第十六章_MOS结构基础课件
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10分钟详细图解MOS管的结构原理
10分钟详细图解MOS管的结构原理什么是MOS管MOS管是⾦属 (metal) — 氧化物 (oxide) — 半导体 (semiconductor) 场效应晶体管，或者称是⾦属 — 绝缘体 (insulator)— 半导体。
MOS管的source和drain是可以对调的，他们都是在P型backgate中形成的N型区。
在多数情况下，这个两个区是⼀样的，即使两端对调也不会影响器件的性能，这样的器件被认为是对称的。
双极型晶体管把输⼊端电流的微⼩变化放⼤后，在输出端输出⼀个⼤的电流变化。
双极型晶体管的增益就定义为输出输⼊电流之⽐ (beta) 。
另⼀种晶体管叫做场效应管 (FET) ，把输⼊电压的变化转化为输出电流的变化。
FET的增益等于它的transconductance，定义为输出电流的变化和输⼊电压变化之⽐。
市⾯上常有的⼀般为N沟道和P沟道，⽽P沟道常见的为低压MOS管。
场效应管通过投影⼀个电场在⼀个绝缘层上来影响流过晶体管的电流。
事实上没有电流流过这个绝缘体，所以FET管的GATE电流⾮常⼩。
最普通的FET⽤⼀薄层⼆氧化硅来作为GATE极下的绝缘体。
这种晶体管称为⾦属氧化物半导体(MOS) 晶体管，或⾦属氧化物半导体场效应管 (MOSFET) 。
因为MOS管更⼩更省电，所以他们已经在很多应⽤场合取代了双极型晶体管。
MOS管的优势•可应⽤于放⼤，由于场效应管放⼤器的输⼊阻抗很⾼，因此耦合电容可以容量较⼩，不必使⽤电解电容器•很⾼的输⼊阻抗⾮常适合作阻抗变换，常⽤于多级放⼤器的输⼊级作阻抗变换•可以⽤作可变电阻•可以⽅便地⽤作恒流源•可以⽤作电⼦开关•在电路设计上的灵活性⼤，栅偏压可正可负可零，三极管只能在正向偏置下⼯作，电⼦管只能在负偏压下⼯作；另外输⼊阻抗⾼，可以减轻信号源负载，易于跟前级匹配MOS管结构原理图解结构和符号 (以N沟道增强型为例)—— 在⼀块浓度较低的P型硅上扩散两个浓度较⾼的N型区作为漏极和源极，半导体表⾯覆盖⼆氧化硅绝缘层并引出⼀个电极作为栅极。
第十六章_MOS结构基础.
K O 0 AG C (acc) CO x0
AG是MOS电容的栅面积
耗尽：
栅上有-Q电荷，半导体中有+Q的受
主杂质ND+，ND+的出现是由于多子被排斥，因此 器件工作与多子有关，仍能在10-10-10-13秒内达到 平衡，交流信号作用下，耗尽层宽度在直流值附 近呈准静态涨落，所以MOS电容看作两个平板电 容器的串联。
2外加偏置的影响
正常情况下，MOS电容背面接地，VG定义为加在栅上 的直流偏置。 由于在静态偏置条件下没有电流流过器件，所以费米能 级不受偏置的影响，且不随位置变化。 半导体体内始终保持平衡，与MOS栅上加电压与否无关 所加偏置VG引起器件两端费米能级移动：EFM-EFS=qVG VG0导致器件内部有电势差，引起能带弯曲。金属是 等势体，无能带弯曲。绝缘体中的电场为匀强电场，电 势和电势能是位置x的线性函数， VG> 0，绝缘体和半 导体中的能带向上倾斜，反之，向下倾斜。 在半导体体内，能带弯曲消失。
第十六章 MOS结构基础
本章作业：16.1, 16.4, 16.8, 16.9, 16.13,16.15
补充基本概念
真空能级：电子完全脱离材料本身的束缚所需的最小能量 功函数：从费米能级到真空能级的能量差 电子亲和势：从半导体表面的导带到真空能级的能量差 金属M，对某一金属是一定的，对不同金属是不同的 半导体S= +（EC-EF）FB，随掺杂浓度而变 对同一种半导体而言是一定的，Ge,Si,GaAs分别为4.0, 4.03, 4.07eV.
（0）
高频→：
少子的变化跟不上交流信号的 变化，此时少子的数目固定在 直流时的值，主要依靠耗尽层 宽度的变化来平衡栅电荷的变 化，类似于耗尽偏置
AG是MOS电容的栅面积
耗尽：
栅上有-Q电荷，半导体中有+Q的受
主杂质ND+，ND+的出现是由于多子被排斥，因此 器件工作与多子有关，仍能在10-10-10-13秒内达到 平衡，交流信号作用下，耗尽层宽度在直流值附 近呈准静态涨落，所以MOS电容看作两个平板电 容器的串联。
2外加偏置的影响
正常情况下，MOS电容背面接地，VG定义为加在栅上 的直流偏置。 由于在静态偏置条件下没有电流流过器件，所以费米能 级不受偏置的影响，且不随位置变化。 半导体体内始终保持平衡，与MOS栅上加电压与否无关 所加偏置VG引起器件两端费米能级移动：EFM-EFS=qVG VG0导致器件内部有电势差，引起能带弯曲。金属是 等势体，无能带弯曲。绝缘体中的电场为匀强电场，电 势和电势能是位置x的线性函数， VG> 0，绝缘体和半 导体中的能带向上倾斜，反之，向下倾斜。 在半导体体内，能带弯曲消失。
第十六章 MOS结构基础
本章作业：16.1, 16.4, 16.8, 16.9, 16.13,16.15
补充基本概念
真空能级：电子完全脱离材料本身的束缚所需的最小能量 功函数：从费米能级到真空能级的能量差 电子亲和势：从半导体表面的导带到真空能级的能量差 金属M，对某一金属是一定的，对不同金属是不同的 半导体S= +（EC-EF）FB，随掺杂浓度而变 对同一种半导体而言是一定的，Ge,Si,GaAs分别为4.0, 4.03, 4.07eV.
（0）
高频→：
少子的变化跟不上交流信号的 变化，此时少子的数目固定在 直流时的值，主要依靠耗尽层 宽度的变化来平衡栅电荷的变 化，类似于耗尽偏置
MOS场效应晶体管的结构 工作原理幻灯片PPT
B G
B
N沟道增强型MOSFET的符号
如左图所示。左面的一个衬底在内部
S
S
与源极相连，右面的一个没有连接，
使用时需要在外部连接。动画2-3
2 N沟道增强型MOSFET的工作原理
对N沟道增强型MOS场效应三极管的工作原理，分两个方面进展讨
论，一是栅源电压UGS对沟道会产生影响，二是漏源电压UDS也会对
2．漏源电压UDS的控制作用
设UGS＞UGS(th)，增加UDS，此时沟道的变化如下。
U DS
U G S＞ U G S (th )
ID
SG
预夹断
D
++ ++
S iO 2
N+
N+
P 型衬底
空穴 电子 正离子 负离子
显然漏源电压会对沟道产生影响，因 为源极和衬底相连接，所以参加UDS后， UDS将沿漏到源逐渐降落在沟道内，漏极 和衬底之间反偏最大，PN结的宽度最大。 所以参加UDS后，在漏源之间会形成一个 倾斜的PN结区，从而影响沟道的导电性。
I D/ m A
4 3 2 1
O 123
U th(on)
U DS 10V
4
U GS /V
N沟道增强型MOSFET的转移 特性曲线如左图所示，它是说明栅源
电压UGS对漏极电流ID的控制关系，
可用这个关系式来表达，这条特性曲 线称为转移特性曲线。
转移特性曲线的斜率gm反映了
栅源电压对漏极电流的控制作用。
当UGS=0时，对应的漏极电流用IDSS表示。当UGS＞0时，将使ID进 一步增加。UGS＜0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。 对应ID=0的UGS称为夹断电压，用符号UGS(off)表示，有时也用UP表示。
MOS管介绍概要PPT课件
预夹断点开始， ID基本不随VDS
极电流。
增加而变化。
.
18
增强型MOSFET的工作原理
.
19
MOSFET的特性曲线
1.漏极输出特性曲线
V V V
DS
GS T
.
20
2.转移特性曲线— VGS对ID的控制特性
ID=f(VGS)VDS=常数 转移特性曲线的斜 率 gm 的大小反映了栅 源电压对漏极电流的控 制作用。 其量纲为 mA/V，称gm为跨导。
VGD=VGS-VDS，比源端耗尽 层所受的反偏电压VGS 大,(如:VGS=-2V, VDS =3V, VP=-9V,则漏端耗尽层受反 偏当V电DS压继续为增-5加V时，，源预端夹耗断尽点向层
受源极反方偏向电伸压长为为预-2夹V断),使区靠。由近于
漏预夹端断的区耗电尽阻层很比大，源使端主厚要，VD沟S 道降落比在源该端区窄，，由此故产VD生S对的强沟电道场
用途：做无触点的、 接通状态的电子开关。
条件：整个沟道都夹断
V V
GS
P
击穿区
当漏源电压增大到
V V 时，漏端PN结
DS
(BR)DS
发生雪崩击穿，使iD 剧增的区域。其值一般为
（20— 50）V之间。由于VGD=VGS-VDS, 故vGS越负，
对应的VP就越小。管子不能在. 击穿区工作。
9
i ②转移特性曲线 Df(VGS)VDSC
输入电压VGS对输出漏极电流ID的控制
iD / v G Q S d D /d iG Q v S g m m s
.
10
结型场效应管的特性小结
N 沟 道 耗
结尽 型型
场
效P 应沟 管道
MOS管电路工作原理及详解PPT课件
我找到的一种解释是：
人们在使用笔记本电脑时，经常会同时插上适配器和电池。如果遇到
电网停电，笔记本会自动切换到电池12V供电。这个时候适配器虽然不再
供电，但仍相连在笔记本上。
如果没有Q1隔离，12V电压会直接进入适配器内部的输出电路，有可能
烧毁适配器。 这一解释自己没有做过验证，大家可以讨论一下对与错。
A
B
方法1：加入一个二级管
A
精选PPT课件
B
22
电路符号
方法2：加入MOS管
A
B
此处MOS管实现的功能就是：隔离作用。
所以，所谓的MOS管的隔离作用，其实质也就是实现电路 的单向导通，它就相当于一个二级管。
但在电路中我们常用隔离MOS，是因为： 使用二级管，导通时会有压降，会损失一些电压。而使用 MOS管做隔离，在正向导通时，在控制极加合适的电压，可以 让MOS管饱和导通，这样通过电流时几乎不产生压降。
以上MOS开关实现的是信号切换（高低电平切换）。 再来看个MOS开关实现电压通断的例子吧。
截止
0V
0V
由+1.5V_SUS产生+1.5V电路（1）
精选PPT课件
12
电路符号
MOS开关实现电压通断的例子：
导通
+1.5V
+15V
由+1.5V_SUS产生+1.5V电路（2）
精选PPT课件
13
电路符号
看过前面的例子，你能总结出“MOS管用做开关时在电路 中的连接方法”吗？
精选PPT课件
36
实物
再来看看相似的DFN封装MOS管：
外形上来看，DNF封装的MOS管仍旧有8个脚，但已经变成贴片形式， 节约了高度，散热性能更好些。 但其PIN脚极性还是一样排列。
《mos管工作原理》ppt课件
数字电路
用于逻辑电路、时序电路等。
其他应用
如LED驱动、传感器等。
02
Mos管的结构与原理
Mos管的内部结构
金属层
作为导电通道，提供良好 的电导性。
氧化层
作为绝缘层，隔离金属层 和其他部分。
半导体层
作为电流控制开关，通过 调节电压来控制电流的通 断。
Mos管的电路符号
箭头表示开关状态
箭头朝上表示开关导通，箭头朝下表示开关断开。
03
Mos管的特性与参数
Mos管的直流特性
开启电压
Mos管在导通之前需要达到 一定的电压才能开启。
导通电阻
Mos管导通后，有一定电阻值， 影响电流的流通。
截止电压
当Mos管两端电压小于某一特定值 时，管子处于关断状态。
Mos管的频率特性
频率响应
Mos管在高频信号下的响应能 力，受到寄生参数和电容的影
它由金属、氧化物和半导体材料制成，具有极高的电路集成 度和可靠性。
Mos管的分类
01
02
03
按开关速度分类
分为高速型和低速型两类 。
按工作方式分类
分为N沟道和P沟道两类 。
按结构形式分类
分为单极型、双极型和互 补型三类。
Mos管的应用场景
电源电路
用于开关电源、DC/DC转换器等。
模拟电路
用于放大器、振荡器等。
THANKS
感谢观看
集成元件控制电路
02
使用集成元件（如运算放大器、比较器等）构成开关控制电路
。
数字信号控制电路
03
使用数字信号（如TTL、CMOS等）构成开关控制电路。
Mos管的保护电路
过电压保护电路
《MOS管教程》课件
利用两个或多个MOS管的 串并联，可以实现与逻辑 功能。
OR门
利用两个或多个MOS管的 串并联，可以实现或逻辑 功能。
NOT门
通过一个MOS管可以实现 非逻辑功能。
04
MOS管的驱动与保护
驱动电路
栅极驱动电路
提供合适的栅极电压，使MOS管正常工作。
源极驱动电路
控制源极的电压，使MOS管在正确的状态下工作。
音频放大
音频功率放大
利用MOS管的放大特性，可以用于音 频信号的功率放大，广泛应用于音响 设备中。
耳机驱动
音频信号处理
在音频信号处理电路中，MOS管可以 作为运算放大器或比较器使用，实现 音频信号的滤波、均衡等处理。
通过控制MOS管的导通和截止，可以 实现耳机的音量控制和音源切换。
数字逻辑门
AND门
漏极驱动电路
控制漏极的电流，使MOS管在合适的电流下工作。
保护电路
01
过流保护电路
当电流过大时，自动切断电源， 防止MOS管烧毁。
02
过压保护电路
03
欠压保护电路
当电压过高时，自动切断电源， 防止MOS管损坏。
当电压过低时，自动切断电源， 防止MOS管工作异常。
安全工作区
电压安全工作区
确保MOS管在正常工作电压范围内工作，避免过压或欠压。
预防措施
在电路设计时，应充分考虑导通电阻的影响，并留有一定的余量。
开关噪声
总结词
开关过程中产生的噪声
详细描述
MOS管在开关过程中会产生噪声，这种噪 声可能会对周围电路产生干扰。
解决方案
预防措施
采用低噪声的MOS管产品，并合理设计电 路布局和布线，减小电磁干扰。
OR门
利用两个或多个MOS管的 串并联，可以实现或逻辑 功能。
NOT门
通过一个MOS管可以实现 非逻辑功能。
04
MOS管的驱动与保护
驱动电路
栅极驱动电路
提供合适的栅极电压，使MOS管正常工作。
源极驱动电路
控制源极的电压，使MOS管在正确的状态下工作。
音频放大
音频功率放大
利用MOS管的放大特性，可以用于音 频信号的功率放大，广泛应用于音响 设备中。
耳机驱动
音频信号处理
在音频信号处理电路中，MOS管可以 作为运算放大器或比较器使用，实现 音频信号的滤波、均衡等处理。
通过控制MOS管的导通和截止，可以 实现耳机的音量控制和音源切换。
数字逻辑门
AND门
漏极驱动电路
控制漏极的电流，使MOS管在合适的电流下工作。
保护电路
01
过流保护电路
当电流过大时，自动切断电源， 防止MOS管烧毁。
02
过压保护电路
03
欠压保护电路
当电压过高时，自动切断电源， 防止MOS管损坏。
当电压过低时，自动切断电源， 防止MOS管工作异常。
安全工作区
电压安全工作区
确保MOS管在正常工作电压范围内工作，避免过压或欠压。
预防措施
在电路设计时，应充分考虑导通电阻的影响，并留有一定的余量。
开关噪声
总结词
开关过程中产生的噪声
详细描述
MOS管在开关过程中会产生噪声，这种噪 声可能会对周围电路产生干扰。
解决方案
预防措施
采用低噪声的MOS管产品，并合理设计电 路布局和布线，减小电磁干扰。
MOS场效应晶体管ppt课件
MOS 场效应晶体管基本结构示意图
16
2. MOS管的基本工作原理
MOS 场效应晶体管的工作原理示意图
17
4.2.2 MOS 场效应晶体管的转移特性
MOS 场效应晶体管可分为以下四种类型:N沟增强型、 N沟耗尽型、P沟增强型、P沟耗尽型。 1. N沟增强型MOS管及转移特性
18
2. N沟耗尽型MOS管及转移特性 3.P沟增强型MOS管及转移特性
理想 MOS 二极管不同 偏压下的能带图及 电荷分布
a) 积累现象 b) 耗尽现象 c) 反型现象
3
2.表面势与表面耗尽区 下图给出了P型半导体MOS结构在栅极电压UG>>0情况 下更为详细的能带图。
4
在下面的讨论中，定义与费米能级相对应的费米势为
F
(Ei
EF )体内 q
因此，对于P型半导体， F
如图所示，当漏源电压UDS增高到某一值时，漏源电流 就会突然增大，输出特性曲线向上翘起而进入击穿区。 关于击穿原因，可用两种不同的击穿机理进行解释：漏 区与衬底之间PN结的雪崩击穿和漏-源之间的穿通。
41
1. 漏区-衬底之间的PN结击穿 在MOS晶体管结构中，栅极金属有一部分要覆盖在漏极上。 由于金属栅的电压一般低于漏区的电位，这就在金属栅极 与漏区之间形成附加电场，这个电场使栅极下面PN结的耗 尽区电场增大，如下图，因而使漏源耐压大大降低。
a) N 沟 MOS b) P 沟 MOS
29
3. 衬底杂质浓度的影响
衬底杂质浓度对阀值电压的影响
30
4. 功函数差的影响
功函数差也将随衬底杂质浓度的变化而变化。但实验证明， 该变化的范围并不大。 从阀值电压的表示式可知，功函数越大，阀值电压越高。 为降低阀值电压，应选择功函数差较低的材料，如掺杂多 晶体硅作栅电极。
16
2. MOS管的基本工作原理
MOS 场效应晶体管的工作原理示意图
17
4.2.2 MOS 场效应晶体管的转移特性
MOS 场效应晶体管可分为以下四种类型:N沟增强型、 N沟耗尽型、P沟增强型、P沟耗尽型。 1. N沟增强型MOS管及转移特性
18
2. N沟耗尽型MOS管及转移特性 3.P沟增强型MOS管及转移特性
理想 MOS 二极管不同 偏压下的能带图及 电荷分布
a) 积累现象 b) 耗尽现象 c) 反型现象
3
2.表面势与表面耗尽区 下图给出了P型半导体MOS结构在栅极电压UG>>0情况 下更为详细的能带图。
4
在下面的讨论中，定义与费米能级相对应的费米势为
F
(Ei
EF )体内 q
因此，对于P型半导体， F
如图所示，当漏源电压UDS增高到某一值时，漏源电流 就会突然增大，输出特性曲线向上翘起而进入击穿区。 关于击穿原因，可用两种不同的击穿机理进行解释：漏 区与衬底之间PN结的雪崩击穿和漏-源之间的穿通。
41
1. 漏区-衬底之间的PN结击穿 在MOS晶体管结构中，栅极金属有一部分要覆盖在漏极上。 由于金属栅的电压一般低于漏区的电位，这就在金属栅极 与漏区之间形成附加电场，这个电场使栅极下面PN结的耗 尽区电场增大，如下图，因而使漏源耐压大大降低。
a) N 沟 MOS b) P 沟 MOS
29
3. 衬底杂质浓度的影响
衬底杂质浓度对阀值电压的影响
30
4. 功函数差的影响
功函数差也将随衬底杂质浓度的变化而变化。但实验证明， 该变化的范围并不大。 从阀值电压的表示式可知，功函数越大，阀值电压越高。 为降低阀值电压，应选择功函数差较低的材料，如掺杂多 晶体硅作栅电极。
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C(ac)cCOKOx00AG
AG是MOS电容的栅面积
耗尽： 栅上有-Q电荷，半导体中有+Q的受
主杂质ND+，ND+的出现是由于多子被排斥，因此 器件工作与多子有关，仍能在10-10-10-13秒内达到
平衡，交流信号作用下，耗尽层宽度在直流值附
近呈准静态涨落，所以MOS电容看作两个平板电 容器的串联。
在O-S 界
面附近的电子浓度大于半导体体内的浓 度，称为“积累”。
VG<0, (较小负偏置），电子的浓度在O-S界面附近降低，称 为电子被“耗尽”，留下带正电的施主杂质。
若负偏电压越来越大，半导体表面的能带会越来越弯曲，在 表面的空穴浓度越来越多，增加到图16.（e),(f)所示情况时： ps=ND, VG=VT时，表面不再耗尽，反型和耗尽的转折点
VG
VT
0
ACC(积累） DEPL（耗尽） INV（反型）
P型
VG
0
VT
16.3 静电特性-定量公式
目标：确定表面势s和费米势F 与MOS偏置状态的关系
取Ei（体内）为零电势能点， 则任一x处电子的电势能为
Ei(x)-Ei(体内）=-q (x)
任一点电势
（ x)
1 q
E i (体内）
Ei (x)
本节的目标讨论低频、高频条件下MOS电容的C-V特 性
平带 积累
C
反型
转折点
耗尽
（ a) Keithley高、低频测量系统 (b) n型MOS电容高、低频C-V特性实例
以nMOS为例分析 积累； 直流O-S界面积累多子，多子在 10-10-10-13秒的时间内达到平衡。 加交变信号，积累电荷的改变量 ΔQ，只在界面附近变化，因此 MOS电容相当于平板电容器
16.1理想MOS结构的定义
（1）金属栅足够厚 ,是等势体
（2）氧化层是完美的绝缘体
无电流流过氧化层
栅
（3）在氧化层中或氧化层-半
0.01~1.0m
导体界面没有电荷中心
（4）半导体均匀掺杂
（5）半导体足够厚，无论VG 多大，总有零电场区域
（6）半导体与器件背面金属 之间处于欧姆接触
背接触或衬底接触
VG
S
KS KO
xo s
s
qN A K s0
W
S
qN A 2K S 0
W
2
S
qN A KS0
( 2K S 0 qN A
1
S )2
(2qN A K s0
1
s ) 2
VG
S
KS KO
xo
2KqsN0As
结论：
积累和反型时，s的 很小变化需要较大的 栅压变化。
耗尽时， s随 VG变 化很快。
积累
耗尽
VG<VT时, 表面少数载流子浓度超过多数载流子浓度，这种情 况称为“反型”。
图16.6 p型器件在平带、积累、耗尽、反 型情况下的能带图和对应的电荷块图
特殊偏置区域
p型半导体 VG<0 ,在O-S界面附近的空穴浓度大于半导体体内的浓 度，
称为“积累”。 VG>0, (较小负偏置），空穴的浓度在O-S界面附近降低，
1半导体静电特性的定量描述 目标：建立在静态偏置条件下，理想MOS电容内部
的电荷，电场E和电势 金 属： M-O界面电荷分布在金属表面 几Å范围内
=δ， E=0 ，=常数 绝缘体： =0， E=Eox ，Δ=Eoxx0 半导体：体内E=0处 =0
耗尽近似解
半导体中积累 = （0） E=0 （x>0) =0 (x>0)
称为空穴被“耗尽”，留下带负电的受主杂质。 若正偏电压越来越大，半导体表面的能带会越来越弯曲，
在表面的电子浓度越来越多，增加到ns=NA, VG=VT时， 表面不再耗尽 VG>VT时, 表面少数载流子浓度超过多数载流子浓度，这 种情况称为“反型”。
结论
n型衬 底
INV（反型） DEPL（耗尽） ACC(积累）
在建立电荷块图时，代表正、 负电荷的面积应相等
2外加偏置的影响
正常情况下，MOS电容背面接地，VG定义为加在栅上 的直流偏置。
由于在静态偏置条件下没有电流流过器件，所以费米能 级不受偏置的影响，且不随位置变化。
半导体体内始终保持平衡，与MOS栅上加电压与否无关 所加偏置VG引起器件两端费米能级移动：EFM-EFS=-
qVG VG0导致器件内部有电势差，引起能带弯曲。金属是
等势体，无能带弯曲。绝缘体中的电场为匀强电场，电 势和电势能是位置x的线性函数， VG > 0，绝缘体和半 导体中的能带向上倾斜，反之，向下倾斜。
在半导体体内，能带弯曲消失。
N型衬底
2。外加偏置的影响
图16.5 理想n型MOS电容的不同静态 偏置下的能带图和对应的电荷块图
表面势
s
1 q
E i (体内）
E i (表面）
费米势
F
1 q
E i (体内） E F
图16 .7 静电参数
★F的正负和大小与Si衬底的导电类型和掺杂浓度有关
p型半导体 n型半导体
F
KT q
ln
NA ni
0
F
KT q
ln
ND ni
0
★ 确定表面势s和费米势F与MOS偏置状态的关系
平带
n 型 s=0 p型 s=0
（b)将厚度为x0的绝缘体插入 M与S之间的空隙。
（2）电荷块图
平衡条件下在理想MOS结构中 任何地方都没有电荷。
在MOS电容上加电压后，在 M-O附近的M中以及O-S界面处会 出现电荷。如右图的电荷块图。
电荷块图本质上是一种定性表 示，可定性说明电荷的大小和耗 尽区的宽度。不考虑电荷在空间 的具体分布
（d) (e) n=ni 因为在界面处EF=Ei
（h) (j) 耗尽状态
C(de)p CoCs CO CS Co 1KOW KSx0
C C0
1
1 K0W
0.45
Ks x0
作业16.10
讲作业16.14
作业16.14
作业16.14
课堂讲解16-12, 本章作业16-1，4，8，9, 13, 15
厚度增加，在氧化层的
电压降增加，要使半导
体的s=2F,需要更大的 VT
图16.15 氧化层厚度对MOS电容高频特性的影响
由精确电荷理 论计算得到的 C-V特性，
ND=1014/cm-3,
x0=0.1m
随温度升高，高频反型电容略有增加，耗尽偏置电容基本 不随温度变化，VT也基本不随温度变化。
原因
C= C O
2。外加偏置的影响
E i(表 面 E i(体 ） 内 2 [E F ） E i(体]内）
p s ni exp
E i ( surface kT
) EF
ni exp
E F E i (bulk ) kT
n bulk
ND
特殊偏置区域
n型半导体 VG>0 ,能带图如（a)所示，根据
nni expE(FkTEi )
第十六章 MOS结构基础
本章作业：补充基本概念
真空能级：电子完全脱离材料本身的束缚所需的最小能量 功函数：从费米能级到真空能级的能量差 电子亲和势：从半导体表面的导带到真空能级的能量差 金属M，对某一金属是一定的，对不同金属是不同的 半导体S= +（EC-EF）FB，随掺杂浓度而变 对同一种半导体而言是一定的，Ge,Si,GaAs分别为4.0, 4.03, 4.07eV.
积累
s>0 s<0
耗尽
2 F <s<0
0<s<2 F
耗尽-反型过渡点 反型
s=2 F s=2 F
s<2 F s>2 F
结论
耗尽-反型过渡点 平带
n型(F<0) INV（反型） DEPL（耗尽） ACC(积累）
s
2 F
0
ACC(积累） DEPL（耗尽） INV（反型）
P型(F>0)
s
0
2 F
16.3 静电特性-定量公式
以p型半导体为例
MOS电容的半导体中电荷密度和电势的精确解
半导体中耗尽层宽度 耗尽层中的电荷密度
泊松方程
电场 电势 边界条件
x=W处， E（W)=0, (W)=0
表面势
耗尽层宽度和表面势的关系 最大耗尽层宽度
栅电压关系
目标：建立栅电压VG与半导体的表面势s二者的定量关系
外加栅电压VG，部分降落在半导体中， 部分降落在SiO2层中
（7）MOS电容是一维结构，所有 变量仅是x的函数
图16.1 金属-氧化物-半导体电容
（8）M= S=+(EC-EF)FB
16.2静电特性-定性描述
1。图示化辅助描述-能带图和电荷块图
表面
（1）热平衡能带图
由分立能带图得到MOS能带图 包括两个步骤；
（a）将M和S放到一起相距为 x0，达到平衡时，M和S的费米 能级必须持平；因假设M= S 真空能级也必须对准。（在M空隙-S系统的任何地方都没有 电荷和电场）
图16.13 用耗尽近似理论得到的 高-低频C-V特性
(X0=0.1m,ND=1015/cm3, T=300k)
n型 P型
由精确电荷理论计算 得到的C-V特性，其 中 xo=0.1m,T=300k
随掺杂浓度的提高，高频反型 电容增大，耗尽偏置区将大大 展宽。因为掺杂浓度提高，半 导体的F增加，要使s=2F,需 要更大的VT。
C（ in)vCOKOx00AG （0）
高频→：
少子的变化跟不上交流信号的
变化，此时少子的数目固定在 直流时的值，主要依靠耗尽层 宽度的变化来平衡栅电荷的变 化，类似于耗尽偏置
AG是MOS电容的栅面积
耗尽： 栅上有-Q电荷，半导体中有+Q的受
主杂质ND+，ND+的出现是由于多子被排斥，因此 器件工作与多子有关，仍能在10-10-10-13秒内达到
平衡，交流信号作用下，耗尽层宽度在直流值附
近呈准静态涨落，所以MOS电容看作两个平板电 容器的串联。
在O-S 界
面附近的电子浓度大于半导体体内的浓 度，称为“积累”。
VG<0, (较小负偏置），电子的浓度在O-S界面附近降低，称 为电子被“耗尽”，留下带正电的施主杂质。
若负偏电压越来越大，半导体表面的能带会越来越弯曲，在 表面的空穴浓度越来越多，增加到图16.（e),(f)所示情况时： ps=ND, VG=VT时，表面不再耗尽，反型和耗尽的转折点
VG
VT
0
ACC(积累） DEPL（耗尽） INV（反型）
P型
VG
0
VT
16.3 静电特性-定量公式
目标：确定表面势s和费米势F 与MOS偏置状态的关系
取Ei（体内）为零电势能点， 则任一x处电子的电势能为
Ei(x)-Ei(体内）=-q (x)
任一点电势
（ x)
1 q
E i (体内）
Ei (x)
本节的目标讨论低频、高频条件下MOS电容的C-V特 性
平带 积累
C
反型
转折点
耗尽
（ a) Keithley高、低频测量系统 (b) n型MOS电容高、低频C-V特性实例
以nMOS为例分析 积累； 直流O-S界面积累多子，多子在 10-10-10-13秒的时间内达到平衡。 加交变信号，积累电荷的改变量 ΔQ，只在界面附近变化，因此 MOS电容相当于平板电容器
16.1理想MOS结构的定义
（1）金属栅足够厚 ,是等势体
（2）氧化层是完美的绝缘体
无电流流过氧化层
栅
（3）在氧化层中或氧化层-半
0.01~1.0m
导体界面没有电荷中心
（4）半导体均匀掺杂
（5）半导体足够厚，无论VG 多大，总有零电场区域
（6）半导体与器件背面金属 之间处于欧姆接触
背接触或衬底接触
VG
S
KS KO
xo s
s
qN A K s0
W
S
qN A 2K S 0
W
2
S
qN A KS0
( 2K S 0 qN A
1
S )2
(2qN A K s0
1
s ) 2
VG
S
KS KO
xo
2KqsN0As
结论：
积累和反型时，s的 很小变化需要较大的 栅压变化。
耗尽时， s随 VG变 化很快。
积累
耗尽
VG<VT时, 表面少数载流子浓度超过多数载流子浓度，这种情 况称为“反型”。
图16.6 p型器件在平带、积累、耗尽、反 型情况下的能带图和对应的电荷块图
特殊偏置区域
p型半导体 VG<0 ,在O-S界面附近的空穴浓度大于半导体体内的浓 度，
称为“积累”。 VG>0, (较小负偏置），空穴的浓度在O-S界面附近降低，
1半导体静电特性的定量描述 目标：建立在静态偏置条件下，理想MOS电容内部
的电荷，电场E和电势 金 属： M-O界面电荷分布在金属表面 几Å范围内
=δ， E=0 ，=常数 绝缘体： =0， E=Eox ，Δ=Eoxx0 半导体：体内E=0处 =0
耗尽近似解
半导体中积累 = （0） E=0 （x>0) =0 (x>0)
称为空穴被“耗尽”，留下带负电的受主杂质。 若正偏电压越来越大，半导体表面的能带会越来越弯曲，
在表面的电子浓度越来越多，增加到ns=NA, VG=VT时， 表面不再耗尽 VG>VT时, 表面少数载流子浓度超过多数载流子浓度，这 种情况称为“反型”。
结论
n型衬 底
INV（反型） DEPL（耗尽） ACC(积累）
在建立电荷块图时，代表正、 负电荷的面积应相等
2外加偏置的影响
正常情况下，MOS电容背面接地，VG定义为加在栅上 的直流偏置。
由于在静态偏置条件下没有电流流过器件，所以费米能 级不受偏置的影响，且不随位置变化。
半导体体内始终保持平衡，与MOS栅上加电压与否无关 所加偏置VG引起器件两端费米能级移动：EFM-EFS=-
qVG VG0导致器件内部有电势差，引起能带弯曲。金属是
等势体，无能带弯曲。绝缘体中的电场为匀强电场，电 势和电势能是位置x的线性函数， VG > 0，绝缘体和半 导体中的能带向上倾斜，反之，向下倾斜。
在半导体体内，能带弯曲消失。
N型衬底
2。外加偏置的影响
图16.5 理想n型MOS电容的不同静态 偏置下的能带图和对应的电荷块图
表面势
s
1 q
E i (体内）
E i (表面）
费米势
F
1 q
E i (体内） E F
图16 .7 静电参数
★F的正负和大小与Si衬底的导电类型和掺杂浓度有关
p型半导体 n型半导体
F
KT q
ln
NA ni
0
F
KT q
ln
ND ni
0
★ 确定表面势s和费米势F与MOS偏置状态的关系
平带
n 型 s=0 p型 s=0
（b)将厚度为x0的绝缘体插入 M与S之间的空隙。
（2）电荷块图
平衡条件下在理想MOS结构中 任何地方都没有电荷。
在MOS电容上加电压后，在 M-O附近的M中以及O-S界面处会 出现电荷。如右图的电荷块图。
电荷块图本质上是一种定性表 示，可定性说明电荷的大小和耗 尽区的宽度。不考虑电荷在空间 的具体分布
（d) (e) n=ni 因为在界面处EF=Ei
（h) (j) 耗尽状态
C(de)p CoCs CO CS Co 1KOW KSx0
C C0
1
1 K0W
0.45
Ks x0
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讲作业16.14
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厚度增加，在氧化层的
电压降增加，要使半导
体的s=2F,需要更大的 VT
图16.15 氧化层厚度对MOS电容高频特性的影响
由精确电荷理 论计算得到的 C-V特性，
ND=1014/cm-3,
x0=0.1m
随温度升高，高频反型电容略有增加，耗尽偏置电容基本 不随温度变化，VT也基本不随温度变化。
原因
C= C O
2。外加偏置的影响
E i(表 面 E i(体 ） 内 2 [E F ） E i(体]内）
p s ni exp
E i ( surface kT
) EF
ni exp
E F E i (bulk ) kT
n bulk
ND
特殊偏置区域
n型半导体 VG>0 ,能带图如（a)所示，根据
nni expE(FkTEi )
第十六章 MOS结构基础
本章作业：补充基本概念
真空能级：电子完全脱离材料本身的束缚所需的最小能量 功函数：从费米能级到真空能级的能量差 电子亲和势：从半导体表面的导带到真空能级的能量差 金属M，对某一金属是一定的，对不同金属是不同的 半导体S= +（EC-EF）FB，随掺杂浓度而变 对同一种半导体而言是一定的，Ge,Si,GaAs分别为4.0, 4.03, 4.07eV.
积累
s>0 s<0
耗尽
2 F <s<0
0<s<2 F
耗尽-反型过渡点 反型
s=2 F s=2 F
s<2 F s>2 F
结论
耗尽-反型过渡点 平带
n型(F<0) INV（反型） DEPL（耗尽） ACC(积累）
s
2 F
0
ACC(积累） DEPL（耗尽） INV（反型）
P型(F>0)
s
0
2 F
16.3 静电特性-定量公式
以p型半导体为例
MOS电容的半导体中电荷密度和电势的精确解
半导体中耗尽层宽度 耗尽层中的电荷密度
泊松方程
电场 电势 边界条件
x=W处， E（W)=0, (W)=0
表面势
耗尽层宽度和表面势的关系 最大耗尽层宽度
栅电压关系
目标：建立栅电压VG与半导体的表面势s二者的定量关系
外加栅电压VG，部分降落在半导体中， 部分降落在SiO2层中
（7）MOS电容是一维结构，所有 变量仅是x的函数
图16.1 金属-氧化物-半导体电容
（8）M= S=+(EC-EF)FB
16.2静电特性-定性描述
1。图示化辅助描述-能带图和电荷块图
表面
（1）热平衡能带图
由分立能带图得到MOS能带图 包括两个步骤；
（a）将M和S放到一起相距为 x0，达到平衡时，M和S的费米 能级必须持平；因假设M= S 真空能级也必须对准。（在M空隙-S系统的任何地方都没有 电荷和电场）
图16.13 用耗尽近似理论得到的 高-低频C-V特性
(X0=0.1m,ND=1015/cm3, T=300k)
n型 P型
由精确电荷理论计算 得到的C-V特性，其 中 xo=0.1m,T=300k
随掺杂浓度的提高，高频反型 电容增大，耗尽偏置区将大大 展宽。因为掺杂浓度提高，半 导体的F增加，要使s=2F,需 要更大的VT。
C（ in)vCOKOx00AG （0）
高频→：
少子的变化跟不上交流信号的
变化，此时少子的数目固定在 直流时的值，主要依靠耗尽层 宽度的变化来平衡栅电荷的变 化，类似于耗尽偏置