第一章-半导体物理基础要点课件

第一章第一章 半导体物理基础半导体物理基础1.1 半导体结构半导体结构1.2 半导体能带模型半导体能带模型1.3 半导体中的载流子半导体中的载流子1.4 态密度与费米能级态密度与费米能级1.5 载流子的传输载流子的传输1.6 PN结结1.7 金属金属半导体接触半导体接触1.8 MOS FET器件基础器件基础第一章 半导体物理基础1.1 半导体结构1.5 载流子1.1 半导体结构半导体结构 一切晶体，不论外形如何，其内部质点（原子、离子、离子团一切晶体，不论外形如何，其内部质点（原子、离子、离子团或分子）都是有规律排列的。即晶体内部或分子）都是有规律排列的。即晶体内部相同质点在相同质点在三维空间均三维空间均呈周期性重复呈周期性重复。可分成单晶体和多晶体可分成单晶体和多晶体单晶：单晶：整个晶体由单一的晶格连续组成。整个晶体由单一的晶格连续组成。多晶：多晶：晶体由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成晶体由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成非晶：固体中存在非晶：固体中存在许多小区域，每个小区域的原子排列不同于其多小区域，每个小区域的原子排列不同于其它小区域的原子排列它小区域的原子排列硅晶体是金硅晶体是金刚石石结构构,均为四面体结构，并向空间无限伸展成空均为四面体结构，并向空间无限伸展成空间网状结构。间网状结构。1.1 半导体结构 一切晶体，不论外形如何，其内部质点（原按照构成固体的粒子在空间的排列情况，可以讲固体分为：按照构成固体的粒子在空间的排列情况，可以讲固体分为：按照构成固体的粒子在空间的排列情况，可以讲固体分为：硅的晶体结构硅的晶体结构硅晶体中任何一原子都有硅晶体中任何一原子都有4个最近邻的原子与之形成共个最近邻的原子与之形成共价键。一个原子处在正四面体的中心，其它四个与它共价键。一个原子处在正四面体的中心，其它四个与它共价的原子位于四面体的顶点，这种四面体称为共价四面价的原子位于四面体的顶点，这种四面体称为共价四面体。体。硅的晶体结构硅晶体中任何一原子都有4个最近邻的原子与之形成共第一章-半导体物理基础要点课件1s2p2sEo原子间距原子间距禁带禁带禁带禁带能带能带当有当有N个相同的自由原子时，每个原子内的电子有相同的分立的能个相同的自由原子时，每个原子内的电子有相同的分立的能级，它们是级，它们是N重简并的，当这重简并的，当这N个原子逐渐靠近时，原来束缚在单个原子逐渐靠近时，原来束缚在单原子的中的电子，不能在一个能级上存在（违反泡利不相容原则）原子的中的电子，不能在一个能级上存在（违反泡利不相容原则）从而只能分裂成从而只能分裂成N个非常靠近的能级（个非常靠近的能级（10-22ev）1.2 半导体能带模型半导体能带模型1s2p2sEo原子间距禁带禁带能带当有N个相同的自由原子时能带论能带论原子能级分裂成能带的示意图原子能级分裂成能带的示意图电子能量简化能带图简化能带图价带导带Eg=带隙EcEv在一般的原子中，内在一般的原子中，内层电子的能子的能级是被是被电子填子填满的。当原子的。当原子组成晶体后，与成晶体后，与这些原子的内些原子的内层电子能子能级相相对应的那些能的那些能带也是被也是被电子所填子所填满的。其中能的。其中能级较高高的被的被电子填子填满的能的能带称称为价价带，价，价带以以上的能上的能带未被填未被填满，称，称为导带，导带和和价价带间的能隙叫禁的能隙叫禁带 能带论原子能级分裂成能带的示意图电子能量简化能带图价带Eg=1.3 半导体中的载流子半导体中的载流子导带中的电子和价带中的空穴统称为导带中的电子和价带中的空穴统称为载流子载流子，是在电场作用下能作定向运动的带电粒子。是在电场作用下能作定向运动的带电粒子。1.3 半导体中的载流子导带中的电子和价带中的空穴统称为载满带满带半（不）满带半（不）满带 当电子从原来状态转移当电子从原来状态转移到另一状态时，另一电子到另一状态时，另一电子必作相反的转移。没有额必作相反的转移。没有额外的定向运动。满带中电外的定向运动。满带中电子不能形成电流。子不能形成电流。半满带的电子可在外半满带的电子可在外场作用下跃迁到高一场作用下跃迁到高一级的能级形成电流。级的能级形成电流。满带半（不）满带 当电子从原来状态转移半满带的电子可在空带空带满带满带禁带禁带-e-e-e-eIeIP 1.本征半导体本征半导体-不含杂质的半导体不含杂质的半导体本征激发本征激发空空穴穴电电流流导电机制：导电机制：本征导电中的载流子是电子和空穴本征导电中的载流子是电子和空穴（本征导电）（本征导电）空带满带禁带-e-e-e-eIeIP2.杂质半导体杂质半导体-含有少量杂质的半导体含有少量杂质的半导体n型半导体（施主杂质半导体）型半导体（施主杂质半导体）在纯净半导中掺入少量可提供导电电子的在纯净半导中掺入少量可提供导电电子的杂质所形成的半导体。杂质所形成的半导体。例在四价硅（例在四价硅（Si）元素半导体中掺入五价砷（）元素半导体中掺入五价砷（AS）所形成的半导体所形成的半导体2.杂质半导体-含有少量杂质的半导体n型半导体（施主杂+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4GeASAS+5+5+5+5 掺入掺入AS以后，五个以后，五个价电子中，有四个电子价电子中，有四个电子与周围的与周围的Ge组成共价键组成共价键晶体，还多余一个电子，晶体，还多余一个电子，此电子处于特殊的能级。此电子处于特殊的能级。满带满带空带空带施主能级施主能级能带结构：能带结构：理论证明理论证明:掺入这种掺入这种杂质后电子处于靠近空杂质后电子处于靠近空带下沿处的一个能级中带下沿处的一个能级中(“施主能级施主能级”)施主能级与上施主能级与上空带下能级的空带下能级的能级间隔称能级间隔称“施主杂质电离施主杂质电离能能”()+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4这种杂质可提这种杂质可提供导电电子故供导电电子故称为施主杂质称为施主杂质满带满带空带空带导电机制：导电机制：施主能级施主能级由于由于 较小较小,施主能级中的电子很容易激发到施主能级中的电子很容易激发到空带而在施主能级上留下不可移动的空穴空带而在施主能级上留下不可移动的空穴.此称此称“杂质激发杂质激发”,当然也存在本征激发当然也存在本征激发.这种杂质可提满带空带导电机制：施主能级由于 总之总之,跃入空带中的电子数等于满带及施主跃入空带中的电子数等于满带及施主能级中的空穴数能级中的空穴数,由于施主能级中的空穴不能移由于施主能级中的空穴不能移动动,故在常温下故在常温下,能导电的空穴数远小于电子数能导电的空穴数远小于电子数,导电作用主要靠跃入空带中的电子导电作用主要靠跃入空带中的电子.（多数载流（多数载流子）子）导电机制：导电机制：故故n型半导体又称型半导体又称电子型半导体电子型半导体这种杂质可提这种杂质可提供导电电子故供导电电子故称为施主杂质称为施主杂质满带满带空带空带施主能级施主能级 总之,跃入空带中的电子数等于满带及施主导电机1.4 态密度与费米能级态密度与费米能级态密度态密度在能带中，能量在能带中，能量E附近单位能量间隔内的量子附近单位能量间隔内的量子态数态数在量子力学中，微观粒子的运动状态称为量子态在量子力学中，微观粒子的运动状态称为量子态1.4 态密度与费米能级态密度在量子力学中，微观粒子的运动费米狄拉克统计分布规律费米狄拉克统计分布规律温温度度为为T T（绝绝对对温温度度）的的热热平平衡衡态态下下，半半导导体体中中电电子子占占据据能能量量为为E E的量子态的几率是的量子态的几率是k k是玻尔兹曼常数，是玻尔兹曼常数，E EF F是一个与掺杂有关的常数，称为费米能级。是一个与掺杂有关的常数，称为费米能级。当当E-EE-EF FkTkT时时，f f（E E）=0=0，说说明明高高于于E EF F几几个个kTkT以以上上的的能能级级都都是是空空的的；而而当当E-EE-EF FkTkT时时，f f（E E）1 1，说说明明低低于于E EF F几几个个kTkT以以下下的的能能级级被被电电子子填填满满。特特别别是是在在绝绝对对零零度度时时，EEEEEEF F的能级全是空的的能级全是空的,E EF F是电子所占据的最高量子态的能量是电子所占据的最高量子态的能量。E EF F反反应应了了半半导导体体中中被被电电子子填填满满了了的的能能级级水水平平，费费米米能能级级的的物物理理意意义义是是，该该能能级级上上的的一个状态被电子占据的几率是一个状态被电子占据的几率是1/2。费米能级是理论上引入的虚构的能级费米能级是理论上引入的虚构的能级 费米狄拉克统计分布规律温度为T（绝对温度）的热平衡态下，半掺杂半导体能带图掺杂半导体能带图N型半导体的费米能级在本征费米能级上面，随着掺杂浓度型半导体的费米能级在本征费米能级上面，随着掺杂浓度ND的增加，的增加，费米能级更加靠近导带底费米能级更加靠近导带底；p型半导体费米能级靠近价带顶型半导体费米能级靠近价带顶 本征半导体的费米能级叫本征费米能级本征半导体的费米能级叫本征费米能级掺杂半导体能带图N型半导体的费米能级在本征费米能级上面，随着1.5 载流子的传输载流子的传输载流子输运类型：漂移、扩散和产生载流子输运类型：漂移、扩散和产生-复合复合载流子的扩散载流子的扩散由于浓度差而产生的，浓度高的向浓度低的方向扩散由于浓度差而产生的，浓度高的向浓度低的方向扩散漂移：带电粒子在外电场作用下的运动漂移：带电粒子在外电场作用下的运动载流子热运动示意图载流子热运动示意图外电场作用下电子的漂移运动外电场作用下电子的漂移运动1.5 载流子的传输载流子输运类型：漂移、扩散和产生-复合载流子的漂移运动载流子的漂移运动无外加电场作用时无外加电场作用时载流子热运动是无规则的，运动速度各向同性，不引起宏观迁移，从而不载流子热运动是无规则的，运动速度各向同性，不引起宏观迁移，从而不会产生电流。会产生电流。外加电场作用时外加电场作用时载流子沿电场方向的速度分量比其它方向大，将会引起载流子的宏观迁移，载流子沿电场方向的速度分量比其它方向大，将会引起载流子的宏观迁移，从而形成电流。从而形成电流。漂移运动：由电场作用而产生的、沿电场力方向的运动（电子和空穴漂移运漂移运动：由电场作用而产生的、沿电场力方向的运动（电子和空穴漂移运动方向相反）。动方向相反）。漂移速度：定向运动的速度。漂移速度：定向运动的速度。漂移电流：载流子的漂移运动所引起的电流。漂移电流：载流子的漂移运动所引起的电流。载流子的漂移运动无外加电场作用时载流子的漂移迁移率（载流子的漂移迁移率（）指载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在指载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在电场作用下运动速度的快慢的量度，运动得越快，迁移率越大；运动得慢，电场作用下运动速度的快慢的量度，运动得越快，迁移率越大；运动得慢，迁移率小。迁移率小。单位是单位是cm2Vs平均自由时间愈长，或者说单位时间内遭受散射的次数愈少，平均自由时间愈长，或者说单位时间内遭受散射的次数愈少，载流子的迁载流子的迁移率愈高；电子和空穴的迁移率是不同的，因为它们的平均自由时间和有移率愈高；电子和空穴的迁移率是不同的，因为它们的平均自由时间和有效质量不同。效质量不同。载流子的漂移迁移率（）指载流子（电子和空穴）在单位电场作用Hall效应效应当有一方向与电流垂直的磁场作用于一有限半导体时，当有一方向与电流垂直的磁场作用于一有限半导体时，则在半导体的两侧产生一横向电势差，其方向同时垂直则在半导体的两侧产生一横向电势差，其方向同时垂直于电流和磁场，这种现象称为半导体的于电流和磁场，这种现象称为半导体的Hall效应。效应。测量测量Hall系数示意图系数示意图Hall效应当有一方向与电流垂直的磁场作用于一有限半导体时，Hall系数系数RH定义定义单位磁场作用下通过单位电流密度所产生的霍单位磁场作用下通过单位电流密度所产生的霍耳电场耳电场RH 与宏观测量值间关系，与宏观测量值间关系，d为半导体厚度为半导体厚度Hall迁移率迁移率RH与电导率与电导率的乘积，即的乘积，即RH，具有迁移率的量纲，具有迁移率的量纲,故特别称为故特别称为Hall迁移率，表示为迁移率，表示为H=RHHall系数RH定义Hall系数的一般表达式系数的一般表达式大多数半导体，大多数半导体，b1对对n型半导体，温度不太高时，型半导体，温度不太高时，np，故，故对对p型半导体，温度不太高时，型半导体，温度不太高时，pn，故，故Hall效应的意义效应的意义：Hall系数有正负之分，且与载流子浓度有关。系数有正负之分，且与载流子浓度有关。通过通过Hall系数的测量，可以确定半导体的导电类型及载流子浓度。系数的测量，可以确定半导体的导电类型及载流子浓度。证实空穴证实空穴以带电载流子方式存在的最令人信服的方法之一以带电载流子方式存在的最令人信服的方法之一RH 与与T有关。有关。Hall系数的一般表达式大多数半导体，b1Hall效应的意1.6 PN结结 平衡平衡PN结结 正偏正偏 反偏反偏 1.6 PN结 平衡PN结 平衡平衡PN结结 空间电荷区空间电荷区 内建电场内建电场 W0=Wp+Wn是空间电荷区的总宽度是空间电荷区的总宽度 qV0EFNEFPV V0 0和和PNPN结两边的掺杂浓度（结两边的掺杂浓度（N ND D，N NA A），），温度（温度（T T），材料（），材料（n ni i）有关。温度）有关。温度T T一一定时，定时，N ND D，N NA A愈大，愈大，V V0 0愈大；材料禁带愈大；材料禁带宽度愈大，宽度愈大，n ni i愈小，愈小，V V0 0也愈大也愈大 平衡平衡PN结特性结特性空间电荷区中性N区中性中性P区区(a)(b)(c)-Wp平衡PN结 空间电荷区 平衡PN结特性空间电荷区中性N区正偏正偏当当P区接电源的正极，区接电源的正极，N区接负时，外加偏压区接负时，外加偏压V基本上降落在势垒区，在势垒基本上降落在势垒区，在势垒区产生外加电场区产生外加电场 PN结的正向电流是由注入的非平衡少子引起的结的正向电流是由注入的非平衡少子引起的空穴穿过空穴穿过P区时是多子电流，经过势垒区进入区时是多子电流，经过势垒区进入N区成为非平衡少子，它边扩散区成为非平衡少子，它边扩散边复合，最后消失。少子被多子复合并非电流的中断，因为与少子复合的多边复合，最后消失。少子被多子复合并非电流的中断，因为与少子复合的多子是从子是从N区过来的多子，它们的复合正好实现了少子电流到多子电流的转换区过来的多子，它们的复合正好实现了少子电流到多子电流的转换-Wp少数载流子的扩散电流总电流多数载流子的扩散电流N区P区正偏当P区接电源的正极，N区接负时，外加偏压V基本上降落在势反偏反偏加加反反偏偏电电压压V V-V-Vr r时时，外外加加电电场场方方向向与与内内建建电电场场方方向向相相同同，增增强强了了势势垒垒区区中中的的电电场场强强度度，势势垒垒区区加加宽宽，势势垒垒高高度度由由qVqV0 0增增加加为为q q（V V0 0+V+Vr r）。势势垒垒区区电电场场的的增增强强，打打破破了了原原有有的的扩扩散散和和漂漂移移运运动动之之间间的的平平衡衡，漂漂移移运运动动超超过过了了扩扩散散运运动动。这这时时N N区区中中空空穴穴一一旦旦到到达达势势垒垒区区边边界界x=Wx=Wn n处处就就要要被被电电场场扫扫向向P P区区，P P区区中中的的电电子一旦到达势垒边界子一旦到达势垒边界x=Wx=Wp p，也要被电场扫向，也要被电场扫向N N区。区。由由于于在在势势垒垒边边界界，少少子子浓浓度度很很小小，若若V Vr r25mv25mvkT/ekT/e，p pn0n0几几乎乎为为0 0，而而势势垒垒区区中中空空穴穴浓浓度度为为平平衡衡载载流流子子浓浓度度。在在势势垒垒区区以以外外的的少少子子要要向向势势垒垒区区扩扩散散，扩扩散散进进来来的的少少子子一一旦旦到到达达势势垒垒区区边边界界，就就被被电电场场扫扫向向对对方方，它它们们构构成成了了PNPN结结的的反反向电流。向电流。反偏加反偏电压V-Vr时，外加电场方向与内建电场方向相同，正偏正偏与反偏与反偏 PN结能带图（a）开路，(b)正偏，(c)反偏，(d)反偏电流I非常小热产生正偏与反偏 PN结能带图（a）开路，(b)正偏，(c)1.7 金属金属半导体接触半导体接触1.7 金属半导体接触上式表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真上式表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小值。空中所需要的最小值。金属中的电子势阱金属中的电子势阱(EF)m 越大越大,金属对电子的束缚越强金属对电子的束缚越强金属功函数金属功函数的定义的定义:真空中静止电子的能量真空中静止电子的能量 E0 与与 金属的金属的 EF 能量之差能量之差上式表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真空半导体功函数半导体功函数的定义的定义:真空中静止电子的能量真空中静止电子的能量 E0 与与 半导体的半导体的 EF 能量之差，能量之差，即即E0ECEFEV电子的亲合能电子的亲合能半导体功函数的定义:真空中静止电子的能量 E0 与 半导体Ev接触前接触前半导体的功函数又写为半导体的功函数又写为Ev接触前半导体的功函数又写为半导体一边的势垒高度半导体一边的势垒高度金属一边的势垒高度金属一边的势垒高度忽略接触间隙忽略接触间隙qVD半导体一边的势垒高度金属一边的势垒高度忽略接触间隙qVD1.半导体表面形成一个正的空间电荷区半导体表面形成一个正的空间电荷区2.电场方向由体内指向表面电场方向由体内指向表面3.半导体表面电子的能量高于体内的，能带向上弯曲，即形成半导体表面电子的能量高于体内的，能带向上弯曲，即形成表面势垒表面势垒当金属与当金属与n型半导体接触型半导体接触在势垒区中，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度要比在势垒区中，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度要比体内小得多，因此它是一个高阻的区域，常称为阻挡层。体内小得多，因此它是一个高阻的区域，常称为阻挡层。半导体表面形成一个正的空间电荷区当金属与n型半导体接触在势垒当金属与当金属与n型半导体接触型半导体接触1.半导体表面形成一个负的空间电荷区半导体表面形成一个负的空间电荷区2.电场方向由表面指向体内电场方向由表面指向体内3.半导体表面电子的能量低于体内的，能带向下弯曲半导体表面电子的能量低于体内的，能带向下弯曲在空间电荷区中，电子浓度要比体内大得多，因此它是一个高电导在空间电荷区中，电子浓度要比体内大得多，因此它是一个高电导的区域，称为反阻挡层。的区域，称为反阻挡层。反阻挡层薄,高电导,对接触电阻影响小EcEvEF-m当金属与n型半导体接触半导体表面形成一个负的空间电荷区在空间隧道效应：隧道效应：重掺杂的半导体与金属接触时，则势垒重掺杂的半导体与金属接触时，则势垒宽度变得很薄，电子通过隧道效应贯穿势垒产生大宽度变得很薄，电子通过隧道效应贯穿势垒产生大隧道电流，甚至超过热电子发射电流而成为电流的隧道电流，甚至超过热电子发射电流而成为电流的主要成分，即可形成接近理想的欧姆接触主要成分，即可形成接近理想的欧姆接触。实际的欧姆接触实际的欧姆接触隧道效应：重掺杂的半导体与金属接触时，则势垒宽度变得很薄，电1.8 MOSFET -场效应理论场效应理论1.8.1 MOS结构1.理想MOS结构（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（3）在氧化层中或氧化层-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（7）MOS电容是一维结构，所有变量仅是x的函数（8）M=S=+(EC-EF)FB金属-氧化物-半导体电容栅背接触或衬底接触0.011.0m1.8 MOSFET 零偏压VG0（以P-Si衬底为例）由分立能带图得到由分立能带图得到MOS能带图包括能带图包括两个步骤；两个步骤；（a）将）将M和和S放到一起相距为放到一起相距为x0，达，达到平衡时，到平衡时，M和和S的费米能级必须持的费米能级必须持平；因假设平；因假设 m=S真空能级也必须对真空能级也必须对准。（在准。（在M-空隙空隙-S系统的任何地方系统的任何地方都没有电荷和电场）都没有电荷和电场）（b)将厚度为将厚度为x0的绝缘体插入的绝缘体插入M与与S之间的空隙。之间的空隙。零偏压VG0（以P-Si衬底为例）由分立能带图得到MOS能 理想p型MOS在不同偏置下的能带图和电荷块图 理想p型MOS在不同偏置下的能带图和电荷块图特殊偏置区域nVG0,(较小负偏置），空穴的浓度在较小负偏置），空穴的浓度在O-S界面附近降低，称界面附近降低，称为空穴被为空穴被“耗尽耗尽”，留下带负电的受主杂质。，留下带负电的受主杂质。n若正偏电压越来越大，半导体表面的能带会越来越弯曲，在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，增加到表面的电子浓度越来越多，增加到ns=NA,VG=VTH时，表面时，表面不再耗尽不再耗尽nVGVTH时时,表面少数载流子浓度超过多数载流子浓度，这种表面少数载流子浓度超过多数载流子浓度，这种情况称为情况称为“反型反型”。特殊偏置区域VGVTH时时,沟道加厚，沟道电阻减少，沟道加厚，沟道电阻减少，在相同在相同VDS的的作用下，作用下，ID将进一步增加将进一步增加开始无导电沟道，开始无导电沟道，当在当在VGS VTH时才形时才形成沟道成沟道,这种类型的管这种类型的管子称为子称为增强型增强型MOS管管1.8.31.8.3 MOSFETMOSFET工作原理的定性分析工作原理的定性分析 VDSID+-+-+-VGVT VGS/VID/mAO（1 1）转移特性曲线）转移特性曲线(假设假设VDS=5V)a.VGS VT 器器件件内内存存在在导导电电沟沟道道，器器件件处处于于导导通通状状态态，有有输输出出电电流流。且且VGS越越大大，沟沟道道导导电电能能力力越越强强，输输出出电流越大电流越大 转移特性曲线转移特性曲线43 N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管的特性曲线场效应管的特性曲线VT VGS/VID/mAO（1）转移特性曲线(假（2 2）输出特性曲线）输出特性曲线(假设假设VGS=5V)输出特性曲线输出特性曲线非非饱饱和和区区饱和区饱和区击击穿穿区区BVDS ID/mAVDS/VOVGS=5VVGS=4VVGS=3V预夹断轨迹预夹断轨迹VDSat 过过渡渡区区线线性性区区(d)(d)VDS:VGDVTBPN+N+VDSVGSGSDLVTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVGD(c)V(c)VDS:VGD=VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVT(a)VDS很小很小VGSBPGN+N+SDVDSVGSVGDVGS ID=IDSat44饱和电流饱和电流IDsat，对应的，对应的VDS称为称为VDSsatVDS=VDSsat的虚线将曲线划分的虚线将曲线划分为亚线性区和饱和区。为亚线性区和饱和区。（2）输出特性曲线(假设VGS=5V)输出特性曲线非饱1.8.4 MOSFET的直流的直流I-V方程方程基本假设：基本假设：漂移电流、缓变沟道近似、长沟近似漂移电流、缓变沟道近似、长沟近似强反型近似强反型近似坐标系坐标系基本定义基本定义沟道中位置沟道中位置y处单位面积下的电荷为处单位面积下的电荷为Qch(y)有效迁移率有效迁移率EF1.8.4 MOSFET的直流I-V方程基本假设：沟道电流的一般表达式沟道电流的一般表达式Vch(y)为沟道相对于源端电压为沟道相对于源端电压沟道电流的一般表达式Vch(y)为沟道相对于源端电压沟道电子电荷的面密度沟道电子电荷的面密度VGS VTH时，时，ID0,Qch0VGS VTH,VDS=0时时,ID0,Qch-Ci(VGS-VTH)VGS VTH,VDS0时时,在在S端，端，Vch=0；在漏端，；在漏端，Vch=VDSQch(y)=-Ci(VGS-VT-Vch(y)且且 VGS-VTVch(y)当当VGS-VTH=Vch(y)，上式不成立，上式不成立 沟道电子电荷的面密度VGS VTH时，ID0,Qch0漏极饱和电流漏极饱和电流继续增大漏极电压继续增大漏极电压VDS，当，当VDS=VGS-VT时，电流首先在漏端时，电流首先在漏端达到饱和，这时的漏电压叫漏极饱和电压达到饱和，这时的漏电压叫漏极饱和电压VDSsat当当VDS VDSsat时，电子具有最大速度时，电子具有最大速度vsat，电荷有最小值，电荷有最小值，电流达到饱和电流电流达到饱和电流IDsat=-WQchminvsat漏极饱和电流继续增大漏极电压VDS，当VDS=VGS-VT时长沟模型、恒定迁移率下的长沟模型、恒定迁移率下的TFT I-V特性特性线性区，线性区，VDSVGS-VTH时时饱和区，饱和区，VDSsat VGS-VTH电流电流-电压方程电压方程长沟模型、恒定迁移率下的TFT I-V特性电流-电压方程作业作业1、仿照、仿照n-Si的导电机制解释的导电机制解释p-Si的导电机制。的导电机制。2、仿照、仿照p-MOS画出理想画出理想n-MOS在不同偏置下的能带在不同偏置下的能带图和对应的电荷块图。图和对应的电荷块图。3、仿照金属与、仿照金属与n型半导体接触，画出金属与型半导体接触，画出金属与p型半导体型半导体接触时的能带图。接触时的能带图。4、给定、给定N沟道沟道增强型增强型MOSFET参数，根据理论模型画参数，根据理论模型画出其出其I-V关系图。关系图。已知：已知：di=0.1mW/L=50 m/5 mVTH=1.42VVDS=010VVGS=010Vr=3.90=8.8510-12 F/m 作业1、仿照n-Si的导电机制解释p-Si的导电机制。已知：作业作业5、试用、试用Hspice产生一电路，使用预设的产生一电路，使用预设的LEVEL 1模型参数（缺省模型参数（缺省值），并产生一漏极特性曲线（输出特性）。其中的扫描条件为值），并产生一漏极特性曲线（输出特性）。其中的扫描条件为VDS=05V、增量为、增量为0.1V，而，而VGS=05V、增量为、增量为1V，VB=0V。作业5、试用Hspice产生一电路，使用预设的LEVEL 1参考文献参考文献半导体器件物理，半导体器件物理，Robert F.Pierret著，电子工业著，电子工业出版社出版社半导体物理学，刘恩科等编著，国防工业出版社半导体物理学，刘恩科等编著，国防工业出版社参考文献半导体器件物理，Robert F.Pierret著，