《MOSFET的工作原理介绍（上）.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《MOSFET的工作原理介绍（上）.docx（7页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、MOSFET的工作原理介绍（上）MOSFET全称：金属（metal ）-氧化物（oxide ）-半导体 （semiconductor ）场效应（field-effect transistor ）晶体管, MOS结构毫无疑问是当今微电子技术的核心结构。早在20世纪60年代，Kahng和Atalla首次报道了这种结构,即现在的平面结构器件MOSFET ,该结构具有热生长成的SiO2绝缘栅、外表反型沟道，以及衬底掺杂相反的源、漏区。下面将仔细介绍MOSFET的结构和电学特 性。MOS: Metal-Oxide-SemiconductorMOS capacitorMOS transistor功必Mod
2、ern Semiconductor Devices for Integrated Circuits (C. Hu)图1 MOS电容和MOS晶体管首先介绍下MOS电容,如下列图所示，MOS电容由硅衬底和金属栅级之间夹一层薄Si02组成，常用的栅极材料是铝（AI ）或重掺杂多 晶硅（poly ）,第二层金属沿着半导体反面，作为硅衬底的接地接触。金属/多晶硅二氧化硅单晶硅功惮图2 MOS电容结构示意图理想MOS结构具有以下特点：（1 ）金属栅足够厚，在交流和直 流偏置条件下可以看作一个等电势区；（2）氧化层是一个完美的绝缘 体，在所有偏置下都没有电流流过氧化层；（3）在氧化层或氧化层- 半导体界面没
3、有电荷中心；（4）半导体均匀掺杂；（5）半导体与器 件反面金属之间处于欧姆接触。下面介绍MOS电容外加偏置的分析，假设正常工作情况下，硅衬 底为N型，MOS电容反面接地，Vg定义为加到栅极上的直流偏置， 首先仅从电荷角度分析：当Vg0时，MOS电容栅上有正电荷，为了保持电荷平衡，半导 体-绝缘体界面会感应带负电的电子，从而导致半导体中的电子浓度由 体内向氧化层-半导体界面增加，这种在氧化层-半导体界面附近多数载 流子浓度大于半导体体内浓度的情况一般称为“累积。当Vg0时，意味着栅极加了负电荷，同理电子会被从氧化层-半 导体界面排斥开,留下带正电的施主杂质离子，电子被耗尽，这种氧 化层-绝缘层界
4、面处电子和空穴浓度均小于背景掺杂浓度（NA , ND ） 被称为耗尽。当Vg0时，意味者MOS电容栅极上加越来越大的负偏置，氧 化层-半导体界面外表不再耗尽，外表区域的性质将从N型变为P型， 少数载流子的浓度超过衬底多数载流子浓度，这种情况称为反型。以上只是定性分析n型掺杂MOS电容的累积，耗尽，反型 三种不同的偏置区，接下来从能带角度分析P型掺杂MOS电容的偏 置。金属的费米能级和单晶硅的费米能级是不同的，以P型半导体为例：真空能级金属费米能级半导体费米能级 价带二氧化硅图3 P型掺杂金属和半导体初始费米能级图由于金属和半导体两侧的功函数（费米能级到真空能级的距离）不 同，在热平衡时真空能级
5、会发生弯曲（出现自建电场），形成同一的 费米能级。金属的载流子密度远远大于半导体，金属侧的电荷密度也 就远远大于半导体，所以可以近似认为能带弯曲仅发生在半导体和二 氧化硅一侧：真空能级导带半导体费米能级 价带真空能级导带半导体费米能级 价带二氧化硅图4 P型掺杂金属和半导体热平衡费米能级图两侧真空能级的差异，被称为平带电压(VfbVfb ）,氧化层-半导体界面载 流子浓度下降，由于载流子浓度小于掺杂浓度，导致半导体外表出现 空间电荷区（也就是耗尽区）,这时候我们称半导体进入耗尽状态。假设半导体费米能级与本征费米能级之间的差值为Vs ,如果我们 施加的偏压VgsVs+Vfb ,费米能级就会超过本征费米能级，此时氧 化层-半导体界面的电子浓度以及超过了空穴浓度，多数载流子从空穴 变成电子，此时我们称半导体进入反型状态。真空育勰导带本征费米能级 半导体费米能级价带真空育勰导带本征费米能级 半导体费米能级价带图7 P型掺杂金属和半导体反型状态费米能级图以上从电荷和能级角度分别分析N型和P型掺杂MOS电容的直 流偏压特性，实质上N型和P型的原理是一样的，只不过是栅极所加 电压相反而已，这一节是为后面介绍MOSFET原理做铺垫，后面接续 更新，欢迎大家学习转发！