第七章MOS场效应晶体管

微电子器件原理第七章MOS场效应晶体管2第七章MOS场效应晶体管§7.1基本结构和工作原理§7.2阈值电压§7.3I-V特性和直流特性曲线§7.4频率特性§7.5功率特性和功率MOSFET结构§7.6开关特性§7.7击穿特性§7.8温度特性§7.9短沟道和窄沟道效应3§7.1MOSFET基本结构和工作原理一、MOSFET的基本结构二、MOSFET的基本工作原理三、MOSFET的分类4一、MOSFET的基本结构N沟道增强型MOSFET结构示意图§7.1MOSFET基本结构和工作原理图7-1n沟MOSFET结构示意图5一、MOSFET的基本结构§7.1MOSFET基本结构和工作原理67一、MOSFET的基本结构§7.1MOSFET基本结构和工作原理8§7.1MOSFET基本结构和工作原理9二、MOSFET的基本工作原理MOSFET的基本工作原理是基于半导体的“表面场效应”当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。当栅极加有电压0＜VGS＜VT时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不足以形成漏极电流ID。§7.1MOSFET基本结构和工作原理图7-2MOSFET的物理模型10二、MOSFET的基本工作原理§7.1MOSFET基本结构和工作原理11二、MOSFET的基本工作原理栅源电压对沟道的影响§7.1MOSFET基本结构和工作原理12二、MOSFET的基本工作原理漏源电压对沟道的影响§7.1MOSFET基本结构和工作原理13三、MOSFET的分类类型n沟MOSFETp沟MOSFET耗尽型增强型耗尽型增强型衬底p型n型S、D区n+区p+区沟道载流子电子空穴VDS00IDS方向由D→S由S→D阈值电压VT0VT0VT0VT0电路符号GBSDGBSDGBSDGBSD§7.1MOSFET基本结构和工作原理14§7.2MOSFET的阈值电压一、MOSFET的阈值电压表达式二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析三、关于强反型状态15§7.2MOSFET的阈值电压一、MOSFET的阈值电压表达式MOSFET的阈值电压VT是栅极下面的半导体表面呈现强反型，从而出现导电沟道时所加的栅源电压。1.MOS结构中的电荷分布2.强反型条件3.理想MOS结构的阈值电压4.实际MOS结构的阈值电压0BnoxGQQQQ图7-5MOS结构强反型时的能带图(a)和电荷分布(b)16§7.2MOSFET的阈值电压一、MOSFET的阈值电压表达式2.强反型条件强反型：是指半导体表面积累的少数载流子的浓度达到和超过体内平衡多子浓度的状态表面势：半导体表面的电势VSkTEEipkTEEisFiiFenpenn)(0)(0)()(psVFisiFpnEEEE时，当qEEFiF体内定义费米势：)(iAFAkTqipnNqkTNenpFln017§7.2MOSFET的阈值电压一、MOSFET的阈值电压表达式2.强反型条件ApsiAFsNpnnNqkTV0ln22时，当半导体表面能带弯曲至表面势等于两倍费米势时，半导体表面呈现强反型状态。kTVqAkTVqpkTVqikTqVpikTqVpsFsFsFssseNepenepnenn)2()2(0)(02018§7.2MOSFET的阈值电压一、MOSFET的阈值电压表达式kTVqAkTVqpkTVqikTqVpikTqVpsFsFsFssseNepenepnenn)2()2(0)(020AkTqipNenpF0图7-6表面电子浓度与表面势的关系19§7.2MOSFET的阈值电压一、MOSFET的阈值电压表达式3.理想MOS结构的阈值电压表面耗尽层反型层载流子的屏蔽作用场感应结理想MOS结构•忽略氧化层中电荷的影响•不计金属-半导体功函数差理想MOS结构的阈值电压0BnoxGQQQQ0maxBGQQ20§7.2MOSFET的阈值电压一、MOSFET的阈值电压表达式3.理想MOS结构的阈值电压soxGVVVFsoxBoxGoxVCQCQV2max强反型时：2102120210maxmax]4[]ln4[]2[FAiAAAAsAdABqNnNNqkTqNqNVqNxqNQFoxBTCQV2maxoxoxoxtC02122§7.2MOSFET的阈值电压一、MOSFET的阈值电压表达式4.实际MOS结构的阈值电压•平带电压VFBoxoxmsFBCQVVFoxBoxoxmsTCQCQVV2maxiDoxdDoxoxmsTpiAoxdAoxoxmsTnnNqkTCxqNCQVVnNqkTCxqNCQVVln2ln2maxmax栅源电压：抵消金-半之间接触电势差补偿氧化层中电荷建立耗尽层电荷（感应结）提供强反型的2倍费米势23§7.2MOSFET的阈值电压二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析1、VDS2、VBS●●●●●●●●●msiABSsAoxoxoxTnVnNqkTVyVVqNCCQVln2]})([2{12101.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差Φms4.衬底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响24§7.2MOSFET的阈值电压二、影响MOSFET阈值电压的因素1.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差Φms4.衬底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响qVsEcEvEiEFVs=2FmsiABSsAoxoxoxTnVnNqkTVyVVqNCCQVln2]})([2{1210EcEvEFpqFqFBSVqyqV)(qVsEFnEi2526§7.2MOSFET的阈值电压二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析1.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差Φms4.衬底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响FoxBoxoxmsTCQCQVV2maxCox为MOS结构栅下氧化层的电容，与介电常数及介质层厚度有关。oxoxoxtC0Cox越大，单位电压的变化引起的电荷变化越大，或阈值电压越小制作薄而致密的优质氧化层，可在一定程度上达到提高Cox的目的选用高介电常数材料，如Si3N4、Al2O3并用SiO2过渡以减少界面态，形成所谓MNOSFET和MAOSFET27§7.2MOSFET的阈值电压二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析1.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差Φms4.衬底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响功函数：某种材料的费米能级与真空中自由电子能级之差修正功函数：在MOS结构中，金属和半导体中费米能级与SiO2导带边缘的能量差电子亲和势：从导带到真空的电势能，对于半导体，在表面处将一个导带底上的电子移到真空中所需做的功，即cE0-Ec真空E0EFMEcEvEFSEiEc(SiO2)En'mmoxc'cs'scsEE0c28§7.2MOSFET的阈值电压二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析1.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差Φms4.衬底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响nFScsoxmmEEE'''')(ccc可见，半导体功函数（修正功函数）与掺杂浓度有关，反映在En或费米势上（费米能级EFS的位置），每2个数量级约0.1V（eV)真空E0EFMEcEvEFSEiEc(SiO2)En'mmoxc'cs'scsEE0c29每2个数量级约0.1V（eV)930金属与半导体的功函数（修正功函数）各不相同，当它们形成MOS结构时，为满足热平衡时费米能级处处相等的要求，将在半导体表面引起能带弯曲31为消除功函数差引起的能带弯曲以使硅中无电场，所需“另加的”栅压就是功函数差（修正功函数差）对应的电压——平带电压（中的Vms)mssmsmGqV''msmsqV1oxoxmsFBsoxFBTCQVVVVVV其中EFMEcEvEFSEi's'mAlSiO2P-SiFqEFMEcEvEFSEi's'mAlSiO2P-SiFqEg/2'cms32oxoxmsFBsoxFBTCQVVVVVV其中符号问题0''mssmsmGqVmsmsqV10GV对应的例子：Al-p-Si(NA=1014cm-3)MOS结构VVVVVeVeVeVFBGmssmsm72.072.072.092.32.3接触后，金属电位高于半导体，相当于正电压作用，使表面能带向下弯曲。欲使之平直，需在金属侧加一负压在n沟MOSFET中在正的阈值电压中减去Vms，相当于正的Vms已使能带下弯，再加上一点正压使表面势达到2倍费米势即可。同样，Qox0，则也应减去相应电压3334§7.2MOSFET的阈值电压二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析1.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差Φms4.衬底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响NA(ND)通过费米势（以及功函数）影响VTFoxBoxoxmsTCQCQVV2maxiDFniAFpnNqkTnNqkTlnln每2个数量级约0.1V(eV)影响不大真空E0EFMEcEvEFSEiEc(SiO2)En'mmoxc'cs'scsEE0c35§7.2MOSFET的阈值电压二、影响MOSFET阈值电压的诸因素分析1.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差Φms4.衬底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响NA(ND)通过场感应结耗尽层空间电荷影响VTFoxBoxoxmsTCQCQVV2max210maxmax]2[sAdABVqNxqNQoxACNFqF;20设体效应系数msiABSFoxoxTnVnNqkTVyVCQVln2])(2[2136msiABSFAoxoxoxTnVnNqkTVyVqNCCQVln2]})(2[2{1210衬底杂质浓度越大，其变化对VT的影响越大，是因为杂质浓度越大，越不易达到表面强反型图7-10衬底杂质浓度对阈值电压的影响37衬底反偏VBS通过NA(ND)影响QBmax，从而改变VTmsiABSFAoxoxoxTnVnNqkTVyVqNCCQVln2]})(2[2{1210即不同的NA下，VBS对VT的影响也不同]1)22[()]2(2[1)]2(2[121max210210FBSFoxBFAoxBSFAoxTVCQqNCVqNCV向负方向漂移（更负）增大，即随对于向正方向漂移（更正）增大，即随对于TpBSTpBTnBSTnBVVVQVVVQ,0,0MOS,沟p,0,0MOS,沟nmaxmax越大下，）越大，同样（增大；且增大，总之，TBSDATBSVVNNVV38越大下，同样）越大，（且增大；增大，总之，TBSDATBSVVNNVV1.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差Φms4.衬底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响图7-11衬底偏置电压所产生的阈值电压漂移随衬底浓度的变化391.偏置电压的影响2.栅电容Cox3.功函数差Φms4.衬底杂质浓度的影响5.氧化膜中电荷的影响iAFnNqkTlnimgmsnNqkTEqVln])2[(1''c210maxmax]2[sdBVqNxqNQ衬底杂质浓度N可以通过φF、Vms及QBmax影响VT，其中影响最大者为QBmax，故现代MOS工艺中