半导体器件原理 第五章

能带图
MOS结构的物理性质可以借助简单的平行板电容器加以解释
p型衬底MOS电容器的能带图 (a)加负栅压 多子积累： 1）能带（向上）弯曲并接近EF； 2）多子（空穴）在半导体表面积累，越接近半导体表面多子 浓度越高。 由于MOS系统处于热平衡状态且无通过氧化层的电流，使 得半导体中的费米能级为一常数。
场效应晶体管【Field Effect Transistor缩写(FET)】简 称场效应管。由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体 管，它属于输入电压控制输出电流的半导体器件，仅由一 种载流子参与导电。
电场
D
电 流
S
场效应晶体管，FET, field effect transistor
利用垂直于导电沟道的输入电压的电场作用，控制导电沟道 输出电流的一种半导体器件.
实例：N a 3 1016 cm3 T 300K
fp 0.347V s反型 2 fp 0.695V
ns 1 1016 cm3
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表面空间电荷层电荷与表面势的关系
p型Si衬底VGS 时 半导体表面状态的变化
堆积 平带（电荷为零）
耗尽0≤Φs ≤ Φfp
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空间电荷区厚度
阈值反型点条件：表面处的电子浓度=体内的空穴浓度 P型半导体在阈值反型点时的能带图
P型衬底
栅电压=阈值电压
s 2 fp
表面空间电 荷区厚度
表面空间电荷区 厚度达到最大值
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，栅电压=阈值电压
表面势
n型衬底
5.1.1双端MOS结构
能带图
Байду номын сангаас
p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压
多子耗尽： 1）表面能带向下弯曲，表明存在一个类似于pn结中的 空间电荷区。导带和本征费米能级均向费米能级靠近， 产生的空间电荷区宽度为xd； 2）表面上的多子浓度比体内少得多，基本上耗尽，表 面带负电。
5.1.1双端MOS结构
表面势 s 半导体表面电势 与体内电势之差
空间电荷区厚度
半导体体内费米能 费米势 fp 级与禁带中心能级 之差的电势表示
p型衬底半导体空间电荷区示意图
P型衬底
采用单边突变结 的耗尽层近似
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表面空间电 荷区厚度
5.1.1双端MOS结构
表面电子浓度： EF EFi n ni exp( ) kT es e fp ni exp( ) kT 体内空穴浓度： EFi EF p ni exp( ) kT e fp ni exp( ) kT
二氧化硅的电子亲和能 硅的电子亲和能
金属的功函数
Wm E0 EFm em
半导体的功函数
金属的费米能级
Ws E0 EFs e Eg 2 e fp
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金属与半导体功函数差 二氧化硅的 （电势表示） 禁带宽度 Wm Ws φ ms e Eg 绝缘体不允许电荷在金属和半导体之 φ m (χ φ fp ) 间进行交换 2e
零偏压下完整的金属－氧化物－半导体结构的能带图 （接触之后） 二氧化硅的 条件：零栅压， 热平衡 电子亲和能 零栅压下氧化物 费米能级为常数 二侧的电势差
修正的硅的 电子亲和能
修正的金 属功函数
零栅压下半导 体的表面势
20
5.1.1双端MOS结构
功函数差: 计算公式
内建电势差： 功函数差 Vbi Vox 0 S 0 ms
电中性条件 Qm' Qss ' 0 Q'm Q'ss Vox C ox C ox
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平带电压 VFB VG | s 0 Q'ss ms C ox
若ms 0，则VFB 0 （Q'ss 恒 0)
5.1.1双端MOS结构
阈值电压:公式
阈值电压： 达到阈值反型点时所需的栅压
不同正氧化层电荷值下，n沟MOSFET阈值电压 与p型衬底掺杂浓度关系图
阈值电压VTN>0 MOSFET为增强型 VG=0时未反型，加 有正栅压时才反型
P型衬底MOS结构
VTN<0 MOSFET为耗尽型 VG=0时已反型，加有负 栅压后才能脱离反型
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5.1.1双端MOS结构
阈值电压:n型衬底情形
半导体器件原理
Principles of Semiconductor Devices
第五章：MOS（金属-氧化物-半 导体）场效应晶体管（MetalOxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）
刘宪云 逸夫理科楼229室
场效应晶体管介绍

什么是场效应管?
25
5.1.1双端MOS结构
26
平带电压: 定义

MOS结构中半导体表面能带弯曲的原因
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
金属上的电荷密度 单位面积电荷数
施加的栅电压
来源：金属与半导体之间的功函数
能带图
p型衬底MOS电容器的能带图 (c)加大正栅压 少子反型： 1）EFi与EF在表面处相交（此处为本征型），表面处本 征费米能级低于费米能级，导带比价带更接近费米能级； 2）表面区的少子数>多子数——表面反型； 3）反型层和半导体内部之间还夹着一层耗尽层。
5.1.1双端MOS结构
能带图
p型衬底MOS电容器的能带图
5.1.1 双端MOS结构
MOS电容结构
MOSFET 的核心是金属－氧化物－半导体电容， 其中的金 属可以是铝或者一些其它的金属，但更通常的情况是在氧 化物上面淀积高电导率的多晶硅；然而，金属一词通常被 延用下来。 Al或高掺杂
氧化层介电常数 的多晶Si SiO2
氧化层厚度
n型Si或p型Si
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5.1.1双端MOS结构

FET与双极晶体管的比较
BJT
FET与BJT的区别：




1. FET 为电压控制器件; BJT 为电流控制器件。 2. FET输入阻抗高，实际上不需要输入电流，在模 拟开关电路，高输入阻抗放大器和微波放大器中具 有广泛的应用。 3. FET为单极器件，没有少子存储效应，适于高频 和高速工作。 4. 在大电流时，FET具有负的温度系数，随着温度 的增加FET的电流减小，使整个器件温度分布更加 均匀。 5. 制备工艺相对比较简单，适合大规模集成电路。
ms m ' ( '
Al SiO 2 : m ' 3.20V Si SiO 2 : ' 3.25V Si : E g 1.11eV
Eg 2e
fp )
(Vox 0 S 0 )
Al SiO 2 Si : fp 0.228V (T 300K, N a 1014 cm3 )
ms 0.83V
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功函数差:n＋掺杂多晶硅栅(P-Si)
近似相等
简并：degenerate 退化，衰退
n+掺杂至简并
<0
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功函数差:p＋掺杂多晶硅栅(P-Si)
p+掺杂至简并
≥0
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功函数差:n型衬底情形
Φfn定义大于0。将p型衬底公式 中的Φfp用-Φfn代替即得到n型衬 底的公式。
金属板加负电压时，氧化物-半导体 界面处存在空穴堆积
栅极加正电压时，导带和本征费米能级 均向费米能级靠近，产生空间电荷区
金属板加更大正电压时，空间电荷区更大。表面处的本征费米能级低于 费米能级，从而，导带比价带更接近费米能级。半导体表面从p型转化成 n型，产生氧化物-半导体界面处的电子反型层。
n型衬底MOS电容器的能带图 (a)加正栅压 (b)加小负栅压 (c)加大负栅压
5.1.1双端MOS结构阈值电压:与掺杂/氧化层
电荷的关系
Q‘ss越大，则VTN的 绝对值越大；
P型衬底MOS 结构 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
29
17
表面空间电 荷区厚度
5.1.1双端MOS结构
空间电荷区厚度
T=300k时xdt和掺杂浓度的函数关系
实际器件 参数区间
大部分的实际掺杂在1015～ 1017之间，所以对应的表面空 间电荷区宽度在0.1~1um之间。
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5.1.1双端MOS结构
金属的 功函数
功函数差
零偏压下完整的金属－氧化物－半导体结构的能带图（接触之前）
| Q' SD max | Q'ss | Q' SD max | VTP － ms 2 fn VFB 2 fn 0 Cox Cox Cox
n型衬底
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5.1.1双端MOS结构 n型衬底与p型衬底的比较
p型衬底MOS结构 费米势 表面耗尽层最大厚度 单位面积表面耗尽层电荷 | QSD 'max | eNa xdT 单位面积栅氧化层电容 Cox ox / tox VFB ms Q'ss / Cox 平带电压 E 金属-半导体功 ms m '( ' g fp ) 2e 函数差 阈值电压 阈值电压典型值
差，氧化层中的净空间电荷
平带条件下MOS结构的 能带图和电荷分布图
5.1.1双端MOS结构
零栅压时： Vox0+s0=- ms
平带电压:公式
金属上的电荷密度
单位面积电荷数
栅电压VG Vox s
(Vox Vox 0 ) (s s 0 ) Vox s ms
a) b) c) d)
半导体表面的稳定化技术 各种栅绝缘膜的实用化 自对准结构MOS工艺 阈值电压的控制技术
第五章：MOS（金属-氧化物-半 导体）场效应晶体管
§5.1 MOS场效应晶体管基础


5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.1.6
双端ＭＯＳ结构 电容－电压特性 ＭＯＳＦＥＴ基本工作原理 频率限制特性 ＣＭＯＳ技术 小结
负栅压的大小
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功函数差:与掺杂浓度的关系
同样栅电极材料下的 ms n型衬底 p型衬底
同样衬底材料下的 | ms | n型Si： p poly Au n poly Al p型Si： n poly Al p poly Au
对多数应用（n poly, Al) ms 0
ns QSD
栅电压 VG Vox s ms
表面势=费米势的2倍
忽略反型 层电荷 Q 'm | Q 'sD | Q 'ss 栅氧化层电压Vox Cox Cox Cox
电中性条件Qm' Qss ' | Q 'sD |
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阈值电压 VTN VG | s 2 fp Vox | s 2 fp 2 fp ms | Q' SD max | Q'ss － ＋2 fp ms C ox C ox | Q' SD max | VFB＋2 fp |QSDmax|=e Na xdT C ox f (半 导 体 掺 杂 浓 度 ,氧 化 层 电 荷 ,平 带 电 压 ,栅 氧 化 层 电 容 ）
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n型衬底MOS结构
| QSD 'max | eNd xdT
Cox ox / tox
VFB ms Q'ss / Cox
ms m '( '
Eg 2e
fn )
表面反型层电子密度与表面势的关系
表面处电子浓度随着表面势的增加而增大，表 面势很小的改变就可以使电子浓度迅速增加
场效应晶体管的家族谱系
pn结栅
肖特基栅
绝缘栅


随着集成电路设计和制造技术的发展，目前大 部分超大规模集成电路都是MOS集成电路。在 数字集成电路，尤其是微处理机和存储器方面， MOS集成电路几乎占据了绝对的位置。 MOS在一些特种器件，如CCD（电感耦合器件） 和敏感器件方面应用广泛。
促进MOS晶体管发展主要有以下四大技术：
金属板加正电压时，氧化物-半导体 界面处存在电子堆积
栅极加负电压时，导带和价带均 向上弯曲，产生空间电荷区
金属板加更大负电压时，导带和价带的弯曲更显著，本征费米能级移到 费米能级上方，以至于价带比导带更接近费米能级。半导体表面从n型转 化成p型，产生氧化物-半导体界面处的空穴反型层。
5.1.1双端MOS结构