【正文】 體內(nèi)，由此，表面電勢(shì)高于體內(nèi)時(shí)， ΨS為正，反之為負(fù)。因此，在器件制造中，要防止可動(dòng)離子的玷污。 ? 氧化物固定電荷 Qf：位于 SiO2/Si界面約 30197。因此 Poly－ Si又可充當(dāng)源漏區(qū)的掩模，得到?jīng)]有柵源交疊或柵漏交疊的自對(duì)準(zhǔn)柵。 ? 因此實(shí)際 MOS結(jié)構(gòu)，平帶電壓分為兩部分： VFB=VFB1+VFB2。 3）在直流偏置下，氧化層中沒(méi)有載流子輸運(yùn)，或者說(shuō)氧化物的電阻無(wú)限大。目前主要采用多晶硅或難熔金屬硅化物。 FET的特性與載流子的壽命關(guān)系不大，故抗輻射性能較好； （ 7）增強(qiáng)型 MOS晶體管之間存在著天然的隔離，可以大大地提高 MOS集成電路的集成度。一般為 1010Ω的數(shù)量級(jí)，最高可達(dá) 1013Ω，這有利于放大器各級(jí)間的直接耦合，且只需要很小的前級(jí)驅(qū)動(dòng)電流，并可與多個(gè) FET并聯(lián)； （ 2）場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸入功耗很??； （ 3）溫度穩(wěn)定性好；因?yàn)樗嵌嘧悠骷?，其電學(xué)參數(shù)不易隨溫度而變化。場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作原理是以簡(jiǎn)單的歐姆定律為根據(jù)的，而雙極晶體管是以擴(kuò)散理論為根據(jù)的。 短溝道 MOSFET 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 2 簡(jiǎn)介 ? MOSFET在半導(dǎo)體器件中占有相當(dāng)重要的地位，它是大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路中最主要的一種器件。 MOSFET的功率特性和功率 MOSFET結(jié)構(gòu) 167。 MOS結(jié)構(gòu)的基本性質(zhì)及 MOS二極管 167。 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基本理論 167。 MOSFET的開關(guān)特性 167。 ? MOSFET是一種表面場(chǎng)效應(yīng)器件，是靠多數(shù)載流子傳輸電流的單極器件。雙極晶體管是電流控制器件，而場(chǎng)效應(yīng)晶體管則是電壓控制器件。例如當(dāng)溫度升高后， FET溝道中的載流子數(shù)略有增加，但同時(shí)又使載流子的遷移率稍為減小，這兩個(gè)效應(yīng)正好相互補(bǔ)償，使 FET的放大特性隨溫度變化較??； （ 4）場(chǎng)效應(yīng)晶體管的增益（即柵的跨號(hào) gm）在較大漏電流條件下基本上不變化。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 4 ? 場(chǎng)效應(yīng)晶體管與雙極晶體管相比也存在一些缺點(diǎn)： （ 1）工藝環(huán)境要求高； （ 2）場(chǎng)效應(yīng)管的速度比雙極晶體管的速度低等。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 6 SiO2 metal semiconductor Si d Ohmic contact MOS二極管的結(jié)構(gòu)圖 MOS二極管是重要的半導(dǎo)體器件，在半導(dǎo)體表面的 研究中及其有用 。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 9 平帶電壓 ? 在 MOS結(jié)構(gòu)中，金屬和半導(dǎo)體之間因功函數(shù)差而產(chǎn)生一定的固有電壓，并造成半導(dǎo)體能帶彎曲，如果金屬對(duì)半導(dǎo)體加相反電壓使之平衡其固有電壓，則半導(dǎo)體表面和體內(nèi)一樣，能帶處處平坦。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 10 （ 1） VFB1：用來(lái)抵消功函數(shù)差的影響 BGiFmgmsSmFB qEEqqEqqqqV ??????? ???????????? )2/(1其中， FiFB qEE ?? ????相對(duì)于本征費(fèi)米能級(jí)定義的半導(dǎo)體材料的費(fèi)米勢(shì)。對(duì)于多晶硅柵，應(yīng)以多晶硅的費(fèi)米勢(shì)表示，多晶硅作柵一般是高摻雜的，因此費(fèi)米能級(jí)靠近導(dǎo)帶底或價(jià)帶頂?shù)?，此時(shí) 即， 其中， p型?。?， n型?。?。范圍內(nèi)，在表面勢(shì)大幅度變化時(shí)也不能充放電， Qf通常是正的，并和氧化、退火條件、 Si晶面取向有關(guān)。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 13 ? 為簡(jiǎn)化分析，常假定它們都固定在 SiO2/Si界面上，其面密度為 Q0，對(duì) SiO2/Si系統(tǒng)，無(wú)論是 p型襯底或n型襯底， Q0總是正的，在現(xiàn)代工藝水平下可低至1010C/cm2。 ? 熱平衡時(shí)，表面處的電子濃度和空穴濃度用 ΨS表示為： kTqS Senn /0 ??kTqS Sepp /0 ??? 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 15 電勢(shì)平衡和電荷平衡 ? 一般外加?xùn)艍?VGB時(shí)，半導(dǎo)體表面將出現(xiàn)電荷，并有電勢(shì)降落，如下圖所示。 ? 由于 Q0是不變的，因此 mSSoxGBV ??? ???SoxGBV ?? ?????00 ??? Q SGoxoxG CQ ??0???? SG 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 16 半導(dǎo)體表面狀態(tài) 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 17 積累 : Qm QS d x 電 荷分布 ? ? kTEEiPFienP ??x E(X) 電場(chǎng) 分布 靠近 氧 化 層 的半 導(dǎo) 體表面形成空穴 積 累 積累情況下能帶圖及電荷分布 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 18 耗 盡 : EF Vg0 EF Ev Ec Ei WqNQ Asc ??電 荷分布 E(X) x 電場(chǎng) 分布 x w Qm d )(x? 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 19 強(qiáng)反型 : ? ? kTEEip iFenn?? 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 20 強(qiáng)反型 : x wm Qm d Qn Qsc Charge Distribution mAnss WqN ????Electric Field x E(x) 一旦反型 層 形成，能 帶 只要再向下 彎 一點(diǎn)點(diǎn)， 對(duì)應(yīng) 于耗盡層寬 度增加很小，就 會(huì) 使反型 層內(nèi) 的 電 荷 Qn大大增加，因此表面耗 盡層寬 度 達(dá) 到最大 值 Wm。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 25 ? 對(duì)于 MOSFET來(lái)說(shuō)，最令人關(guān)注的是反型的表面狀態(tài)。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 26 ? 反型使得能帶向下彎曲，當(dāng)半導(dǎo)體表面處的本征費(fèi)米能級(jí) Ei不是比費(fèi)米能級(jí) EF低很多時(shí)，反型層中的電子仍然相當(dāng)少，基本上和本征載流子濃度 ni同數(shù)量級(jí)。 ? 強(qiáng)反型近似認(rèn)為：當(dāng)外加?xùn)烹妷涸黾拥侥骋恢担?VG??0）時(shí)，能帶向下彎曲到使表面處的 Ei在 EF下方的高度正好等于半導(dǎo)體內(nèi)部 Ei在 EF上方的高度。 ss xdxd?? )(22 ???當(dāng) 半 導(dǎo) 體被耗 盡 ，由 積 分泊松方程得表面耗 盡區(qū) 中的 靜電勢(shì) 分布： 21 ?????? ????Wxs表面 勢(shì) s?為 : SAsWqN?22 2?? 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 28 強(qiáng)反型出 現(xiàn) 的判 斷標(biāo) 準(zhǔn)是 : ????????????iABs nNqkTin v ln22)(表面耗 盡層 最大 寬 度 為 ： AiAsABsmqNnNkTqNW???????????ln2)2(2??同 時(shí) ， )2(2 BAssc NqQ ??? ? 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 29 表面 電 荷和表面 勢(shì) 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 30 Si和 GaAs最大耗 盡區(qū)寬 度 Wm 與摻雜濃 度 NB的 關(guān) 系 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 31 理想 MOS曲 線 Qm Depletion region x w d Qn qNA )(xs?EF EC Ei 0qV0?VBq?sq?jxEF Inversion region Ev QS Neutrals region 能 帶圖 (ptype substrate) 反型 時(shí)電 荷分布 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 32 )(x?d 0 w x 0?? ?oxsQ電場(chǎng) 分布 d v0 v s?w x 0 )(x?電勢(shì) 分布 沒(méi)有功函數(shù)差時(shí)，外加電壓分為兩部分： sVV ??? 0000 CQdV S?? ? 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 33 低 頻電 容 低 頻 或準(zhǔn) 靜態(tài) 下， 多子和少子能跟得上交變 信 號(hào) 的 變 化， 達(dá) 到 靜態(tài) 平衡。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 37 MOS二 極 管 C－ V特性 MOS電 容定 義為 小信 號(hào)電 容，在直流 電壓 上 疊加一小的交流 電壓 信 號(hào)進(jìn) 行 測(cè) 量。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 41 167。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 42 基本結(jié)構(gòu)和工作原理 ? N溝 MOSFET的結(jié)構(gòu)：在 P型襯底上擴(kuò)散（或離子注入）兩個(gè) N+區(qū)，右邊的 N+區(qū)稱源區(qū)，左邊的 N+區(qū)稱漏區(qū)，分別用 S和 D表示。在 P型襯底上也做一個(gè)金屬電極，稱為襯底接觸，又叫第二柵極，用B表示。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 43 N型 MOSFET的基本 結(jié)構(gòu) 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 44 MOSFET的透 視圖 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 45 ? MOSFET的工作原理 使用 MOSFET時(shí)，源端通常接地。 當(dāng)表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)，電子積累層將在源漏之間形成導(dǎo)電溝道。 ? 當(dāng) VGSVT并逐漸增大時(shí)，反型層的厚度將逐漸增厚，導(dǎo)電電子數(shù)目逐漸增多，即反型層的導(dǎo)電能力增加， IDS將會(huì)提高，實(shí)現(xiàn)柵壓對(duì)電流的控制。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 49 ? 緩變溝道近似（ GCA） 假定電場(chǎng)沿溝道方向的分量比垂直分量要小很多，稱為緩變溝道近似。為了有效調(diào)節(jié)閾值電壓，常使用離子淺注入方法，即通過(guò)柵氧化層把雜質(zhì)注入到溝道表面的薄層內(nèi)，其作用相當(dāng)于有效界面電荷。 P溝器件的反向襯底偏壓要求 VBS0。這一點(diǎn)對(duì) MOS器件以外區(qū)域的半導(dǎo)體表面十分重要，這些區(qū)域稱為場(chǎng)區(qū)。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 58 b) 改變氧化層厚度 場(chǎng)區(qū)的閾值電壓 VT高達(dá)幾十伏，比柵壓大一個(gè)數(shù)量級(jí) 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系微電子專業(yè) 2022/2/12 Theory of Semiconductor Devices 59 ? 由于 Qox總呈現(xiàn)為正電荷效