第十章MOSFET基础(1)(MOS结构-CV特性)介绍

2015年11月1第十章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础10.1双端ＭＯＳ结构10.2电容－电压特性10.3ＭＯＳＦＥＴ基本工作原理10.4频率限制特性10.5ＣＭＯＳ技术11.6小结第十章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础本章概述MOSFET和其他电路元件结合能够产生电压增益和信号功率增益；因MOSFET尺寸小，因而被广应用于数字电路，MOSFET是当今集成电路设计的核心；MOS是指金属(metal)—二氧化硅(SiO2)—硅(Si)系统，更一般术语是金属—绝缘体—半导体(MIS)，绝缘体不一定是SiO2，半导体不一定是Si；MOSFET的核心是MOS电容的金属-氧化物—半导体结构。10.1双端MOS结构10.1.1能带图10.1.2耗尽层厚度10.1.3功函数差10.1.4平带电压10.1.5阈值电压10.1.6电荷分布410.1MOS电容MOS电容结构氧化层厚度氧化层介电常数Al或高掺杂的多晶Sin型Si或p型SiSiO25实际的铝线-氧化层-半导体（M:约10000AO:250AS:约0.5~1mm）610.1MOS电容表面能带图:p型衬底(1)负栅压情形导带底能级禁带中心能级费米能级价带顶能级FSvFSvEEEE7负电荷出现在金属板上，因而产生了指向金属板的电场，电场将半导体中的多子空穴推向氧化物半导体表面。价带边缘更接近费米能级10.1MOS电容表面能带图:p型衬底(2)(反型层+耗尽层)dTXFSvFSFiEEEEFSvFSFiEEEE8小的正栅压情形大的正栅压情形半导体中多子空穴被电场推离氧化物-半导体界面(耗尽层)表面的本征费米能级低于费米能级，导带比价带更接近费米能级，半导体表面出现电子反型层。10.1MOS电容表面能带图:n型衬底(1)正栅压情形FScFSCEEEE9氧化物--半导体界面处的半导体表面出现电子堆积层。电场将半导体中的电子推向氧化物-半导体的界面。10.1MOS电容表面能带图:n型衬底(2)(耗尽层)n型(反型层+耗尽层)n型FScFSFiEEEEFScFSFiEEEE10小的负栅压情形大的负栅压情形电场将半导体的电子拉离氧化物-半导体界面半导体本征费米能级移至费米能级上方，价带比导带更接近于费米能级。半导体表面出现空穴反型层。小节内容10.1.1能带图随便画能带图,要知道其半导体类型。加什么电压往那里弯曲？结论：（1）半导体为p型时，栅极加大的正压时，可出现n型反型层；（2）半导体为n型时，栅极加大的负压时，可出现p型反型层；“同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引”。（3）不论半导体是p型还是n型，栅极加负压，半导体表面的能带向上弯曲（抬头）；栅极加正压，半导体表面的能带向下弯曲（低头）。1111.1MOS电容空间电荷区厚度:表面耗尽情形费米势表面势：是半导体体内与表面之间的势垒高度；是横跨空间电荷层的电势差。表面空间电荷区宽度s半导体体内费米能级与禁带中心能级之差的电势表示采用单边突变结的耗尽层近似P型衬底12P181P如何推出？10.1MOS电容空间电荷区厚度:表面反型情形阈值反型点条件：表面处的电子浓度=体内的空穴浓度表面空间电荷区厚度P型衬底表面电子浓度：exp()FFiiEEnnkTexp()sfpieenkT体内空穴浓度：exp()FiFiEEpnkTexp()fpienkT2sfp栅电压=阈值电压表面空间电荷区厚度达到最大值13P322例11.110.1MOS电容空间电荷区厚度:n型衬底情形阈值反型点条件：表面势=费米势的2倍，表面处的空穴浓度=体内的电子浓度，此时所加的电压称为阈值电压（即栅电压=阈值电压）。表面空间电荷区宽度表面势n型衬底1410.1MOS电容空间电荷区厚度:与掺杂浓度的关系实际器件参数区间15小节内容10.1.2耗尽层厚度耗尽情况反型情况会算其厚度了解阈值反型点条件常用器件掺杂范围1610.1MOS电容功函数差:MOS接触前的能带图金属的功函数金属的费米能级二氧化硅的禁带宽度二氧化硅的电子亲和能硅的电子亲和能02gsFsfpEWEEee)2(fpgmsmmseEeWW（电势表示）差金属与半导体的功函数0mFmmWEEe金属的功函数半导体的功函数绝缘体不允许电荷在金属和半导体之间进行交换1710.1MOS电容功函数差:MOS结构的能带图条件：零栅压，热平衡零栅压下氧化物二侧的电势差修正的金属功函数零栅压下半导体的表面势修正的硅的电子亲和能二氧化硅的电子亲和能1810.1MOS电容功函数差:计算公式00'(')2()gmsmfpoxSEeVV83.0)cm10,K300(V228.0:SiSiOAleV11.1:SiV25.3':SiOSiV20.3':SiOAlms314222afpgmNTE00bioxSVV内建电势差：ms功函数差1910.1MOS电容功函数差:n＋掺杂多晶硅栅(P-Si)0近似相等n+掺杂至简并简并：degenerate退化，衰退2010.1MOS电容功函数差:p＋掺杂多晶硅栅(P-Si)p+掺杂至简并≥021P型10.1MOS电容功函数差:n型衬底情形负栅压的大小22n型金属栅和N型衬底的MOS电容10.1MOS电容功函数差:与掺杂浓度的关系型衬底型衬底同样栅电极材料下的pnmsAupolypAlpolyn：SipAlpolynAupolyp：Sin||型型同样衬底材料下的ms0Al)poly,nms对多数应用（2310.1MOS电容10.1.4平带电压:定义MOS结构中半导体表面能带弯曲的动因金属与半导体之间加有电压（栅压）;半导体与金属之间存在功函数差;氧化层中存在净的空间电荷.平带电压定义：使半导体表面能带无弯曲需施加的栅电压.来源：金属与半导体之间的功函数差；氧化层中的净空间电荷.单位面积电荷数金属上的电荷密度2410.1MOS电容平带电压:公式GoxsVV栅电压oxssoxmoxssmCQCQVQ'Q''0'电中性条件oxssmsGFBCQVVs'|0平带电压)0'00恒（，则若ssFBmsQVVox0+s0=-ms零栅压时：00()()oxoxssoxsmsVVV单位面积电荷数金属上的电荷密度25小节内容10.1.4平带电压来源定义如果没有功函数差及氧化层电荷,平带电压为多少?如何算2610.1MOS电容阈值电压:公式mssoxGVV栅电压栅氧化层电容）平带电压氧化层电荷半导体掺杂浓度＋＋－阈值电压,,,(2|'|2|'|2||maxmax2ox2GfVCQCQ'CQVVVfpFBoxSDmsfpoxssoxSDmsfpTNfpsfps'|'|'msDssoxoxoxoxQQQVCCC栅氧化层电压阈值电压：达到阈值反型点时所需的栅压.表面势=费米势的2倍|QSDmax|=eNaxdTQSDns'|'|msssDQ'QQ电中性条件忽略反型层电荷2710.1MOS电容阈值电压:与掺杂/氧化层电荷的关系P型衬底MOS结构Q′ss越大，则VTN的绝对值越大；Na越高，则VTN的值（带符号）越大。Na很小时，VTN随Na的变化缓慢，且随Q′ss的增加而线性增加；Na很大时，VTN随Na的变化剧烈，且与Q′ss的相关性变弱。2810.1MOS电容阈值电压:导通类型VTN0MOSFET为增强型VG=0时未反型，加有正栅压时才反型VTN0MOSFET为耗尽型VG=0时已反型，加有负栅压后才能脱离反型P型衬底MOS结构29为了得到增强型的器件，p型半导体必须被一定程度地重掺杂。10.1MOS电容阈值电压:n型衬底情形02|'|2|'|maxmaxfnFBoxSDfnmsoxssoxSDTPVCQCQ'CQV－30)2'('fpgmmseEoxssmsFBCQV/'费米势表面耗尽层最大厚度单位面积表面耗尽层电荷oxoxoxtC/dTaSDxeNQ|'|max单位面积栅氧化层电容平带电压阈值电压10.1MOS电容n型衬底与p型衬底的比较dTdSDxeNQ|'|max)2'('fngmmseEp型衬底MOS结构n型衬底MOS结构oxoxoxtC/oxssmsFBCQV/'阈值电压典型值金属-半导体功函数差3110.1MOS电容10.1.6表面反型层电子密度与表面势的关系316316cm101V695.02V347.0K300cm103sfpsfpanTN反型实例：32)exp(2kTeNnnsais表面处的电子浓度随着表面势的增加而增大，表面势的很小改变就可以使电子浓度迅速增加，此时空间电荷匹宽度达到最大值。10.1MOS电容表面空间电荷层电荷与表面势的关系半导体表面状态的变化时衬底型GSVSip堆积平带耗尽弱反型强反型33小节内容10.1.6电荷分布分布图10.1.5阈值电压概念电中性条件与谁有关?如何理解?N型P型及掺杂的关系3510.2节内容理想情况C-V特性频率特性氧化层电荷及界面态的影响实例3610.2C-V特性什么是C-V特性？)(VfdVdQC平带电容-电压特性3710.2C-V特性堆积状态加负栅压，堆积层电荷能够跟得上栅压的变化，相当于栅介质平板电容oxoxoxtCC)acc('平带本征38栅氧化层电容：10.2C-V特性平带状态所加负栅压正好等于平带电压VFB，使半导体表面能带无弯曲asoxoxoxoxFBeNekTttC'平带本征3910.2C-V特性耗尽（Deplete)状态加小的正栅压，表面耗尽层电荷随栅压的变化而变化，出现耗尽层电容平带本征C′相当与Cox与C′sd串联min'(dep)oxoxoxoxdTCttx)dep('CxVdG4010.2C-V特性强反型状态(低频)加大的正栅压且栅压变化较慢，反型层电荷跟得上栅压的变化平带本征oxoxoxtCC)inv('4110.2C-V特性n型与p型的比较p型衬底MOS结构n型衬底MOS结构42负偏栅压时为堆积模式，正偏栅压时为反型模式。正偏栅压时为堆积模式，负偏栅压时为反型模式。10.2C-V特性11.2.2反型状态(高频)dToxoxoxoxxttCCmin)dep(')inv('加较大的正栅压，使反型层电荷出现，但栅压变化较快，反型层电荷跟不上栅压的变化，只有耗尽层电容对C有贡献。此时，耗尽层宽度乃至耗尽层电容基本不随栅压变化而变化。MHz1~fHz100~5f栅压频率的影响43小节内容理想情况CV特性CV特性概念堆积平带耗尽反型下的概念堆积平带耗尽反型下的计算频率特性高低频情况图形及解释4410.2.3固定栅氧化层电荷和界面电荷效应对MOS的C-V的影响主要有两种：（1）固定栅氧化层电荷（2）氧化层-半导体界面电荷10.2C-V特性氧化层电荷的影响曲线左移，反之右移VCVQFBss'例图:如果Qss均为正电荷,需要额外牺牲负电荷来中和界面的正电,所以平带电压更负-----++'ssFBmsoxQVC平带电压4610.2C-V特性界面陷阱的分类被电子占据（在EFS之下）带负电，不被电子占据（在EFS之上）为中性被电子占据（在EFS之下）为中性，不被电子占据（在EFS之上）带正电（界面陷阱）受主态容易接受电子带负电正常情况热平衡不带电施主态容易放出电子带正电图11.32氧化层界面处界面态示意图47界面态：半导体在界面处周期性突然终止，以便允许电子能级存在于禁带中这些允许的能态称为界面态。10.