MOSFET的工作原理介绍

MOSFET全称：金属（metal）- 氧化物（oxide）- 半导体（semiconductor）场效应（field-effect transistor）晶体管，MOS结构毫无疑问是当今微电子技术的核心结构。早在20世纪60年代，Kahng和Atalla首次报道了这种结构，即现在的平面结构器件MOSFET，该结构具有热生长成的SiO2绝缘栅、表面反型沟道，以及衬底掺杂相反的源、漏区。下面将仔细介绍MOSFET的结构和电学特性。

图1 MOS电容和MOS晶体管

首先介绍下MOS电容，如下图所示，MOS电容由硅衬底和金属栅级之间夹一层薄SiO2组成，常用的栅极材料是铝（Al）或重掺杂多晶硅（poly），第二层金属沿着半导体背面，作为硅衬底的接地接触。

图2 MOS电容结构示意图

理想MOS结构具有以下特点：（1）金属栅足够厚，在交流和直流偏置条件下可以看作一个等电势区；（2）氧化层是一个完美的绝缘体，在所有偏置下都没有电流流过氧化层；（3）在氧化层或氧化层-半导体界面没有电荷中心 ；（4）半导体均匀掺杂；（5）半导体与器件背面金属之间处于欧姆接触。

下面介绍MOS电容外加偏置的分析，假设正常工作情况下，硅衬底为N型，MOS电容背面接地，Vg定义为加到栅极上的直流偏置，首先仅从电荷角度分析：

当Vg>0时，MOS电容栅上有正电荷，为了保持电荷平衡，半导体-绝缘体界面会感应带负电的电子，从而导致半导体中的电子浓度由体内向氧化层-半导体界面增加，这种在氧化层-半导体界面附近多数载流子浓度大于半导体体内浓度的情况一般称为“累积”。

当Vg<0时，意味着栅极加了负电荷，同理电子会被从氧化层-半导体界面排斥开，留下带正电的施主杂质离子，电子被耗尽，这种氧化层-绝缘层界面处电子和空穴浓度均小于背景掺杂浓度（NA，ND）被称为“耗尽”。

当Vg<<0时，意味着MOS电容栅极上加越来越大的负偏置，氧化层-半导体界面表面不再耗尽，表面区域的性质将从N型变为P型，少数载流子的浓度超过衬底多数载流子浓度，这种情况称为“反型”。

以上只是定性分析n型掺杂MOS电容的“累积”，“耗尽”，“反型”三种不同的偏置区，接下来从能带角度分析P型掺杂MOS电容的偏置。

金属的费米能级和单晶硅的费米能级是不同的，以P型半导体为例：

图3 P型掺杂金属和半导体初始费米能级图

由于金属和半导体两侧的功函数（费米能级到真空能级的距离）不同，在热平衡时真空能级会发生弯曲（出现自建电场），形成同一的费米能级。金属的载流子密度远远大于半导体，金属侧的电荷密度也就远远大于半导体，所以可以近似认为能带弯曲仅发生在半导体和二氧化硅一侧：

图4 P型掺杂金属和半导体热平衡费米能级图

两侧真空能级的差异，被称为平带电压（Vfb<0）。

接下来考虑半导体表面的载流子分布。由图可知，在接触面附近半导体的费米能级相对于价带被抬高了，这意味着在接触面附近电子的浓度增加了，空穴的浓度减少了。

如果我们在金属上施加等于一个平带电压的反向偏压（Vg=Vfb），此时能带恢复到原始状态，氧化层-半导体界面载流子浓度等于掺杂浓度，此时状态称为平带状态。

图5 P型掺杂金属和半导体施加平带电压费米能级图

如果我们在金属栅施加小于平带电压的偏压（Vgb<Vfb）,将金属侧的真空能级抬升至半导体侧的真空能级以上，此时的半导体在接触面附近的费米能级会降至初始的费米能级以下。此时氧化层-半导体界面的空穴浓度上升，超过掺杂浓度，由于氧化层-半导体界面的多数载流子浓度上升，多数载流子开始积累，我们称为偏压大于平带电压的情况为累积状态。

图6 P型掺杂金属和半导体累积状态费米能级图

当偏压大于平带电压的时候（Vgb>Vfb），氧化层-半导体界面载流子浓度下降，由于载流子浓度小于掺杂浓度，导致半导体表面出现空间电荷区（也就是耗尽区），这时候我们称半导体进入耗尽状态。

假设半导体费米能级与本征费米能级之间的差值为Vs，如果我们施加的偏压Vgs>Vs+Vfb，费米能级就会超过本征费米能级，此时氧化层-半导体界面的电子浓度以及超过了空穴浓度，多数载流子从空穴变成电子，此时我们称半导体进入反型状态。

图7 P型掺杂金属和半导体反型状态费米能级图

以上从电荷和能级角度分别分析N型和P型掺杂MOS电容的直流偏压特性，实质上N型和P型的原理是一样的，只不过是栅极所加电压相反而已。

关键词：MOSFET