MOS晶体管的物理基础概述和理论

MOS晶体管的物理基础

上面简要地介绍了MOS晶体管的物理结构，类型及工作原理。为了深入了解MOS晶体管的特性，有必要对组成MOS晶体管的MOS系统的物理性质作进一步的分析讨论。比如，半导体Si和氧化物交界处的Si表面，是如何随着外加电场变化的，MOS晶体管的阀值电压VT 与哪些因素有关等，这是本节讨论的主要内容。

一、理想MOS系统在外场作用下的硅表面

大家知道，实际MOS系统的情况是很复杂的。如金属与半导体之间存在着功函数差，会引起电子交换；在Si-SiO2界面，存在着表面态；在氧化层内，由于离子沾污（主要是的钠离子），存在着可动正电荷；在Si-SiOn2界面处由于SiO2，中缺氧带来的固定正电荷，或在SiO2中存在着电离陷阱等等。这些复杂的因素，都全影响的表面性质，从而影响器件的性能。

为了讨论方便起见，我们先撤开上述合种复杂因素，假定存在着一个理想的系统，认为我化层中不存在正电荷对表面的影响，也不存在半导体与金属之间的功函数差，金属与半导体之间不存在交换电子的因素。

下面以P型Si为村底的MOS系统为例，来说明理想MOS电场影响的。这里规定电场的方向从出表面指间体内为正方向。鉴于用能带图来说明Si表面的现在状态比较方便，所以我们通过表面能带在外场作用下的变化来阐明出表面的空间电荷区随电场变化的情况。

1、Е=0（平带）

外电场为零时，Si表面没有电场的作用，Si表而载流子浓度与体内一样，Si本身呈电中性，电子能量从体内到表面都一样，所以能带是平的，不存在表面空间电荷区。如图1-9（a）所示。

2、E<0（积累）

若在金属棚极相对于硅村底加一负电压VG，开始瞬间，电场终止在欧姆结。接着，Si内部的可动空穴将受到电场力的作用而聚集到Si表面，形成积累层，从而解凝外场进入体内。当达到热平衡时，外加电压V。一部分降替在SiO2，层内（用VG表示），另一部分降落在出表面的空间积累层内（用VDG表示），即：

(1-1)

由于积累在硅表面的室穴是多子，因此空穴表面浓度很高，但这个积累层是非常薄的。在表积累层中，由于φ，因此Si出表面处电子的能量要升高【-qφ_s（χ）】，所以能带向上弯曲。如图1-9（b）所示。这里的φ_s（φ）是空六积累区的变量，在Si-SiO2交界面χ-0处，φ_s（χ）的数值最大，其值为φs₂称为表面势。

表面积累了空穴，为了保持MOS系统的电中性条件，要在金属栅上感应出与积累层中电荷量相等的负电荷Qmo，显然，在表面空间电荷区处于积累的情况下，MOS晶体管是不能导通的。

3、E>0（耗尽）

若VG略大于零，这时电场方向由Si表面指向体内。Si中的空穴在电场力的作用下，逆电场方向运动，最后在Si表面处留了一层离化的受主离子。由于这层是图高化了的受主高于构成的，所以其电荷密度也基本上等于体参杂的受主浓度N。我们需这种情况为耗尽，其空间电荷区称为耗尽层，与PN结中的耗尽层相类似。由于这里的表面势φ_s>0，因此，Si表面处的能量要降低[-qφ_s（χ）]。如图1-9（c）所示。表面能带向下弯曲，说明表面处的｜Er-Ei｜减小，空穴浓度减小。

4、E>0（反型）

若VG进一步增加，即电场进一步加强，Si表面的空穴进一步减少，耗尽层的范围扩大，与此同时，P型Si中的少子一电子受到电场力的作用，向Si表面运动并在表面积聚。表面能带向下弯曲更甚，费米能级E_F与本征费米能级品E4发生相交，在表面处EF-E4由负变正，即表面出现了与体内导电类型相反的情况，这时称表面为反型。但这时反型层中的载流子仍然太少，空间电荷区几乎由浓度为NA的不可动的受主离子组成，漏源之间仍处于高阻状态，所以MOS晶体管仍不能导通。