半导体器件物理_孟庆巨 ppt课件

发布于:2021-10-20 05:50:25

第五章 MOS场效应晶体 管 1 PPT课件 主要内容 一、MOSFET的基本结构 二、MOSFET的工作原理 三、MOSFET的直流特性曲线 四、MOSFET的种类 五、MOSFET的电容与频率特性 六、MOSFET的技术发展 2 PPT课件 场效应晶体管(Field Effect Transistor)是 一种电压控制器件,用输入电压控制输出电流 的半导体器件,仅由一种载流子参与导电。从 参与导电的载流子来划分,它有电子作为载流 子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。 3 PPT课件 从场效应晶体管的结构来划分,它有三大类。 1.结型场效应晶体管JFET (Junction type Field Effect Transistor) 2.金属半导体场效应晶体管MESFET ( Metal Semiconductor Field Effect Transistor) 3.金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ) 4 PPT课件 ?随着集成电路设计和制造技术的发展,目前大部 分超大规模集成电路都是MOS集成电路。在数字集 成电路,尤其是微处理机和存储器方面,MOS集成 电路几乎占据了绝对的位置。 ?此外,MOS在一些特种器件,如CCD(电荷耦合器 件)和敏感器件方面应用广泛。 5 PPT课件 促进MOS晶体管发展主要有以下四大技术: (a)半导体表面的稳定化技术 (b)各种栅绝缘膜的实用化 (c)自对准结构MOS工艺 (d) 阈值电压的控制技术 6 PPT课件 一、 MOSFET的基本结构 1、MOS场效应晶体管的结构 MOSFET基本上是一种左右对称的*私峁梗窃赑型半 导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层,然后用光刻工艺扩散两 个高掺杂的N型区,从N型区引出电极,一个是漏极D,一 个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝 作为栅极G。P型半导体称为衬底,用符号B表示。 7 PPT课件 MOS场效应晶体管是四端器件。 D(Drain)为漏极,相当c; G(Gate)为栅极,相当b; S(Source)为源极,相当e。 B(substrate),衬底极。 通常接地,有时为了控制电流或由 于电路结构的需要,在衬底和源之 间也加一个小偏压(VBS)。 若栅极材料用金属铝,则称“铝栅”器件; 若栅极材料用高掺杂的多晶硅,则称“硅栅”器件。目前 绝大部分芯片生产厂家是采用“硅栅”工艺。 8 PPT课件 对NMOS晶体管,源和漏是用浓度很高的N+杂质扩散 而成。在源、漏之间是受栅电压控制的沟道区,沟 道区长度为L,宽度为W。 对于NMOS,通常漏源之间加偏压后,将电位低 的一端成为源,电位高的一端称为漏,电流方 向由漏端流向源端。 9 PPT课件 2、MIS结构 (1) 表面空间电荷层和反型层 ? 表面空间电荷层和反型层实际上属于半导体表面 的感生电荷。 ? MIS结构上加电压后产生感生电荷的四种情况。 10 PPT课件 以P半导体的MIS结构为例。 ? 当栅上加负电压,所产生的感生电荷是被吸引到表面的多子 (空穴),在半导体表面形成积累层。 ? 当栅上加正电压,电场的作用使多数载流子被排斥而远离表 面,从而在表面形成由电离受主构成的空间电荷区,形成耗 尽层。此时,虽然有少子(电子)被吸引到表面,但数量很 少。这一阶段,电压的增加只是使更多的空穴被排斥走,负 空间电荷区加宽。 ? 随着正电压的加大,负电荷区逐渐加宽,同时被吸引到表面 的电子也随着增加。当电压达到某一“阈值”时,吸引到表 面的电子浓度迅速增大,在表面形成一个电子导电层,即反 型层。反型层出现后,再增加电极上的电压,主要是反型层 中的电子增加,由电离受主构成的耗尽层电荷基本不再增加。 11 PPT课件 (2) 形成反型层的条件 ?当VG较小时,表面处的能带 只是略微向下弯曲,使表面费 米能级EF更接*本征费米能级 Ei,空穴浓度减少,电子浓度 增加,但与电离受主的空间电 荷相比仍较少,可忽略。 12 PPT课件 ?VG继续增大,使表面费米能级 EF与本征费米能级Ei时,表面电 子浓度开始要超过空穴浓度, 表面将从P型转为N型,称为 “弱反型”。发生弱反型时, 电子浓度仍旧很低,并不起显 著的导电作用。 13 PPT课件 ?当表面势达到费米势的 两倍,表面电子的浓度正 好与体内多子空穴的浓度 相同,称为“强反型”。 此时,栅极电压VG称为阈 值电压VT。 14 PPT课件 ?VG继续增大,耗尽层电荷QB和表面势Vs=VF基本不 再变化,只有反型层载流子电荷随电压VG增加而增加。 对于表面反型层中的电子,一边是绝缘层,一边是 导带弯曲形成的一个陡坡(空间电荷区电场形成的 势垒),因此,反型层通常又称沟道。 P型半导体的表面反型层由电子构成,称为N沟道。 同理N型半导体的表面反型层由空穴构成,称为P沟道。 15 PPT课件 (3)发生强反型时, 能带向下弯曲2qVF,即表面势达到费米势的两倍: Vs ? 2VF 施加在栅电极上的电压VG为阈值电压VT: VT ? 2VF ? QB COX ? 2VF ? 1 COX 1 (4? 0? Si N AqVF ) 2 式中QB为强反型时表面区的耗尽层电荷密度,Cox为MIS结构 中一绝缘层为电介质的电容器上的单位面积的电容: COX ? ? 0? Si TOX 16 PPT课件 三、MOSFET的直流特性 1、阈值电压 ? *带电压VFB 在 实 际 的 MOS 结 构 中 , 栅 氧 化 层 中 往 往 存 在 电 荷 (Qfc),金属—半导体功函数差 Vms也不等于零 (金属和半导体的功函数的定义为真空中静止电 子的能量E0和费米能级之差),因此,当VG=0时 半导体表面能带已经发生弯曲。为

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