您好,欢迎访问三七文档
当前位置:首页 > 电子/通信 > 综合/其它 > 复旦课件-半导体器件-L03-MOSFET的基本特性
1/121半导体器件原理主讲人:蒋玉龙本部微电子学楼312室,65643768Email:yljiang@fudan.edu.cn第三章MOSFET的基本特性3.1MOSFET的结构和工作原理3.2MOSFET的阈值电压3.3MOSFET的直流特性3.4MOSFET的频率特性3.5MOSFET的开关特性3.6MOSFET的功率特性3/1213.1.1MOSFET简介3.1MOSFET的结构和工作原理1Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistor4/1213.1.1MOSFET简介MOSFETvsBJTMOSFETBJT电场调节作用(EID)少子注入扩散收集多子作用(多子器件)少子作用(少子器件)一种载流子(单极)两种载流子(双极)输入阻抗高(MOS绝缘体109)输入阻抗低(pn结正偏,共射~k)电压控制器件电流控制器件噪声低,抗辐射能力强~少子~Nit工艺要求高(~Qss)工艺要求低频率范围小,功耗低高频,大功率集成度高集成度低3.1MOSFET的结构和工作原理25/1213.1.1MOSFET简介晶体管发展史1o提出FET的概念J.E.Lilienfeld(1930专利)O.Heil(1939专利)2oFET实验研究W.Shockley(二战后)3oPoint-contacttransistor发明J.BardeenW.H.Brattain(1947)4o实验室原理型JFET研制成功Schockley(1953)5o实用型JFET出现(1960)6oMOSFET出现(1960)7oMESFET出现(1966)3.1MOSFET的结构和工作原理36/1213.1.2MOSFET的结构3.1MOSFET的结构和工作原理47/1213.1.3MOSFET的基本工作原理ID当VGVT时ID:0B3.1MOSFET的结构和工作原理58/1213.1.4MOSFET的分类和符号NMOSPMOS增强型耗尽型增强型耗尽型衬底pnS/Dn+p+载流子电子空穴VDS+IDSDSSD载流子运动方向SDSDVT++符号GDBSGDBSGDBSGDBS3.1MOSFET的结构和工作原理69/1213.1.5MOSFET的输出特性和转移特性1.输出特性线性区饱和区击穿区IDS~VDS(VGS为参量)NMOS(增强型)输入G输出SSD3.1MOSFET的结构和工作原理710/1213.1.5MOSFET的输出特性和转移特性1.输出特性3.1MOSFET的结构和工作原理8NMOS(增强型)NMOS(耗尽型)PMOS(增强型)PMOS(耗尽型)11/1213.1.5MOSFET的输出特性和转移特性2.转移特性3.1MOSFET的结构和工作原理9IDSS~VGS(VDS为参量)NMOS(增强型)输入G输出SSD12/1213.1.5MOSFET的输出特性和转移特性2.转移特性3.1MOSFET的结构和工作原理10NMOS(增强型)NMOS(耗尽型)PMOS(增强型)PMOS(耗尽型)13/121第三章MOSFET的基本特性3.1MOSFET的结构和工作原理3.2MOSFET的阈值电压3.3MOSFET的直流特性3.4MOSFET的频率特性3.5MOSFET的开关特性3.6MOSFET的功率特性14/1213.2.1半导体的表面状态3.2MOSFET的阈值电压1VG=?15/1213.2.2阈值电压的表达式3.2MOSFET的阈值电压2不考虑msQssQox时oxABoxBBTCdqNVCdQVVmaxmax2)(22/1ln41ln2iAsAoxiAnNkTNCnNqkT考虑msQssQox时VFB0oxABFBoxBBFBTCdqNVVCdQVVVmaxmax2)(2oxtoxoxoxssmsFBdxxtxCCQV0)(1其中功函数差mssmmsqVWWq接触电势差16/1213.2.2阈值电压的表达式3.2MOSFET的阈值电压3n沟MOS(NMOS)iAoxAoxssmsTnnNqkTCdqNCQVln2maxiDoxDoxssmsTpnNqkTCdqNCQVln2maxp沟MOS(PMOS)17/1213.2.3影响VT的因素3.2MOSFET的阈值电压41.功函数差ms的影响金属MgAlNiCuAuAgn+-polyp+-polyWm(eV)3.354.14.554.75.05.14.055.15(1)金属功函数Wm(2)半导体功函数WsBgssqVEW2=iAgsnNkTEln2iDgsnNkTEln2p型n沟MOSn型p沟MOSn-Sip-SiND(cm3)101410151016NA(cm3)101410151016Ws(eV)4.324.264.204.824.884.9418/1213.2.3影响VT的因素3.2MOSFET的阈值电压51.功函数差ms的影响(3)Al栅工艺/硅栅工艺自对准多晶硅栅工艺Self-aligned(P-Si)19/1213.2.3影响VT的因素3.2MOSFET的阈值电压51.功函数差ms的影响N-MOSFET多晶硅栅MOSFET20/1213.2.3影响VT的因素3.2MOSFET的阈值电压61.功函数差ms的影响P-MOSFET多晶硅栅MOSFET21/1213.2.3影响VT的因素3.2MOSFET的阈值电压72.衬底杂质浓度NB的影响iBBnNqkTVlnNB增加2个数量级,VB增加0.12VVB/VVTnNMOSVT/V22/1213.2.3影响VT的因素3.2MOSFET的阈值电压83.界面固定电荷QSS的影响n沟MOS(NMOS)iAoxAoxssmsTnnNqkTCdqNCQVln2maxiDoxDoxssmsTpnNqkTCdqNCQVln2maxp沟MOS(PMOS)ND/cm-3NMOSPMOS23/1213.2.3影响VT的因素3.2MOSFET的阈值电压94.离子注入调整VT增强型耗尽型)()()()(maxmax0'maxmaxdQdQdxxNNqdQBBdAAtotalBImdABqNdxxqNdQmax0'max)()(oxImoxBTCqNCQViAoxAoxssmsTnnNqkTCdqNCQVln2maxP-SiRpdmax24/1213.2.3影响VT的因素3.2MOSFET的阈值电压104.离子注入调整VT离子注入调整VT应用1o调整MOSFET的VT注硼使NMOS成为增强型使PMOS|VT|降低2o沟道阻断注入(Channel-stopimplant)iAoxAoxssmsTnnNqkTCdqNCQVln2maxiDoxDoxssmsTpnNqkTCdqNCQVln2max25/1213.2.3影响VT的因素3.2MOSFET的阈值电压115.MOS栅电极的发展历史BoronpenetrationinPMOSFETAl栅PMOSn+-polyPMOSn+-polyNMOSn+-polyCMOS(buriedchannelPMOS)dual-polyCMOSpoly-SiGegateelectrodemetalgate26/1213.2.3影响VT的因素3.2MOSFET的阈值电压126.衬底偏置效应(衬偏效应,Bodyeffect)(1)衬偏效应的来源T2+VDDT1+0.5VVBS+VDDT2VBS+VDDT2VBS27/1213.2.3影响VT的因素3.2MOSFET的阈值电压136.衬底偏置效应(衬偏效应,Bodyeffect)(2)MOSFET的VTECEVECEVECEVEVEC2qVBVGS=VT,VBS=0ECEVECEVVGS=VFB,VBS=0VGS=VFB,VBS0ECEVEVECq(2VB+|VBS|)VGS=VT(VBS),VBS0q|VBS|n+n+p-Si|VBS|0VGSq|VBS|q(2VB+|VBS|)28/1213.2.3影响VT的因素3.2MOSFET的阈值电压146.衬底偏置效应(衬偏效应,Bodyeffect)(2)MOSFET的VT29/1213.2.3影响VT的因素3.2MOSFET的阈值电压156.衬底偏置效应(衬偏效应,Bodyeffect)q|VBS|VGS=VT(VBS),VBS0VGS=VT,VBS=0(2)MOSFET的VT30/1213.2.3影响VT的因素3.2MOSFET的阈值电压166.衬底偏置效应(衬偏效应,Bodyeffect)BoxBSAoxssmsVCVdqNCQ2)(max(3)VT(VBS)maxmax)(dqNdQABVBS=0时VBS0时BSBsVVV22/1max22)(ABSBsBSNVVqVdBSBSBoxBSAoxssmsBSGSBSTnVVVCVdqNCQVVVV2)(maxBABSBsoxAoxssmsVNVVqCqNCQ2222/1BBSBoxAsBSTnBSTnTnVVVCqNVVVVV2220BBSBoxDsBSTpBSTpTpVVVCqNVVVVV222031/1213.2.3影响VT的因素6.衬底偏置效应(衬偏效应,Bodyeffect)(3)VT(VBS)3.2MOSFET的阈值电压17BBSBoxAsTnVVVCqNV222衬偏系数2/122kTNqtLtaAsoxoxDoxoxs32/1213.2.3影响VT的因素6.衬底偏置效应(衬偏效应,Bodyeffect)(3)VT(VBS)3.2MOSFET的阈值电压18衬偏效应下的转移特性33/121第三章MOSFET的基本特性3.1MOSFET的结构和工作原理3.2MOSFET的阈值电压3.3MOSFET的直流特性3.4MOSFET的频率特性3.5MOSFET的开关特性3.6MOSFET的功率特性34/1213.3.1MOSFET非平衡时的能带图3.3MOSFET的直流特性135/121qV(y)VGS=VFB,VDS=0VGS=VT,VDS=0VGS=VT,VDS0qVBEFqVBqVBEFEFnFSEpFSEpFEqV(y)EiSEiBEiSEiBEiBEiSVGS=VFB,VDS=0VGS=VT,VDS=0立体图3.3.1MOSFET非平衡时的能带图3.3MOSFET的直流特性2正面侧面36/1213.3.1MOSFET非平衡时的能带图3.3MOSFET的直流特性337/1213.3MOSFET的直流特性43.3.1MOSFET非平衡时的能带图38/1213.3MOSFET的直流特性53.3.1MOSFET非平衡时的能带图MOSFET静电势图39/1213.3MOSFET的直流特性53.3.1MOSFET非平衡时的能带图MOSFET静电势图40/1213.3MOSFET的直流特性63.3.2IDS~VDS的关系假设:1o源区和漏区的电压降可以忽略不计;2o在沟道区不存在产生-复合电流;3o沟道电流为漂移电流;4o沟道内载流子的迁移率为常数n(E)=C;5o沟道与衬底间(pn结)的反向饱和电流为零;6o缓变沟道近似(GradualChannelApproximation)yyxExyxEyx),(),(n+n+p-SiSGDxy41/1213.3MOSFET的直流
本文标题:复旦课件-半导体器件-L03-MOSFET的基本特性
链接地址:https://www.777doc.com/doc-1389363 .html