55. 我們在矽半導體上長一層氧化矽,再鍍上金屬鋁,就成為一個 MOS 結構.若是把矽
的一端接地,金屬鋁一端接正電壓,這時候會有一個向下的電場存在氧化層內,而 p
型矽上的電洞被排斥而往下跑,所以在靠近氧化層的地方,電洞的數目較少,形成
像 pn 接面的空乏區,因為這種情形發生在矽的表面,所以又叫做表面空乏.若是外
加電壓繼續增加,表面電子數就會明顯上升,當它大於電洞數目時,表面型態由 p
型轉變成 n 型,這時被轉換的區域稱為表面反轉層.
MOSFET
我們先來看 MOSFET 的架構
如圖所示,它是在 p 型的
MOS 兩邊形成兩個 n+區,
因此連同 MOS 的兩個端
點,MOSFET 總共有四個端
點.氧化層上的金屬接點稱
56. 紮閘極(Gate),而兩個 n+區
分別是源極(source)和汲極
(drain).
至於它是如何工作的呢?其特性為何呢?以下就分別來討論它.
1,增強式 MOSFET
我們以基體為 p 型的 MOSFET 結構來說明,將基體,源極,汲極都接地,當閘極開始
接正電壓,在靠近閘極氧化層的半導體表面會感應負電荷,正電壓越大,負電荷累
積越多,因此在兩個 n+區之間形成了表面反轉層,也就是通道,因為通道的形成,電
子大量通過形成電流,所以源極和汲極間要有電流產生,完全是靠閘極加正電壓幫
忙,因此這種形態的原件就稱為增強式金氧半場效電晶體.
接著我們來考慮汲極接正電壓的情形,若是閘極加正電壓始的半導體表面形成反
轉層,但是,由於汲極也加一個正電壓,始得落再閘極與汲極間的電壓比落在閘極
與源極間的電壓小,因此反轉層的電子不再均勻的分布,考在靠近汲極的地方電子
數目會較少,或是說通道在汲極附近會變窄.當汲極電壓很小時,通道變化不是很
大,因此通道整個電性就像電阻:汲極電壓和電流呈正比關係,所以這區域又稱線
性區
若是序繼續增加汲極電壓,則 I 和 V 之間的關係不再是線性:當 V 增加到汲極附近
通道寬度為零時,既所謂的夾止點,要是 v 繼續增加,這時夾止點會往源極移動,也
就是靠近汲極的區域不會有反轉層.此時,因為靠近汲極附近沒有反轉層,所以它
57. 的阻值較高,因此所施加的電壓,大部份會落在這個區域,當電子從源極出發到達
夾止點時,會受到這區域的電場作用,掃到射汲極;也就是說,當夾止點出現後,若是
V 再增加,會始通道變短,而增加的 V 主要在幫助到達夾止點的電子通過通道和汲
極間的空隙到達汲極,因此 I 不會隨著 V 的增加而增加,
我們稱電晶體進入飽和區.
2.空乏式 MOSFET
若是在 n+通道場效電晶體的源極和汲極之間先形成一條很窄的 n-通道,這種結構
的電晶體就稱為空乏式 MOSFET.空乏式 MOSFET 電晶體的 Id 和 Vds 的特性曲
線圖,很明顯的,當 Vgs=0 時,Id 並不為零,當 Vgs=-4v,Id 才等於零,也就是起始電
壓為-4v.Id 當 Vds 很小時也是呈線性關係,隨著 Vds 增加,Id 進入飽和狀態,詳細
工作原理和增強式電晶體雷同,這裡不再重複
p-n 接面的特性
當 pn 兩種不同形態半導體接在一起時,因為 p 型中的電洞數目比 n 型中的多,不
均勻的濃度分布使得電洞從 p 型向 n 型區擴散,同理,電子會從 n 型區向 p 型區擴
散,當電洞由 p 型區向 n 型區擴散後, p 型區就留下帶負電的受體離子,而電子從 n
58. 型區向 p 型區擴散後,n 型區就留下帶正電的施體離子,這些擴散的電子和電洞在
接面的地方會復合,因此接面的一邊使剩下帶負電的受體離子,另一邊則為帶正電
的施體離子.因為接面處所留下的正負離子會形成電場,它會阻止電子和電洞繼續
擴散,因此平衡時只有在界面兩側的有限範圍內擁有離子,我們稱這個區域為空間
電荷區或是空乏區(depletion region)
59. p-n 接面形成後, 他們的能帶圖可以
下圖表示﹔由於內建電場的存在, 使
得電子需要 qVo 的能量才能到達 p
型區,同理,電洞亦需要外加能量才能
到達 n 型區.
偏壓下的 p-n 接面特性
1,順向偏壓
當半導體 p 型那一端接電源的正極,n 型那一端接電源的負極,這樣的接法我們稱
pn 接面為順向偏壓(forward bias)當外加順向偏壓時,電場的方向和原本在空乏區
的內建電場方向相反,因此外加電場會抵消內電場,或是說外加的順向電壓 Vf 使
得原來在 pn 接面的位障 Vo 降低到 Vo-Vf,不只如此,空乏區的寬度也會因為外加
順向偏壓而變小,這種情況下電洞就很容易從 p 型區跨過接面注入 n 型區,同樣電
子也會由 n 型區通過接面擴散到 p 型區,這樣的運動,他們(電子和電洞﹚所產生的
電流方向相同,這也就是在順向偏壓時,pn 接面的電流.