MOS场效应管阈值电压的特性解析

信息来源: 时间:2020-12-9

MOS场效应管阈值电压的特性解析

对于增强型管子来说,阈值电压就是开启电压VT,对于耗尽型管而言,阈值电压就是夹断电压VT为方便起见,也用VT表示。阈值电压VT定义为,当VDS=0时,要使源和漏之间半导体表面刚开始形成强反型的导电沟道所需加的栅极电压称为阈值电压。

阈值电压是MOS器件的一个重要参数,它与器件工艺参数有密切的关系。

在计算阈值电压VT之前,首先讨论一下硅表面的物理特性。

一、MOS管硅表面的物理特性

n沟MOS管的栅极部分其结构如图1.2-1所示。

p型硅上生长一层SiO2氧化层,其厚度为image.png,通常image.png为600~1000埃。SiO2氧化层上面所覆盖的材料是铝或多晶硅,这种材料构成栅极。B为衬底的引出脚。MOS场效应管阈值电压。若衬底B接地,在栅极G加上不同的电压VG,那么在硅的表而(硅与SiO2的交界面)的电荷分布有所不同。根据硅表面电荷分布情况可分为积累、耗尽和反型。现分别讨论如下:

MOS场效应管阈值电压的特性

1、积累

当栅极G加上负电压(-VG)时,由于栅氧化层电容的静电感应作用,使硅表面附近的空穴数增多,表面层由P型转变为强P型,即在表面形成空穴积累层。图1.2-2a.b分别示出积累层和表面形成积累层时的电荷分布。

MOS场效应管阈值电压的特性

2、耗尽

当栅极G加上正电压image.png时,由于栅氧化层电容的静电感应作用,把可动空穴电荷向下排斥,在表面附近留下了静止的受主杂质离子的负电荷区,形成了耗尽层,其耗尽层的厚度记为image.png,图1.2-3a、b分别示出了耗尽层和表面形成耗尽层时的电荷分布。

根据电荷守恒原理,栅极上电荷image.png与耗尽层中的电荷image.png应相等,即image.png,或写为image.png。现计算耗尽层的厚度MOS场效应管阈值电压的特性

MOS场效应管阈值电压的特性

设p型衬底的接杂浓度为image.png,原来在P型衬底的一个无限小的薄层image.png中可动空穴电荷dQ为:

MOS场效应管阈值电压的特性

为了转移这部分电荷,衬底表面的电位变化dф为:

MOS场效应管阈值电压的特性

这里,image.png是硅材料的相对介电常数,其值为11.8;image.png是真空电容率,其值为8.85×10-14法/厘米;image.png可理解为单位面积耗尽层电容;q为电子电荷量。将上式两边积分可得:

MOS场效应管阈值电压的特性

其中MOS场效应管阈值电压的特性

image.png表示在平衡态时衬底的费米势,image.png是本征载流子浓度(室温时image.png),image.png为玻尔兹曼常数,T为绝对温度。

image.png时,可以求得耗尽层厚度

MOS场效应管阈值电压的特性

在可动空穴电荷被排斥出耗尽层后,留下的单位面积上静止受主离子电荷image.png可表示为

MOS场效应管阈值电压的特性

3、反型

当加在栅极G上的正电压image.png进一步加大,在硅的表面产生了可动的负电荷,表面由P型转为n型,即表面反型。表面形成了反型层,反型层即为MOS管中的沟道。MOS场效应管阈值电压。由半导体能带理论可知,当表面电势改变了image.png时,表面反型、且反型层沟道中的负电荷密度已与原来平衡状态时的空穴电荷密度相同,这现象被定义为强反型。随着VG进一步增大,表面电位中的值以及耗尽层的厚度image.png将不会再有明显的变化,因此在强反型时,其耗尽层的厚度达到最大值,记为image.png,其表示式可写为

MOS场效应管阈值电压的特性

单位面积上耗尽层的静止电荷为

MOS场效应管阈值电压的特性

图1.2-4表示表面形成反型时的电荷分布情况。由电荷守恒原理和图1.2-4b可知,image.png

MOS场效应管阈值电压的特性

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