MOS場效應管閾值電壓的特性解析

對于增強型管子來說，閾值電壓就是開啟電壓VT，對于耗盡型管而言，閾值電壓就是夾斷電壓VT，為方便起見，也用VT表示。閾值電壓VT定義為，當VDS=0時，要使源和漏之間半導體表面剛開始形成強反型的導電溝道所需加的柵極電壓稱為閾值電壓。

閾值電壓是MOS器件的一個重要參數，它與器件工藝參數有密切的關系。

在計算閾值電壓VT之前，首先討論一下硅表面的物理特性。

一、MOS管硅表面的物理特性

n溝MOS管的柵極部分其結構如圖1.2-1所示。

p型硅上生長一層SiO2氧化層，其厚度為，通常為600~1000埃。SiO2氧化層上面所覆蓋的材料是鋁或多晶硅，這種材料構成柵極。B為襯底的引出腳。MOS場效應管閾值電壓。若襯底B接地，在柵極G加上不同的電壓VG，那么在硅的表而（硅與SiO2的交界面）的電荷分布有所不同。根據硅表面電荷分布情況可分為積累、耗盡和反型?，F分別討論如下：

1、積累

當柵極G加上負電壓（-VG）時，由于柵氧化層電容的靜電感應作用，使硅表面附近的空穴數增多，表面層由P型轉變為強P型，即在表面形成空穴積累層。圖1.2-2a.b分別示出積累層和表面形成積累層時的電荷分布。

2、耗盡

當柵極G加上正電壓時，由于柵氧化層電容的靜電感應作用，把可動空穴電荷向下排斥，在表面附近留下了靜止的受主雜質離子的負電荷區，形成了耗盡層，其耗盡層的厚度記為，圖1.2-3a、b分別示出了耗盡層和表面形成耗盡層時的電荷分布。

根據電荷守恒原理，柵極上電荷與耗盡層中的電荷應相等，即，或寫為?，F計算耗盡層的厚度。

設p型襯底的接雜濃度為，原來在P型襯底的一個無限小的薄層中可動空穴電荷dQ為：

為了轉移這部分電荷，襯底表面的電位變化dф為：

這里，是硅材料的相對介電常數，其值為11.8；是真空電容率，其值為8.85×10-¹⁴法/厘米；可理解為單位面積耗盡層電容；q為電子電荷量。將上式兩邊積分可得：

其中

表示在平衡態時襯底的費米勢，是本征載流子濃度（室溫時），為玻爾茲曼常數，T為絕對溫度。

當時，可以求得耗盡層厚度

在可動空穴電荷被排斥出耗盡層后，留下的單位面積上靜止受主離子電荷可表示為

3、反型

當加在柵極G上的正電壓進一步加大，在硅的表面產生了可動的負電荷，表面由P型轉為n型，即表面反型。表面形成了反型層，反型層即為MOS管中的溝道。MOS場效應管閾值電壓。由半導體能帶理論可知，當表面電勢改變了時，表面反型、且反型層溝道中的負電荷密度已與原來平衡狀態時的空穴電荷密度相同，這現象被定義為強反型。隨著VG進一步增大，表面電位中的值以及耗盡層的厚度將不會再有明顯的變化，因此在強反型時，其耗盡層的厚度達到最大值，記為，其表示式可寫為

單位面積上耗盡層的靜止電荷為

圖1.2-4表示表面形成反型時的電荷分布情況。由電荷守恒原理和圖1.2-4b可知，。

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