓(Thresholdvoltage)（以增強(qiáng)型NMOS為例）(c)推論推論一：若柵源電壓VGS大于VT，則表面存在導(dǎo)電溝道；如果VGX大于VT，則X處表面存就如果VGX等于VT，則X處表面導(dǎo)電溝道剛好夾斷或者說(shuō)柵與夾斷點(diǎn)之間的電壓必然為VT。推論二：若襯底不是等電位，記溝道方向?yàn)閄方向3.導(dǎo)電溝道的可動(dòng)電荷面密度(1)基本關(guān)系式只有VGS大于VT，表面才產(chǎn)生存在導(dǎo)電溝道。根據(jù)電容器電荷密度關(guān)系，得：MOS結(jié)構(gòu)表面可動(dòng)面電荷密度為Qn=COX(VG-VT)

提示：按照電容公式，半導(dǎo)體層表面總的面電荷密度為COXVG，包括表面可動(dòng)面電荷密度以及耗盡層中的固定離化雜質(zhì)電荷。3.導(dǎo)電溝道的可動(dòng)電荷面密度Qn=COX(VG-VT)(2)討論若半導(dǎo)體表面溝道方向（X方向）電位不相等，則