半导体器件物理课件七

广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理MOS场效应晶体管４.1MOSFET的结构、工作原理和输出特性４.2MOSFET的阈值电压４.3MOSFET的直流电流－电压特性４.4MOS电容及MOS场效应晶体管瞬态电路模型４.5MOS场效应管的交流小信号参数和频率特性４.6MOS场效应晶体管的开关特性４.7MOS场效应晶体管的二级效应广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理●——本章重点MOSFET的结构、种类和特点MOSFET的直流特性和阈值电压调整MOSFET的交流响应广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理双极型晶体管和场效应晶体管的区别双极型晶体管：由一个PN结注入非平衡少数载流子，并由另一个PN结收集而工作的。在这类晶体管中，参加导电的不仅有少数载流子，也有多数载流子，故称为双极型晶体管。场效应晶体管（FET）：利用改变垂直于导电沟道的电场强度来控制沟道的导电能力而工作的。在场效应晶体管中，工作电流是由半导体中的多数载流子所输运的，因此也称为单极型晶体管。广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理４.1MOSFET的结构和分类漏－源区，栅氧化层，金属栅电极等组成用N型半导体材料做衬底用P型半导体材料做衬底由N型衬底制成的管子，其漏－源区是P型的，称为P沟MOS场效应管；由P型材料制成的管子，其漏－源区是N型的，称为N沟MOS场效应管。广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理N沟和P沟MOS管广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理在工作时，源与漏之间接电源电压。通常源极接地，漏极接负电源。在栅极和源之间加一个负电压，它将使MOS结构中半导体表面形成负电的表面势，从而使由于硅－二氧化硅界面正电荷引起的半导体能带下弯的程度减小。当栅极负电压加到一定大小时，表面能带会变成向上弯曲，半导体表面耗尽并逐步变成反型。当栅极电压达到VT时，半导体表面发生强反型，这时P型沟道就形成了。空穴能在漏－源电压VDS的作用下，在沟道中输运。VT称为场效应管的开启电压。显然，P沟MOS管的VT是负值。由前面的讨论可知，形成沟道的条件为FSqq2FSqq2广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理表面强反型即沟道形成时，在表面处空穴的浓度与体内电子的浓度相等。开启电压是表征MOS场效应管性能的一个重要参数，以后内容中还将做详细介绍。另外，还可以指出，当栅极电压变化时，沟道的导电能力会发生变化，从而引起通过漏和源之间电流的变化，在负载电阻RL上产生电压变化，这样就可以实现电压放大作用。广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理场效应晶体管的分类第一类：表面场效应管，通常采取绝缘栅的形式，称为绝缘栅场效应管（IGFET）。若用二氧化硅作为半导体衬底与金属栅之间的绝缘层，即构成“金属－氧化物－半导体”（MOS）场效应晶体管，它是绝缘栅场效应管中最重要的一种；第二类：结型场效应管（JFET），它就是用P-N结势垒电场来控制导电能力的一种体内场效应晶体管；第三类：薄膜场效应晶体管（TFT），它的结构与原理和绝缘栅场效应晶体管相似，其差别是所用的材料及工艺不同，TFT采用真空蒸发工艺先后将半导体-绝缘体-金属蒸发在绝缘衬底上而构成。广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理MOSFET相比双极型晶体管的优点（1）输入阻抗高：双极型晶体管输入阻抗约为几千欧，而场效应晶体管的输入阻抗可以达到109～1015欧；（2）噪声系数小：因为MOSFET是依靠多数载流子输运电流的，所以不存在双极型晶体管中的散粒噪声和配分噪声；（3）功耗小：可用于制造高集成密度的半导体集成电路；（4）温度稳定性好：因为它是多子器件，其电学参数不易随温度而变化。（5）抗辐射能力强：双极型晶体管受辐射后β下降，这是由于非平衡少子寿命降低，而场效应晶体管的特性与载流子寿命关系不大，因此抗辐射性能较好。广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理MOSFET相比双极型晶体管的缺点工艺洁净要求较高；场效应管的速度比双极型晶体管的速度来得低。广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理MOSFET的四种类型P沟耗尽型：栅压为零时，沟道已存在，加上一个正的栅压可以使P型沟道消失。P沟增强型：栅压为零时，沟道不存在，加上一个负的栅压才能形成P型沟道。N沟增强型：栅压为零时，沟道不存在，加上一个正的栅压才能形成N型沟道。N沟耗尽型：栅压为零时，沟道已存在，加上一个负的栅压才能使N型沟道消失。广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理如果在同一N型衬底上同时制造P沟MOS管和N沟MOS管，（N沟MOS管制作在P阱内），这就构成CMOS。广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理MOSFET的特征1．双边对称在电学性质上源和漏是可以相互交换的。与双极型晶体管相比，显然有很大不同，对于双极型晶体管，如果交换发射极与集电极，晶体管的增益将明显下降。2．单极性在MOS晶体管中参与导电的只是一种类型的载流子，这与双极型晶体管相比也显著不同。在双极型晶体管中，显然一种类型的载流子在导电中起着主要作用，但与此同时，另一种载流子在导电中也起着重要作用。广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理3．高输入阻抗由于栅氧化层的影响，在栅和其他端点之间不存在直流通道，因此输入阻抗非常高，而且主要是电容性的。通常，MOSFET的直流输入阻抗可以大于1014欧。4．电压控制MOSFET是一种电压控制器件。而且是一种输入功率非常低的器件。一个MOS晶体管可以驱动许多与它相似的MOS晶体管；也就是说，它有较高的扇出能力。5．自隔离由MOS晶体管构成的集成电路可以达到很高的集成密度，因为MOS晶体管之间能自动隔离。一个MOS晶体管的漏，由于背靠背二极管的作用，自然地与其他晶体管的漏或源隔离。这样就省掉了双极型工艺中的既深又宽的隔离扩散。广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理4.2MOSFET的域值电压广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理真空能级mfqsfq金属型半导体Pd氧化层FEFEVEiECE2/gEBqcq图5.2V=0时理想MOS二极管的能带图广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理4.2.5阈值电压VT的控制和调整在MOS集成电路的制造中，控制好阈值电压VT的值是很重要的。例如，要制造N沟道增强型MOS管，它的VT应为正值，并要求达到一定的值。由于Qss及ΦMS的影响，如果控制不当，VT可能出现负值，变成耗尽型了。通常要求衬底受主杂质浓度大于1015cm-3。如果由于太大，或硼的分凝作用使受主杂质浓度不能达到产生正的VT值的要求，MOS管将变“耗”。为了避免使N沟道增强型MOS管变“耗”，必须控制氧化层中正电荷密度Qss不能太大，或采用衬底反偏电压来提高VT值（背偏置效应），后者利用电学调整方法将增加麻烦。广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理为了调整阈值电压，在半导体近表面处注入精确控制的相对较少的硼或磷离子，硼注入会导致阈值电压正漂移，磷注入会导致阈值电压负漂移，其作用类同于引入了附加的固定电荷，从而改变VT。N沟道增强型MOS管中注入硼，更是为得到VT值处于所需的正值的一种常用方法。也可以通过改变氧化层厚度来控制VT，随着氧化层厚度的增加，N沟道MOSFET的阈值电压变得更大些，而P沟道MOSFET的阈值电压将变得更小些。相当厚的场氧化层被用来制造集成电路中，防止由于氧化层上布线而造成下面形成导电沟道的一种隔离方法。选择适当的栅极材料来调整功函数差是另一种控制VT的方法，前面提到用多晶硅之外，一些如钨（W）,氮化钛(TiN)等材料被推荐采用。调整和控制阈值电压的方法广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理【例4-2】如例题4-1中，问需要多少的硼离子剂量，就能使VT增加至0.6伏？假设注入的受主在氧化层-硅界面形成一薄电荷层。解：由4-1例题得：VT＝－0.04V硼离子造成平带电压漂移类同于固定电荷，其量为qFB/Cox，因此0.6＝－0.04＋qFB/6.9×10-7FB＝(0.64×6.9×10-7)/1.6×10-19＝2.76×1012cm-2广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理4.3MOSFET的直流电流-电压特性为了方便起见，先作以下几个假定：（1）漏区和源区的电压降可以忽略不计；（2）在沟道区不存在复合－产生电流；（3）沿沟道的扩散电流比由电场产生的漂移电流小得多；（4）在沟道内载流子的迁移率为常数；（5）沟道与衬底间的反向饱和电流为零；（6）缓变沟道近似成立，即跨过氧化层的垂直于沟道方向的电场分量与沟道中沿载流子运动方向的电场分量无关。广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理把代入上式，得广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理将代入(4-51)式两边积分广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理线性工作区的伏安特性以N沟道增强型为例：设沟道长度为L，宽度为W，厚度为d，厚度从源到漏略有变化。则线性工作区的直流特性方程可表示为221DSDSTGSDSVVVVILWCnOX增益因子当VDS很小时，IDS与VDS成线性关系。VDS稍大时，IDS上升变慢，特性曲线弯曲，如图所示。广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理饱和工作区的伏安特性当漏-源电压增加到使漏端的沟道夹断时，IDS将趋于不变。其作用像一个电流源，管子将进入饱和工作区。使管子进入饱和工作区所加的漏-源电压为VDsat，它由下式决定：TGSDsatVVV将上式代入式（4-54），可得到饱和工作区的漏-源电流（漏-源饱和电流）221TGSDSSVVI广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理严格来讲，饱和工作区的电流不是一成不变的。因为这时实际的有效沟道长度减小了。当VDS增大时，由于沟道长度减小，IDSS将随之增加。漏－源饱和电流随沟道长度的减小而增大的效应称为沟道长度调变效应。这个效应会使MOS管的输出特性明显发生倾斜，导致它的输出阻抗降低。沟道长度调变效应广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理广东工业大学半导体器件物理第四章MOS场效应晶体管半导体器件物理击穿区当漏－源电压VDS继续增大时，会出现漏－源电流突然增大的情况，这时器件