MOS晶體管的物理基礎概述和理論

MOS晶體管的物理基礎

上面簡要地介紹了MOS晶體管的物理結構，類型及工作原理。為了深入了解MOS晶體管的特性，有必要對組成MOS晶體管的MOS系統的物理性質作進一步的分析討論。比如，半導體Si和氧化物交界處的Si表面，是如何隨著外加電場變化的，MOS晶體管的閥值電壓VT 與哪些因素有關等，這是本節討論的主要內容。

一、理想MOS系統在外場作用下的硅表面

大家知道，實際MOS系統的情況是很復雜的。如金屬與半導體之間存在著功函數差，會引起電子交換；在Si-SiO2界面，存在著表面態；在氧化層內，由于離子沾污（主要是的鈉離子），存在著可動正電荷；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。這些復雜的因素，都全影響的表面性質，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雜因素，假定存在著一個理想的系統，認為我化層中不存在正電荷對表面的影響，也不存在半導體與金屬之間的功函數差，金屬與半導體之間不存在交換電子的因素。

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

1、Е=0（平帶）

外電場為零時，Si表面沒有電場的作用，Si表而載流子濃度與體內一樣，Si本身呈電中性，電子能量從體內到表面都一樣，所以能帶是平的，不存在表面空間電荷區。如圖1-9（a）所示。

2、E<0（積累）

若在金屬棚極相對于硅村底加一負電壓VG，開始瞬間，電場終止在歐姆結。接著，Si內部的可動空穴將受到電場力的作用而聚集到Si表面，形成積累層，從而解凝外場進入體內。當達到熱平衡時，外加電壓V。一部分降替在SiO2，層內（用VG表示），另一部分降落在出表面的空間積累層內（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）是空六積累區的變量，在Si-SiO2交界面χ-0處，φ_s（χ）的數值最大，其值為φs₂稱為表面勢。

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

3、E>0（耗盡）

若VG略大于零，這時電場方向由Si表面指向體內。Si中的空穴在電場力的作用下，逆電場方向運動，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，其空間電荷區稱為耗盡層，與PN結中的耗盡層相類似。由于這里的表面勢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進一步增加，即電場進一步加強，Si表面的空穴進一步減少，耗盡層的范圍擴大，與此同時，P型Si中的少子一電子受到電場力的作用，向Si表面運動并在表面積聚。表面能帶向下彎曲更甚，費米能級E_F與本征費米能級品E4發生相交，在表面處EF-E4由負變正，即表面出現了與體內導電類型相反的情況，這時稱表面為反型。但這時反型層中的載流子仍然太少，空間電荷區幾乎由濃度為NA的不可動的受主離子組成，漏源之間仍處于高阻狀態，所以MOS晶體管仍不能導通。

5、E 》0（強反型）

若電場在上述基礎上進一步增強，能帶向下彎曲的程度更大，甚至出現了在表面χ=0處的EF-E4，不僅轉為正值，而且在數值上與體內相等。如圖1-9（d）所示。這時表面勢：

其中φ_F為費米勢，其定義為：

（1-3）

（1-2）式表明，當表面勢達到兩倍費米勢時，P型硅表面層中的電子濃度已等于體內的空穴濃度，即表面出現了強反型。這就是強反型條件。這時反型層中的電子已有足夠的數量，滿足源漏導通的條件。

φ_{F的數值可以從公式：}

_{計算出來，也可以通過查圖表求得。}

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

如果在半導體材料采用 N型硅，那么與上面的討論方法一樣，可以得出在E>0時出現電子積累，而在E<0時，將可能出現電離的施主耗盡層，或進一步出現反型及強反型的空穴層。

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