MOS晶體管的物理基礎(chǔ)概述和理論

MOS晶體管的物理基礎(chǔ)

上面簡(jiǎn)要地介紹了MOS晶體管的物理結(jié)構(gòu)，類型及工作原理。為了深入了解MOS晶體管的特性，有必要對(duì)組成MOS晶體管的MOS系統(tǒng)的物理性質(zhì)作進(jìn)一步的分析討論。比如，半導(dǎo)體Si和氧化物交界處的Si表面，是如何隨著外加電場(chǎng)變化的，MOS晶體管的閥值電壓VT 與哪些因素有關(guān)等，這是本節(jié)討論的主要內(nèi)容。

一、理想MOS系統(tǒng)在外場(chǎng)作用下的硅表面

大家知道，實(shí)際MOS系統(tǒng)的情況是很復(fù)雜的。如金屬與半導(dǎo)體之間存在著功函數(shù)差，會(huì)引起電子交換；在Si-SiO2界面，存在著表面態(tài)；在氧化層內(nèi)，由于離子沾污（主要是的鈉離子），存在著可動(dòng)正電荷；在Si-SiOn2界面處由于SiO2，中缺氧帶來的固定正電荷，或在SiO2中存在著電離陷阱等等。這些復(fù)雜的因素，都全影響的表面性質(zhì)，從而影響器件的性能。

為了討論方便起見，我們先撤開上述合種復(fù)雜因素，假定存在著一個(gè)理想的系統(tǒng)，認(rèn)為我化層中不存在正電荷對(duì)表面的影響，也不存在半導(dǎo)體與金屬之間的功函數(shù)差，金屬與半導(dǎo)體之間不存在交換電子的因素。

下面以P型Si為村底的MOS系統(tǒng)為例，來說明理想MOS電場(chǎng)影響的。這里規(guī)定電場(chǎng)的方向從出表面指間體內(nèi)為正方向。鑒于用能帶圖來說明Si表面的現(xiàn)在狀態(tài)比較方便，所以我們通過表面能帶在外場(chǎng)作用下的變化來闡明出表面的空間電荷區(qū)隨電場(chǎng)變化的情況。

1、Е=0（平帶）

外電場(chǎng)為零時(shí)，Si表面沒有電場(chǎng)的作用，Si表而載流子濃度與體內(nèi)一樣，Si本身呈電中性，電子能量從體內(nèi)到表面都一樣，所以能帶是平的，不存在表面空間電荷區(qū)。如圖1-9（a）所示。

2、E<0（積累）

若在金屬棚極相對(duì)于硅村底加一負(fù)電壓VG，開始瞬間，電場(chǎng)終止在歐姆結(jié)。接著，Si內(nèi)部的可動(dòng)空穴將受到電場(chǎng)力的作用而聚集到Si表面，形成積累層，從而解凝外場(chǎng)進(jìn)入體內(nèi)。當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，外加電壓V。一部分降替在SiO2，層內(nèi)（用VG表示），另一部分降落在出表面的空間積累層內(nèi)（用VDG表示），即：

(1-1)

由于積累在硅表面的室穴是多子，因此空穴表面濃度很高，但這個(gè)積累層是非常薄的。在表積累層中，由于φ，因此Si出表面處電子的能量要升高【-qφ_s（χ）】，所以能帶向上彎曲。如圖1-9（b）所示。這里的φ_s（φ）是空六積累區(qū)的變量，在Si-SiO2交界面χ-0處，φ_s（χ）的數(shù)值最大，其值為φs₂稱為表面勢(shì)。

表面積累了空穴，為了保持MOS系統(tǒng)的電中性條件，要在金屬柵上感應(yīng)出與積累層中電荷量相等的負(fù)電荷Qmo，顯然，在表面空間電荷區(qū)處于積累的情況下，MOS晶體管是不能導(dǎo)通的。

3、E>0（耗盡）

若VG略大于零，這時(shí)電場(chǎng)方向由Si表面指向體內(nèi)。Si中的空穴在電場(chǎng)力的作用下，逆電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，最后在Si表面處留了一層離化的受主離子。由于這層是圖高化了的受主高于構(gòu)成的，所以其電荷密度也基本上等于體參雜的受主濃度N。我們需這種情況為耗盡，其空間電荷區(qū)稱為耗盡層，與PN結(jié)中的耗盡層相類似。由于這里的表面勢(shì)φ_s>0，因此，Si表面處的能量要降低[-qφ_s（χ）]。如圖1-9（c）所示。表面能帶向下彎曲，說明表面處的｜Er-Ei｜減小，空穴濃度減小。

4、E>0（反型）

若VG進(jìn)一步增加，即電場(chǎng)進(jìn)一步加強(qiáng)，Si表面的空穴進(jìn)一步減少，耗盡層的范圍擴(kuò)大，與此同時(shí)，P型Si中的少子一電子受到電場(chǎng)力的作用，向Si表面運(yùn)動(dòng)并在表面積聚。表面能帶向下彎曲更甚，費(fèi)米能級(jí)E_F與本征費(fèi)米能級(jí)品E4發(fā)生相交，在表面處EF-E4由負(fù)變正，即表面出現(xiàn)了與體內(nèi)導(dǎo)電類型相反的情況，這時(shí)稱表面為反型。但這時(shí)反型層中的載流子仍然太少，空間電荷區(qū)幾乎由濃度為NA的不可動(dòng)的受主離子組成，漏源之間仍處于高阻狀態(tài)，所以MOS晶體管仍不能導(dǎo)通。

5、E 》0（強(qiáng)反型）

若電場(chǎng)在上述基礎(chǔ)上進(jìn)一步增強(qiáng)，能帶向下彎曲的程度更大，甚至出現(xiàn)了在表面χ=0處的EF-E4，不僅轉(zhuǎn)為正值，而且在數(shù)值上與體內(nèi)相等。如圖1-9（d）所示。這時(shí)表面勢(shì)：

其中φ_F為費(fèi)米勢(shì)，其定義為：

（1-3）

（1-2）式表明，當(dāng)表面勢(shì)達(dá)到兩倍費(fèi)米勢(shì)時(shí)，P型硅表面層中的電子濃度已等于體內(nèi)的空穴濃度，即表面出現(xiàn)了強(qiáng)反型。這就是強(qiáng)反型條件。這時(shí)反型層中的電子已有足夠的數(shù)量，滿足源漏導(dǎo)通的條件。

φ_{F的數(shù)值可以從公式：}

_{計(jì)算出來，也可以通過查圖表求得。}

_{可見，MOS晶體管的物理要達(dá)到導(dǎo)通，就必須滿足強(qiáng)反型條件。以摻雜濃度為NA}=10¹³個(gè)/cm的襯底為例，可查得φ_F=0.29V，即在φs=0.58V時(shí)，表面開始強(qiáng)反型。

如果在半導(dǎo)體材料采用 N型硅，那么與上面的討論方法一樣，可以得出在E>0時(shí)出現(xiàn)電子積累，而在E<0時(shí)，將可能出現(xiàn)電離的施主耗盡層，或進(jìn)一步出現(xiàn)反型及強(qiáng)反型的空穴層。

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