【正文】 微電子器件原理 第七章 MOS場效應晶體管 2 第七章 MOS場效應晶體管 167。 基本工作原理和分類 167。 閾值電壓 167。 IV特性和直流特性曲線 167。 擊穿特性 167。 頻率特性 167。 功率特性和功率 MOSFET結構 167。 開關特性 167。 溫度特性 167。 短溝道和窄溝道效應 3 167。 MOSFET基本工作原理和分類 一、 MOSFET的基本結構 二、 MOSFET的基本工作原理 三、 MOSFET的分類 4 167。 MOSFET基本工作原理和分類 一、 MOSFET的基本結構 N溝道增強型 MOSFET結構示意圖 5 167。 MOSFET基本工作原理和分類 一、 MOSFET的基本結構 6 7 167。 MOSFET基本工作原理和分類 一、 MOSFET的基本結構 8 167。 MOSFET基本工作原理和分類 9 167。 MOSFET基本工作原理和分類 二、 MOSFET的基本工作原理 MOSFET的基本工作原理是基于半導體的“ 表面場效應 ” 當 VGS=0V時 ， 漏源之間相當兩個背靠背的二極管 ， 在 D、 S之間加上電壓不會在 D、 S間形成電流 。 當柵極加有電壓 0＜ VGS＜ VT時，通過柵極和襯底間的電容作用，將靠近柵極下方的 P型半導體中的空穴向下方排斥，出現(xiàn)了一薄層負離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運動，但數(shù)量有限，不足以形成溝道，將漏極和源極溝通，所以不足以形成漏極電流 ID。 10 167。 MOSFET基本工作原理和分類 二、 MOSFET的基本工作原理 11 167。 MOSFET基本工作原理和分類 二、 MOSFET的基本工作原理 柵源電壓對溝道的影響 12 167。 MOSFET基本工作原理和分類 二、 MOSFET的基本工作原理 漏源電壓對溝道的影響 13 167。 MOSFET基本工作原理和分類 三、 MOSFET的分類 類型 n溝 MOSFET p溝 MOSFET 耗盡型 增強型 耗盡型 增強型 襯底 p型 n型 S、 D區(qū) n+區(qū) p+區(qū) 溝道載流子 電子 空穴 VDS 0 0 IDS方向 由 D→ S 由 S→ D 閾值電壓 VT0 VT0 VT0 VT0 電路符號 G B S D G B S D G B S D G B S D 14 167。 MOSFET的閾值電壓 一、 MOSFET的閾值電壓表達式 二、影響 MOSFET閾值電壓的諸因素分析 三、關于反型程度劃分的討論 15 167。 MOSFET的閾值電壓 一、 MOSFET的閾值電壓表達式 MOSFET的 閾值電壓 VT是柵極下面的半導體表面呈現(xiàn)強反型 ， 從而出現(xiàn)導電溝道時所加的 柵源電壓 。 MOS結構的閾值電壓 MOS結構的閾值電壓 0???? BnoxG 16 167。 MOSFET的閾值電壓 一、 MOSFET的閾值電壓表達式 強反型： 是指半導體表面積累的少數(shù)載流子的濃度達到和超過體內(nèi)多子濃度的狀態(tài) 表面勢： 半導體表面的電勢 VS kTEEipkTEEisFiiFenpenn)(0)(???? 0)()( psVFisiF pnEEEE ???? 時，當qEE FiF體內(nèi)定義費米勢： )( ???iAFAkTqip nNqkTNenp F ln0 ???? ??17 167。 MOSFET的閾值電壓 一、 MOSFET的閾值電壓表達式 ApsiAFs NpnnNqkTV ???? 0ln22 時，當 ? 半導體表面能帶彎曲至表面勢等于兩倍費米勢時，半導體表面呈現(xiàn)強反型狀態(tài)。 kTVqAkTVqpkTVqikTqVpikTqVpsFsFsFssseNepenepnenn)2()2(0)(020???????????18 167。 MOSFET的閾值電壓 一、 MOSFET的閾值電壓表達式 kTVqAkTVqpkTVqikTqVpikTqVpsFsFsFssseNepenepnenn)2()2(0)(020???????????AkTqip Nenp F ?? ?019 167。 MOSFET的閾值電壓 一、 MOSFET的閾值電壓表達式 MOS結構的閾值電壓 ? 表面耗盡層 ? 反型層載流子的屏蔽作用 ? 場感應結 ? 理想 MOS結構 ? 忽略氧化層中電荷的影響 ? 不計金屬 半導體功函數(shù)差 ? 理想 MOS結構的閾值電壓 0???? BnoxG 0m a x ?? BG 20 167。 MOSFET的閾值電壓 一、 MOSFET的閾值電壓表達式 MOS結構的閾值電壓 soxG VVV ??FsoxBoxGoxVCQCQV?2m a x????強反型時：2102120210m a xm a x]4[]ln4[]2[FAiAAAAsAdABqNnNNqkTqNqNVqNxqNQ???????????????FoxBT CQV ?2m a x ???oxoxox tC?? 0?21 22 167。 MOSFET的閾值電壓 一、 MOSFET的閾值電壓表達式 MOS結構的閾值電壓 ?平帶電壓 VFB oxoxmsFB CQVV ???FoxBoxoxmsT CQCQVV ?2m a x ?????iDoxdDoxoxmsTpiAoxdAoxoxmsTnnNqkTCxqNCQVVnNqkTCxqNCQVVln2ln2m a xm a x??????????柵源電壓： ?抵消金 半之間接觸電勢差 ?補償氧化層中電荷 ?建立耗盡層電荷（感應結） ?提供反型的 2倍費米勢 23 167。 MOSFET的閾值電壓 二、影響 MOSFET閾值電壓的諸因素分析 VDS VBS ● ● ● ● ● ● ● ● ● msiABSsAoxoxoxTn VnNqkTVyVVqNCCQV ??????? ln2]})([2{1 210?? Cox Φms 24 167。 MOSFET的閾值電壓 二、影響 MOSFET閾值電壓的諸因素分析 Cox Φms qVs Ec Ev Ei EF Vs=2?F msiABSsAoxoxoxTn VnNqkTVyVVqNCCQV ??????? ln2]})([2{1 210??Ec Ev EFp q?F q?F BSVqyqV ?)(qVs EFn Ei qVD q(VD+V) 25 26 167。 MOSFET的閾值電壓 二、影響 MOSFET閾值電壓的諸因素分析 Cox Φms FoxBoxoxmsT CQCQVV ?2m a x ?????Cox為 MOS結構柵下氧化層的電容，與介電常數(shù)及介質層厚度有關。 oxoxox tC?? 0?? Cox越大，單位電壓的變化引起的電荷變化越大，或閾值電壓越小 ? 制作薄而致密的優(yōu)質氧化層，可在一定程度上達到提高 Cox的目的 ? 選用高介電常數(shù)材料，如 Si3N Al2O3并用 SiO2過渡以減少界面 態(tài)，形成所謂 MNOSFET和 MAOSFET 27 167。 MOSFET的閾值電壓 二、影響 MOSFET閾值電壓的諸因素分析 Cox Φms ? 功函數(shù) ：某種材料的費米能級與真空中自由電子能級之差 ? 修正功函數(shù) ：在 MOS結構中，金屬和半導體中費米能級與 SiO2導帶邊緣的能量差 ? 電子親和勢 ：從導帶到真空的電勢能，對于半導體，在表面處將一個導帶底上的電子移到真空中所需做的功，即??E0Ec 真空 E0 EFM Ec Ev EFS Ei Ec(SiO2) En 39。m?m?ox?39。?s?39。s?cs EE ?? 0?28 167。 MOSFET的閾值電壓 二、影響 MOSFET閾值電壓的諸因素分析 Cox Φms nFScsoxmmEEE ???????39。39。39。39。)( ?????? 可見 ， 半導體修正功函數(shù)與摻雜濃度有關 ， 反映在 En或費米勢上 ， 每 2 個數(shù)量級約（ eV) 真空 E0 EFM Ec Ev EFS Ei Ec(SiO2) En 39。m?m?ox?39。?s?39。s?cs EE ?? 0?29 每 2個數(shù)量級約 （ eV) 30 金屬與半導體的功函數(shù)（修正功函數(shù)）各不相同，當它們形成 MOS結構時，為滿足 熱平衡時費米能級處處相等 的要求，將在半導體表面引起 能帶彎曲 31 為消除功函數(shù)差引起的能帶彎曲以使硅中無電場，所需“另加的”柵壓就是功函數(shù)差（修正功函數(shù)差）對應的電壓 —— 平帶電壓 （中的 Vms) mssmsmGqV ????? ????? 39。39。msms qV ???1oxoxmsFBsoxFBT CQVVVVVV ?????? 其中 EFM Ec Ev EFS Ei 39。s?39。m?Al SiO2 PSi Fq?EFM Ec Ev EFS Ei 39。s?39。m?Al SiO2 PSi Fq?Eg/2 39。?ms??32 oxoxmsFBsoxFBT CQVVVVVV ?????? 其中 符號問題 039。39。 ?????? mssmsmGqV ?????msms qV ???10?GV對應的例子： AlpSi(NA=1014cm3) MOS結構 VVVVVeVeVeVFBGmssmsm?????????????接觸后，金屬電位高于半導體，相當于正電壓作用，使表面能帶向下彎曲。欲使之平直，需在金屬側加一負壓 在 n溝 MOSFET中在正的閾值電壓中減去 Vms， 相當于正的 Vms已使能帶下彎 ， 再加上一點正壓使表面勢達到2倍費米勢即可 。同樣 ， Qox0， 則也應減去相應電壓 33 34 167。 MOSFET的閾值電壓 二、影響 MOSFET閾值電壓的諸因素分析 Cox Φms NA(ND)通過 費米勢（以及功函數(shù)） 影響 VT FoxBoxoxmsT CQCQVV ?2m a x ?????iDFniAFpnNqkTnNqkTlnln?????每 2個數(shù)量級約 (eV) 影響不大 真空 E0 EFM Ec Ev EFS Ei Ec(SiO2) En 39。m?m?ox?39。?s?39。s?cs EE ?? 0?35 167。 MOSFET的閾值電壓 二、影響 MOSFET閾值電壓的諸因素分析 Cox Φms NA(ND)通過 場感應結耗盡層空間電荷 影響 VT FoxBoxoxmsT CQCQVV ?2m a x ?????210m a xm a x ]2[ sAdAB VqNxqNQ ??????oxACNFqF ?? ??? 。