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Microelectronics微電子概論與新進展半導體器件基礎篇目錄234PN結金半接觸雙極晶體管1章節(jié)介紹5金屬-氧化物-半導體晶體管v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景3章節(jié)解析一、章節(jié)介紹雙極晶體管金半接觸MOSFETPN結與金半接觸PN結定義與參數(shù)金半接觸理論肖特基二極管與PN結二極管基本結構工作原理非理想效應MOS電容能帶MOSFET分類非理想效應雙極晶體管MOSFET掌握知識：PN結和金-半接觸基本知識掌握知識：雙極晶體管基本結構、參數(shù)與特性掌握知識：金屬-氧化物-半導體基本結構、參數(shù)與特性PN結目錄目錄234PN結金半接觸雙極晶體管1章節(jié)介紹5金屬-氧化物-半導體晶體管v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景5PN結定義二、PN結PN結：由P型半導體和N型半導體直接接觸形成的界面結構空間電荷：在PN結形成后，交界處出現(xiàn)了電子和空穴濃度差。由于擴散作用，電子從N區(qū)流向P區(qū)，留下帶正電荷的施主離子，空穴從P區(qū)流向N區(qū)，留下帶負電荷的受主離子，稱為空間電荷空間電荷區(qū)：空間電荷存在的區(qū)域稱為空間電荷區(qū)，也叫耗盡層，空間電荷區(qū)會形成一個內(nèi)建電場在PN結形成后，電子從費米能級高的N區(qū)流向費米能級低的P區(qū)，因此N區(qū)費米能級不斷下移空穴從費米能級低的P區(qū)流向費米能級高的N區(qū)，因此P區(qū)費米能級不斷上移兩者在中間相接，PN結達到熱平衡狀態(tài)（漂移和擴散動態(tài)平衡）中性區(qū)空間電荷區(qū)中性區(qū)v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景6PN結參數(shù)計算二、PN結能帶的彎曲是由費米能級差引起的，因此N區(qū)/P區(qū)電子濃度的計算公式由上式可計算在平衡狀態(tài)下，考慮N區(qū)電子濃度為nn0=ND，P區(qū)濃度pp0=NA，有因此，最終內(nèi)建電勢差為PN結空間電荷區(qū)內(nèi)泊松方程可表示為其中，xn和xp為空間電荷區(qū)N區(qū)和P區(qū)邊界平衡狀態(tài)下，根據(jù)電荷守恒

且空間電荷區(qū)寬度W為

內(nèi)建電場分布電勢分布v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景7PN結參數(shù)計算二、PN結對空間電荷區(qū)泊松方程進行推導，可得平衡狀態(tài)下PN空間電荷區(qū)電場分布為最大電場強度為內(nèi)建電場分布電勢分布單邊突變結：PN結一側的摻雜濃度遠高于另一側，對于P+N單邊突變結，NA>>ND，對于PN+單邊突變結ND>>NA對于P+N結，最大電場

空間電荷區(qū)寬度為

接觸電勢差為對于PN+結，最大電場

空間電荷區(qū)寬度為

接觸電勢差為平衡狀態(tài)PN結接觸電勢差為空間電荷區(qū)寬度為v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景8PN結伏安特性二、PN結

理想PN結伏安特性需要滿足以下假設條件：小注入：注入的少子濃度比平衡狀態(tài)的多子濃度小得多耗盡層近似：空間電荷區(qū)載流子全部耗盡，只存在離化雜質(zhì)不考慮耗盡層中載流子產(chǎn)生與復合耗盡層邊界載流子濃度分布滿足玻爾茲曼分布伏安特性曲線對數(shù)坐標理想PN結伏安特性滿足Is為PN結飽和電流若外加電壓Va正偏，且qVa>>k0T時

此時電流隨電壓成指數(shù)增加若外加電壓Va反偏

此時反向電流近似為常數(shù)，不隨電壓變化，呈飽和狀態(tài)，這就是PN結的單向?qū)щ娦詖西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景9非平衡狀態(tài)下的PN結二、PN結對PN結外加正向電壓V后，內(nèi)建電場強度削弱，勢壘高度從平衡時qVeqd下降為q(Veqd-V)外加正向電壓增強了擴散運動，減弱了漂移運動，使得擴散電流大于漂移電流。擴散運動導致P/N區(qū)內(nèi)部多子向?qū)Ψ絽^(qū)域擴散，形成對方區(qū)域的非平衡少子，這種外加正向電壓使非平衡載流子進入半導體的過程稱為非平衡載流子的電注入對PN結外加反向電壓V后，內(nèi)建電場強度增強，勢壘高度從平衡時qVeqd下降為q(Veqd+V)外加反向電壓增強了漂移運動，減弱了擴散運動，使得漂移電流大于擴散電流。漂移運動導致P/N區(qū)內(nèi)部多子向己方區(qū)域擴散，這種情況就像少子不斷地被抽出來，所以也被稱為少子的抽取或吸出正偏PN結能帶變化圖反偏PN結能帶變化圖正偏電流分布v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景10非平衡狀態(tài)PN參數(shù)計算二、PN結平衡態(tài)時空間電荷區(qū)寬度為

非平衡態(tài)時對于P+N結，空間電荷區(qū)寬度為

對于PN+結，空間電荷區(qū)寬度為空間電荷區(qū)單位面積總電荷量為

所以代入上式后

對電壓微分，得到勢壘電容C若為單邊突變結，則空間電荷區(qū)電容

其中NB為單邊突變結輕摻雜一測濃度v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景11PN結的擊穿二、PN結PN結擊穿雪崩擊穿（電擊穿）隧道擊穿（電擊穿）熱擊穿PN結擊穿曲線整流效應：PN結正向偏置導通，反向偏置截止的特性稱為整流效應擊穿：持續(xù)增加反偏電壓，會導致PN反向電流密度會迅速變大擊穿電壓：PN結發(fā)生擊穿時的臨界反向電壓，記作VBR當反向電壓足夠高時，耗盡層內(nèi)的少子被強電場加速，獲得足夠動能撞擊晶格原子，產(chǎn)生新的電子-空穴對。這些新載流子又被加速并繼續(xù)碰撞，形成鏈式反應，導致反向電流雪崩式增長，也稱為載流子的倍增效應載流子的倍增效應載流子的隧道擊穿當PN結在反向電壓下產(chǎn)生的大量電子會從價帶穿過禁帶直接進入導帶，這種現(xiàn)象稱為PN結的隧道效應，由隧道效應引起的PN結擊穿稱為隧道擊穿，也稱齊納擊穿摻雜濃度適中時，主要為雪崩擊穿；摻雜濃度較高時，空間電荷區(qū)寬度較窄，反向電壓較小會發(fā)生隧道擊穿v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景12PN結應用二、PN結PN結應用二極管光電池傳感器整流二極管：利用PN結單向?qū)щ娦?，用于將交流電轉(zhuǎn)化為直流電的半導體器件穩(wěn)壓二極管：利用PN結反向擊穿時電壓穩(wěn)定不變特性的半導體器件，用于電路穩(wěn)壓變?nèi)荻O管：利用PN結電容大小隨外加電壓變化的特性制成的半導體器件，反向電壓增大時結電容減小，反之則結電容增大，用于調(diào)諧、調(diào)頻、調(diào)相發(fā)光二極管：將電能直接轉(zhuǎn)化為光能的半導體器件，也稱LED，用于照明、顯示光電二極管：將光能直接轉(zhuǎn)化為電能的半導體器件，用于光探測、光通訊二極管光電池太陽能電池：利用太陽光直接發(fā)電的光電半導體薄片，用于航天工業(yè)、日常等各類電源光伏效應：當光照射太陽能電池表面時，一部分光子被硅材料吸收，使電子發(fā)生了躍遷，成為自由電子，并在PN結兩側集聚，形成了光生電壓傳感器太陽能電池：利用PN結特性變化來檢測環(huán)境參數(shù)（如溫度、光強、磁場、壓力等）的半導體器件，用于各類信號檢測按照功能可以分為：溫度傳感器、光電傳感器、霍爾傳感器、壓阻傳感器等目錄目錄234PN結金半接觸雙極晶體管1章節(jié)介紹5金屬-氧化物-半導體晶體管v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景14金半接觸能帶圖三、金半接觸N型半導體功函數(shù)金屬功函數(shù)功函數(shù)：處于費米能級上的電子躍遷到真空能級上所需的能量金屬功函數(shù)

半導體功函數(shù)電子親和能：真空能級和導帶底能級的差值金-半接觸前N型阻擋層當金屬與N型半導體接觸時，若Wm>Ws，為達到費米能級平衡，需要半導體一側能帶向上彎曲（失去電子）半導體一側勢壘高度金屬一側勢壘高度v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景15金半接觸能帶圖三、金半接觸N型反阻擋層當金屬與N型半導體接觸時，若Wm<Ws，為達到費米能級平衡，需要半導體一側能帶向下彎曲（獲得電子）當金屬與P型半導體接觸時，若Wm<Ws，為達到費米能級平衡，需要半導體一側能帶向下彎曲（釋放空穴）P型阻擋層P型反阻擋層當金屬與P型半導體接觸時，若Wm>Ws，為達到費米能級平衡，需要半導體一側能帶向上彎曲（獲得空穴）條件金屬-N型半導體金屬-P型半導體Wm>WsN型阻擋層N型反阻擋層Wm<WsP型反阻擋層P型阻擋層v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景16肖特基勢壘三、金半接觸肖特基勢壘：金屬與半導體接觸時，半導體一側的能帶彎曲形成的載流子輸運勢壘金屬外加正偏電壓后，導致半導體流入金屬電子數(shù)量增多，能帶彎曲程度減小，金屬外加反偏電壓后，半導體流入金屬電子數(shù)降低，能帶彎曲程度增加正偏下肖特基勢壘反偏下肖特基勢壘從理論計算認為，同一種材料的肖特基勢壘和金屬功函數(shù)相關，但是實際情況金屬功函數(shù)對肖特基勢壘的影響不大，這是由于在實際的肖特基二極管中，在界面處晶格的斷裂會產(chǎn)生大量能量狀態(tài)，稱為界面態(tài)或表面態(tài)當界面態(tài)密度很大時，只要費米能級高于qΦ0，界面態(tài)會積累大量負電荷，當能帶彎曲到一定程度時，費米能級就會與界面態(tài)重合，這時表面費米能級就會被釘扎在某一與金屬無關的位置上平衡狀態(tài)高界面態(tài)v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景17金-半接觸整流理論三、金半接觸N型半導體空間電荷區(qū)金-半接觸伏安特性曲線厚阻擋層：對于N型阻擋層，當空間電荷區(qū)寬度比電子的平均自由程大很多時，電子在跨越空間電荷區(qū)時會發(fā)生多次碰撞，這樣的阻擋層稱為厚阻擋層厚阻擋層滿足擴散理論，電流密度類似二極管整流特性當V>0時，且qV>>k0T，有當V<0時，且|qV|>>k0T，有J=-JsD,JsD稱為反向飽和電流當N型阻擋層很薄時，電子的平均自由程遠大于勢壘高度，擴散理論不再適用，電流的大小主要取決于勢壘高度，電流包括從半導體內(nèi)部跨越勢壘流入金屬形成的電流和從金屬流入半導體的電流，稱為熱電子發(fā)射總電流密度為金半整流擴散理論熱電子發(fā)射理論v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景18肖特基二極管與PN結二極管三、金半接觸肖特基二極管PN結二極管工作頻率開關速度主要為多子輸運，速度快存在少子存儲，速度慢反向飽和電流正向?qū)妷憾嘧与娏鳛橹?，反向電流大正向?qū)妷焊∩僮与娏鳛橹鳎聪螂娏餍≌驅(qū)妷焊笮ぬ鼗佑|：當金屬與半導體接觸時，若界面處形成顯著的肖特基勢壘（SchottkyBarrier），導致載流子（電子或空穴）的輸運受勢壘高度限制，表現(xiàn)出非線性電流-電壓特性（整流效應），這種接觸稱為肖特基接觸歐姆接觸：金屬與半導體接觸時，界面處無顯著勢壘，載流子可自由通過，電流-電壓關系呈線性（低電阻），且接觸電阻遠小于半導體體電阻，這種接觸稱為歐姆接觸重摻雜的半導體，空間電荷區(qū)寬度窄，可以通過隧道效應形成很小的接觸電阻，因此當半導體重摻雜時，與金屬可以形成接近理想的歐姆接觸目錄目錄234PN結金半接觸雙極晶體管1章節(jié)介紹5金屬-氧化物-半導體晶體管v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景20基本結構四、雙極晶體管BJT結構示意圖和電路符號圖雙極晶體管：一種利用電子和空穴兩種載流子（雙極）參與導電的三端半導體器件，簡稱BJTBJT包括發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，發(fā)射區(qū)和基區(qū)構成的PN結稱為發(fā)射結，基區(qū)和集電區(qū)構成的結稱為集電結發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的摻雜濃度相同，和基區(qū)的摻雜濃度相反，主要分為NPN和PNP兩種類型在電路符號中，字母E代表發(fā)射極、字母B代表基極、字母C代表集電極，電流從B流向E稱為NPN型；電流從E流向B稱為PNP型理想情況，發(fā)射區(qū)濃度遠高于基區(qū)濃度，基區(qū)摻雜濃度均勻分布，電流限制在小注入狀態(tài)實際的BJT是一個N+PNN+結構，基區(qū)是N型外延層上經(jīng)過P型擴散層形成，發(fā)射區(qū)是在基區(qū)上二次擴散形成，集電極從襯底N+引出硅平面NPN型BJT結構圖v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景21BJT工作原理四、雙極晶體管VBEVBC0放大模式：發(fā)射結正偏集電結反偏飽和模式：發(fā)射結正偏集電結正偏截止模式：發(fā)射結反偏集電結反偏反向放大模式：發(fā)射結反偏集電結正偏共基極BJT在放大模式下工作電路圖BJT主要作為放大管使用，因此多工作在放大模式，即VBC<0、VBE>0VBE>0時，發(fā)射區(qū)電子注入基區(qū)；VBC<0時，注入到基區(qū)的電子會在電場作用下運動到集電區(qū)，這個時候需要把基區(qū)做的很薄，防止在電子在基區(qū)被復合NPN型BJT放大模式工作電流InE為從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子流InC為從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子到達集電區(qū)的電子流InE-InC為從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子通過基區(qū)被復合引起的復合流IpE為從基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的空穴流IRE為從發(fā)射結空間電荷區(qū)復合流ICO為從集電結反向電流v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景22BJT工作原理四、雙極晶體管發(fā)射極注入效率γ：從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子電流在發(fā)射極總電流中所占的比例，基區(qū)輸運因子βT：從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子能夠到達集電區(qū)所占的比例共基極直流電流增益α：到達集電區(qū)的電子流在整個發(fā)射極電流中所占的比例放大模式下，集電極電流可以表示為共基極BJT伏安特性當發(fā)射結正偏，集電結正偏（飽和模式），集電結正偏時向發(fā)射區(qū)注入的電子和空穴擴散電流方向與發(fā)射極擴散電流方向相反，有v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景23BJT工作原理與非理想效應四、雙極晶體管共發(fā)射極BJT連接示意圖共發(fā)射極BJT伏安特性BJT也可以通過共發(fā)射極連接，此時可求解集電極電流，即式中，hFE為共發(fā)射極直流電流增益，ICEO為基極開路時集電極與發(fā)射極之間電流，也稱為漏電流或穿透電流非理想效應發(fā)射區(qū)禁帶寬度減小基區(qū)緩變效應基區(qū)擴展電阻和電流擁擠效應基區(qū)寬度調(diào)制效應發(fā)射區(qū)禁帶寬度減?。喊l(fā)射極重摻雜較大達到簡并狀態(tài)，發(fā)射極禁帶寬度減小會影響B(tài)JT的共發(fā)射極電流增益基區(qū)緩變效應：實際工藝中基區(qū)摻雜濃度并不是均勻的，而是緩慢變化的?；鶇^(qū)不均勻摻雜會引入內(nèi)建電場，發(fā)射區(qū)注入的電子會在內(nèi)建電場作用下向集電極漂移基區(qū)擴展電阻和電流擁擠效應：由于基區(qū)摻雜較低，會存在體電阻，以及基區(qū)與發(fā)射區(qū)接觸的邊緣電阻，從而降低發(fā)射結凈電壓VBE，在邊緣處產(chǎn)生更高的電流基區(qū)寬度調(diào)制效應：BJT在放大模式下，I-V特性中電流斜率為0，實際上IC會隨著VCE增大而增大，這種效應稱為基區(qū)寬度調(diào)制效應，也叫厄利效應v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景24BJT的頻率響應四、雙極晶體管BJT小信號增益簡圖低頻下，直流電流增益和頻率無關，但是高頻下放大能力和頻率相關，稱為BJT的頻率響應。共基極交流小信號電流增益為

共射極電流增益為交流小信號電流增益用分貝dB表示，即共基極截止頻率wα：α大小下降為0.707α0時的頻率（下降3dB）共發(fā)射極截止頻率wβ：hfe下降為0.707hFE時的頻率（下降3dB）增益帶寬積（特征頻率）wT：共發(fā)射極小信號直流增益hfe的模量為1時的頻率由于

因此共發(fā)射極截止頻率遠低于共基極截止頻率又因為

，因此增益帶寬積接近wα目錄目錄234PN結金半接觸雙極晶體管1章節(jié)介紹5金屬-氧化物-半導體晶體管v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景26MOS管基本結構五、金屬-氧化物-半導體晶體管MOS管由金屬-氧化層（絕緣層）-半導體堆疊而成，在金屬和半導體上施加電壓降后，金屬-氧化物交界處和半導體-氧化物交界處會出現(xiàn)電荷堆積，此結構和電容器充電結構類似，因此也稱為MOS電容MOS電容狀態(tài)多子積累狀態(tài)少子反型狀態(tài)多子耗盡狀態(tài)對于P型半導體MOS，當金半電壓VG<0時，P型半導體中多子（空穴）會在電場作用下向界面聚集，此狀態(tài)稱為多子堆積表面勢：半導體表面與體內(nèi)的電勢差VS，在堆積時Vs<0，表面能帶向上彎曲MOS電容結構圖MOS多子堆積狀態(tài)多子堆積能帶圖v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景27MOS管狀態(tài)五、金屬-氧化物-半導體晶體管當金半電壓VG>0時，P型半導體中多子（空穴）會被推離界面，此狀態(tài)稱為多子耗盡在耗盡時Vs>0，表面能帶向下彎曲注意，表面能帶從向上彎曲到向下彎曲，有一個水平的過度態(tài)，此狀態(tài)稱為平帶狀態(tài)在多子耗盡狀態(tài)，繼續(xù)增大VG，不但導致更多的多子（空穴）被推離界面，還會吸引少量少子（電子）在界面處聚集，此狀態(tài)稱為少子反型從能帶角度而言，表面能帶進一步向下彎曲，最終表面費米能級EF高于禁帶中線EiMOS多子耗盡狀態(tài)多子耗盡能帶圖少子反型能帶圖v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景28MOS管相關參數(shù)五、金屬-氧化物-半導體晶體管多子耗盡能帶圖半導體-氧化物界面出現(xiàn)空間電荷區(qū)，寬度為費米勢：半導體內(nèi)部費米能級與本征費米能級之差在多子耗盡時，Vs<φfp，半導體表面仍為P型；但是在少子反型后，Vs>φfp，半導體表面呈現(xiàn)N型半導體特性閾值反型點：半導體表面從耗盡轉(zhuǎn)變?yōu)榉葱偷呐R界點，即Vs=2φfp閾值電壓：達到閾值反型點的柵壓VG，達到閾值反型點后，微小的電壓變化會產(chǎn)生大量的載流子，此時空間電荷區(qū)達到最大值少子反型能帶圖金屬半導體功函數(shù)差的定義式為

其中φm`為修正金屬功函數(shù)，χ`為修正電子親和能滿足半導體平帶狀態(tài)的電壓為平帶電壓

其中Qss`為柵氧化層等價陷阱電荷v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景29MOS管相關參數(shù)五、金屬-氧化物-半導體晶體管達到閾值反型點的PMOS和NMOS管能帶圖達到閾值反型點的PMOS電荷分布圖以PMOS為例，達到閾值反型點的空間電荷區(qū)寬度為xdT，此時金屬-半導體交接處正電荷為QmT`，單位面積柵氧化層等價電荷為Qss`，由電荷守恒定律柵壓計算公式為代入

有整理得到閾值電壓計算公式為由根據(jù)平帶電壓公式可以得到閾值電壓和平帶電壓關系v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景30MOSFET分類五、金屬-氧化物-半導體晶體管增強型NMOSFET器件結構和電路圖耗盡型NMOSFET器件結構和電路圖MOSFET是一種利用電場效應控制電流的半導體器件，由源極S、漏極D、柵極G和襯底B構成，其核心是MOS電容MOSFET按照導電條件和溝道極性可以分為N溝道增強型\P溝道增強型\N溝道耗盡型\P溝道耗盡型N溝道MOSFET：反型層導電溝道為N型P溝道MOSFET：反型層導電溝道為P型增強型：在零柵壓時無反型導電溝道形成，需要對其施加柵壓才能形成反型導電溝道耗盡型：在零柵壓時有反型導電溝道形成，需要對其施加柵壓才能關閉反型導電溝道增強型PMOSFET器件結構和電路圖耗盡型PMOSFET器件結構和電路圖v西工大微電子學院School

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Microelectronics一、技術背景31MOSFET工作原理五、金屬-氧化物-半導體晶體管導電溝道關閉和打開時的增強型NMOSFET結構示意圖對于P型襯底的增強型NMOSFET，當Vg<Vth時，漏極和襯底間的PN結反偏，因此漏電流為0當Vg>Vth時，金屬柵和P型襯底形成N型反型層，源漏導通，產(chǎn)生源漏電流轉(zhuǎn)移曲線：描述源漏電流ID和柵源電壓VGS的關系，用于確定閾值電壓Vth和跨導gm輸出曲線：描述源漏電流ID和源漏電壓VDS的關系

其中溝道電導gd為當VDS較小時，ID和VDS呈線性關系，進入線性區(qū)繼續(xù)增大VDS后，漏極附近氧化層壓降降低，導電溝道變