MOS场效应晶体管和有关器件的工作原理分析详解

引言

众所周知，如在MOS二极管的金属电极和硅衬底之间加一适当极性的电压，譬如当采用P型硅衬底时，在金属电极加高的正电压，就可使硅表面反型^1）。在反型层上可制作非整流电极，向反型层注入载流子，或使载流子从反型层流出，如此构成的器件就是MOS场效应晶体管（即MOS field effect transistor，简作MOSFET）。如由反型层的非整流电极向衬底内部注入载流子，注入量就不能用金属电极所加的电压来控制，因而降低了MOS场效应晶体管的跨导，所以这些电极必须是不向衬底内部注入载流子的。如图1.1所示，在采用P-N结注入载流子的这种电极处有对应于扩散电势的势垒，以阻止载流子注入到衬底中去。

相当于MOS二极管的反型层部分，如图1.1所示，下文将要提到，载流子沿硅表面流动，从电流通路的意义上称之为沟道（channel）。向沟道注入载流子的电极是载流子的来源，因而称之为源（Source），由沟道流出载流子的电极是载流子的出口，在这个意义上称之为漏（drain）。原则上源和漏对于沟道都是非整流电极，因而是对等的，实际上有时对二者无法区别。在环形栅的结构中，处于栅内侧的电极作为漏极使用。在采用N型反型层时，源与漏之间要按图1.1所示的极性加电压。这时要向MOS二极管的金属电极加大的正电压，相反，若加大的负电压，N型反型层就会消失，源与漏之间就没有电流流动。MOS场效应晶体管工作原理。也就是说，根据加在金属电极上的电压来控制源漏之间的电流流动。此电极起着控制沟道电流的“阀门”的作用，在这个意义上称之为栅（gate）。

一般认为只要将衬底表面氧化，在相当于源、漏的地方进行一次选择扩散，蒸发栅金属，MOS场效应晶体管就大体上制成了，因而与结型晶体管相比，好象工序较少而且容易制造。但实际上二氧化硅膜的性质，二氧化硅膜与硅之间的界面态密度^●及其性质，沿界面流动的载流子散射的形态，都随工艺而呈灵敏的变化，不能因为工序较少就断言容易制造。

对衬底加上大的正或负的栅电压时，一般硅和二氧化硅膜界面的情形比较清楚，现在让我们看看栅电压为零的情形。因为金属与硅的功函数不一定相等，即使栅电压为零，如图1.2（a）所示，表面势也决不为零。MOS场效应晶体管工作原理。为使MOS二极管处于表面势为零的状态，即实现通常所谓“平带条件”（flat band con-dition）在栅电极需加上相对于衬底为ф_MS=（ф_M-ф_S）的电压，如图1.2（b）所示。这里的ф_M、ф_S是分别相当于金属和硅的功函数的静电势大小。金属和硅之间存在功函数差us时，不从外部特意加栅电压，按照简单理论如加上-ф_MS的电压就可以实现平带条件。

栅电压为零时硅表面势不为零值的另一原因，是因为二氧化硅膜中所含的Na⁺、Si⁺、O^-等离子构成了空间电荷。我们具体地来研究一下，当二氧化硅膜中的空间电荷分布给定时，对硅表面的电势会产生怎样的影响。MOS场效应晶体管工作原理。如图1.3所示，设二氧化硅膜中的空间电荷密度p（z）是已知的，并取原点z=0为二氧化硅和金属电极的界面，取z轴垂直于硅表面，二氧化硅膜和硅的界面在z=d处。

当z和z+dz的微小区域内存在空间电荷p（z）dz时，此空间电荷与金属电极之间产生的电场强度记作Eo，与硅之间产生的电场强度记作EB。因为这两个电场的作用在金属电极和硅表面分别感生的电荷密度为dQo、dQβ。ε₁，取作二氧化硅的介电常数，由高斯定律得到

和

的关系式。因为考虑的是栅电压处于零的状态，所以金属与硅衬底的电势相等，则

必须成立。将式（1.1）和（1.4）联立求解Eo、Eβ，再将求得的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总电荷密度QB为

如要实现平带条件，必须在栅极加电压，使在硅表面感生的电荷密度消失。将此电压记作Vs'，因为在加Vs'的情况下平带条件成立，在硅中没有电压降，所以外电压全部加在二氧化硅膜的两端。MOS场效应晶体管工作原理。因此，如将夹在金属电极和硅衬底之间的单位面积二氧化硅膜静电电容记作CI，即

则有

也就是说，为了实现平带条件，栅相对于硅衬底需加电压Vs'。因而，当二氧化硅膜中存在空间电荷时，为实现平带条件，按照简单理论，在栅极上相当于加了有效栅电压Vs'。

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