20-阈值电压

第六章MOS场效应晶体管半导体器件物理沟道电导与阈值电压实际MOS的C-V特性Lecture20：§6.3-6.41、阈值电压(Thresholdvoltage)2、沟道电导(Channelconductance)3、实际MOS的C-V特性（1）影响C-V特性的因素①功函数的影响(Workfunction)②界面陷阱和氧化物电荷的影响（2）实际MOS阈值电压（3）实际MOS的C-V特性第六章MOS场效应晶体管半导体器件物理反型层在漏源之间的导电通道，称为沟道。由于沿着垂直沟道方向上电子浓度不同，电导率不同。平均电导率表示为：一、沟道电导I0Id)(1xxxxnI)()(xqnx沟道宽度I0nIId)(1xxxqnxIInxQI0IId)(xxxqnQ感应的沟道电子电荷第六章MOS场效应晶体管半导体器件物理I0InId)(xxxnqLZgI0IId)(xQxxqnInIIQLZLZxg沟道电导为：)(THG0Si0BG0IVVCCQVCQ)(THG0nIVVCLZg沟道电导为：第六章MOS场效应晶体管半导体器件物理MOSFET阈值电压VTH是金属栅下面的半导体表面出现强反型、从而出现导电沟道时所需加的栅源电压。由于刚出现强反型时，表面沟道中的导电电子很少，反型层的导电能力较弱，因此，漏电流也比较小。在实际应用中往往规定漏电流达到某一值(如50μA)时的栅源电压为阈值电压。从使用角度讲，希望阈值电压VTH小一些好。阈值电压是决定MOSFET能否导通的临界栅源电压，因此，它是MOSFET的非常重要参数。二、阈值电压第六章MOS场效应晶体管半导体器件物理VGVTH，才出现负的感应沟道电荷QI，则有阈值电压：或：强反型时的表面势强反型时所需要的电压：S0sS0GCQVVBISSiS,QQQSi0B0IGCQCQV)()(THG0Si0BG0IVVCCQVCQSi0BTHCQVfSi2第六章MOS场效应晶体管半导体器件物理三、实际MOS的C-V特性和阈值电压1、功函数的影响对于铝的功函数比P型硅的小（前者的费米能级比后者的高）构成MOS系统，当达到热平衡时，系统的费米能级为常数；功函数差的存在使面对二氧化硅一侧的硅表面形成空间电荷区。空间电荷区中能带将向下弯曲；这意味着当MOS系统没有外加偏压时，半导体表面就存在着表面势，且0。因此，欲使能带平直，即除去功函数差所带来的影响，就必须在金属电极上加一负电压。第六章MOS场效应晶体管半导体器件物理由于金属-半导体功函数差导致空间电荷区能带向下弯曲铝的相对于SiO2修正功函数硅的相对于SiO2修正功函数MOS系统中，应考虑从金属和半导体中的费米能级到SiO2的导带边缘的修正功函数第六章MOS场效应晶体管半导体器件物理使能带平直，需在金属电极上加一负电压：)P-SiO-Al0,()(Si2mssmmsSFpFM系统对于qqqqEEsmmsG1VqEEV)(FpFMG1表面势0能带将向下弯曲功函数电势差定义为金属与半导体的smms第六章MOS场效应晶体管半导体器件物理根据上图，可得硅的修正功函数：V)8.3(21.125.3ffs修正亲和势实验值：Eg＝1.1eV)(smG1qVG1qV图6-11Al-SiO2-Si结构的能带图eV25.3第六章MOS场效应晶体管半导体器件物理由于接触电势差的出现，使得平带状况所对应的外加偏压VG=0改变为VG=VG1。外加偏压VG的一部分VG1用于使能带平直，另一部分VG-VG1起到理想MOS系统的作用。实际系统的电容C作为VG-VG1的函数，与理想MOS系统的电容C作为VG的函数，在形式上是一样的。第六章MOS场效应晶体管半导体器件物理2、界面陷阱和氧化物电荷的影响图6-12热氧化形成的Si-SiO2系统中的各类电荷热平衡时MOS系统，还受到氧化层电荷和Si-SiO2界面陷阱的影响第六章MOS场效应晶体管半导体器件物理界面陷阱电荷Qit，归功于Si-SiO2界面性质，并取决于界面的化学成分；1.在Si-SiO2界面上的陷阱，其能级位于硅禁带之内。2.界面态密度(单位面积陷阱数)和晶面取向有关。在(100)面界面态密度比(111)面的约少一个数量级，对于硅(100)面，Qit很低，约1010cm-2，即大约105个表面原子才有一个界面陷阱电荷，对于硅(111)面，Qit约为1011cm-2。①界面陷阱电荷Qit（1）影响阈值电压的电荷因素第六章MOS场效应晶体管半导体器件物理氧比物固定电荷Qf位于Si-SiO2界面约3nm的范围内，这些电荷是固定的，在表面势大幅度变化时，它们不能充放电。Qf通常是正的，并和氧化、退火条件以及Si的晶面取向有关，经过仔细处理的Si-SiO2系统，(100)面的氧化层固定电荷密度的典型值为1010cm-2，(111)面的为5×1010cm-2。因为(100)面的Qit和Qf较低，故硅MOSFET一般采用(100)晶面②氧化物固定电荷Qf第六章MOS场效应晶体管半导体器件物理氧比物陷阱电荷Qot和二氧化硅缺陷有关。这些陷阱分布在二氧比硅层内；和工艺过程有关Qot大都可以通过低温退火来消除。③氧化物陷阱电荷Qot第六章MOS场效应晶体管半导体器件物理可动离子电荷Qm(诸如钠离子和其他碱金属离子)在高温和高压下工作时，它们能在氧化层内移动；半导体器件在高偏置电压和高温条件下工作时的可靠性问题可能和微量的碱金属离子沾污有关。在高偏置电压和高温条件下，可动离子随着偏置条件的不同可以在氧化层内来回移动，引起C-V曲线沿电压轴移动。因此，在器件制造过程中要特别注意可动离子沾污问题。④可动离子电荷Qm第六章MOS场效应晶体管半导体器件物理（2）电荷对平带电压的影响设单位面积上有正电荷Q0位于x处的一薄层内。这些正电荷会在正金属表面上感应一部分负电荷QM，在半导体表面感应出一部分负电荷QS，并且QM+QS=Q0；由于QS的出现，在没有外加偏正VG的情况下，半导体表面内也将出现空间电荷区，能带发生弯曲，半导体表面带有正的表面势。S第六章MOS场效应晶体管半导体器件物理显然，有：单位面积的总氧化层电容为克服该表面势，可以在金属电极上加一负电压VG2，使得金属上负的面电荷QM增加到与绝缘层中的正电荷Q0数值相等，这样使氧化层的正电荷发出电力全部终止到金属电极上而对半导体表面不发生影响。这时半导体表面恢复到平带情况(不考虑功函数差的影响)。即：xC0CQV0G200000G2xxCQxQV第六章MOS场效应晶体管半导体器件物理图6-13氧化层内薄层电荷的影响绝缘层中正电荷对平带电压的影响与它们的位置有关。它们离金属电极越近，对平带电压的影响越小。如果正电荷在金属与绝缘层界面附近，则对平带电压的影响可忽略不计。VG2第六章MOS场效应晶体管半导体器件物理图6-13氧化层内薄层电荷的影响第六章MOS场效应晶体管半导体器件物理如果氧化层中正电荷连续分布，电荷体密度为ρ(x)，则有：式中：有效面电荷，依赖于其在绝缘层中的分布情况单位面积的电荷0os000G20d)(1CQxxxxCVxxxxxCVd)(1d00G2000osd)(xxxxxQ00000G2xxCQxQV(6-4-5)(6-4-4)(6-4-6)CQV0G2第六章MOS场效应晶体管半导体器件物理同理，如果已知氧化层内陷阱电荷的体密度ρot(x)和可动离子电荷体密度ρm(x)，则可以得到Qot和Qm，以及它们各自对平带电压的影响：把上述四种电荷称为氧化层电荷，记为Q0，在大多数情况，在Si-SiO2界面上由表面态引起的电荷占优势。000m0m0ot0otd)(d)(xxxxxxQxxxxQ(6-4-8)(6-4-8)第六章MOS场效应晶体管半导体器件物理取x=x03、实际阈值电压VTH实际阈值电压00000G2xxCQxQV00G2CQVsmmsG1VSi0BTHCQV00msG2G1FBCQVVVSi0B00msSi0BFBTHCQCQCQVV四种电荷称为氧化层电荷，记为Q0。第六章MOS场效应晶体管半导体器件物理实际阈值电压影响因素：①为消除半导体与金属感函数差的影响；金属电极相对于半导体所需要外加的电压；②为了把绝缘层中正电荷发出的电力线全部吸引到金属电极一侧所需要外加的电压；③半导体表面开始出现强反型时，半导体空间电荷区中电荷QB与金属电极的相应电荷在绝缘层上所产生的电压降。即支撑出现强反型所需要体电荷QB的外加电压；④开始出现强反型时，半导体表面所需要的表面势，即跨接在空间电荷区上的电压降。Si0B00msSi0BFBTHCQCQCQVV第六章MOS场效应晶体管半导体器件物理4、实际MOS电容的C-V特性曲线出现平带状态，由原来的理想MOS电容的VG=0，改变为：VG=VFB。一般情况下，VG的一部分VFB用来使能带平直，剩下一部分VG–VFB起到理想MOS电容系统的作用。因此，C-V特性曲线整个平移一段距离VFB。由于VFB0，所以C-V特性曲线向左移动。第六章MOS场效应晶体管半导体器件物理由于界面陷阱电荷作用曲线（c）变形