MOS場效應晶體管和有關器件的工作原理分析詳解

引言

眾所周知，如在MOS二極管的金屬電極和硅襯底之間加一適當極性的電壓，譬如當采用P型硅襯底時，在金屬電極加高的正電壓，就可使硅表面反型^1）。在反型層上可制作非整流電極，向反型層注入載流子，或使載流子從反型層流出，如此構成的器件就是MOS場效應晶體管（即MOS field effect transistor，簡作MOSFET）。如由反型層的非整流電極向襯底內部注入載流子，注入量就不能用金屬電極所加的電壓來控制，因而降低了MOS場效應晶體管的跨導，所以這些電極必須是不向襯底內部注入載流子的。如圖1.1所示，在采用P-N結注入載流子的這種電極處有對應于擴散電勢的勢壘，以阻止載流子注入到襯底中去。

相當于MOS二極管的反型層部分，如圖1.1所示，下文將要提到，載流子沿硅表面流動，從電流通路的意義上稱之為溝道（channel）。向溝道注入載流子的電極是載流子的來源，因而稱之為源（Source），由溝道流出載流子的電極是載流子的出口，在這個意義上稱之為漏（drain）。原則上源和漏對于溝道都是非整流電極，因而是對等的，實際上有時對二者無法區別。在環形柵的結構中，處于柵內側的電極作為漏極使用。在采用N型反型層時，源與漏之間要按圖1.1所示的極性加電壓。這時要向MOS二極管的金屬電極加大的正電壓，相反，若加大的負電壓，N型反型層就會消失，源與漏之間就沒有電流流動。MOS場效應晶體管工作原理。也就是說，根據加在金屬電極上的電壓來控制源漏之間的電流流動。此電極起著控制溝道電流的“閥門”的作用，在這個意義上稱之為柵（gate）。

一般認為只要將襯底表面氧化，在相當于源、漏的地方進行一次選擇擴散，蒸發柵金屬，MOS場效應晶體管就大體上制成了，因而與結型晶體管相比，好象工序較少而且容易制造。但實際上二氧化硅膜的性質，二氧化硅膜與硅之間的界面態密度^●及其性質，沿界面流動的載流子散射的形態，都隨工藝而呈靈敏的變化，不能因為工序較少就斷言容易制造。

對襯底加上大的正或負的柵電壓時，一般硅和二氧化硅膜界面的情形比較清楚，現在讓我們看看柵電壓為零的情形。因為金屬與硅的功函數不一定相等，即使柵電壓為零，如圖1.2（a）所示，表面勢也決不為零。MOS場效應晶體管工作原理。為使MOS二極管處于表面勢為零的狀態，即實現通常所謂“平帶條件”（flat band con-dition）在柵電極需加上相對于襯底為ф_MS=（ф_M-ф_S）的電壓，如圖1.2（b）所示。這里的ф_M、ф_S是分別相當于金屬和硅的功函數的靜電勢大小。金屬和硅之間存在功函數差us時，不從外部特意加柵電壓，按照簡單理論如加上-ф_MS的電壓就可以實現平帶條件。

柵電壓為零時硅表面勢不為零值的另一原因，是因為二氧化硅膜中所含的Na⁺、Si⁺、O^-等離子構成了空間電荷。我們具體地來研究一下，當二氧化硅膜中的空間電荷分布給定時，對硅表面的電勢會產生怎樣的影響。MOS場效應晶體管工作原理。如圖1.3所示，設二氧化硅膜中的空間電荷密度p（z）是已知的，并取原點z=0為二氧化硅和金屬電極的界面，取z軸垂直于硅表面，二氧化硅膜和硅的界面在z=d處。

當z和z+dz的微小區域內存在空間電荷p（z）dz時，此空間電荷與金屬電極之間產生的電場強度記作Eo，與硅之間產生的電場強度記作EB。因為這兩個電場的作用在金屬電極和硅表面分別感生的電荷密度為dQo、dQβ。ε₁，取作二氧化硅的介電常數，由高斯定律得到

和

的關系式。因為考慮的是柵電壓處于零的狀態，所以金屬與硅襯底的電勢相等，則

必須成立。將式（1.1）和（1.4）聯立求解Eo、Eβ，再將求得的Eo、Eβ值代入式（1.2）、（1.3），就得到

由式（1.6）可求出硅表面感生的總電荷密度QB為

如要實現平帶條件，必須在柵極加電壓，使在硅表面感生的電荷密度消失。將此電壓記作Vs'，因為在加Vs'的情況下平帶條件成立，在硅中沒有電壓降，所以外電壓全部加在二氧化硅膜的兩端。MOS場效應晶體管工作原理。因此，如將夾在金屬電極和硅襯底之間的單位面積二氧化硅膜靜電電容記作CI，即

則有

也就是說，為了實現平帶條件，柵相對于硅襯底需加電壓Vs'。因而，當二氧化硅膜中存在空間電荷時，為實現平帶條件，按照簡單理論，在柵極上相當于加了有效柵電壓Vs'。

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