第4章 MOS场效应晶体管

N沟 MOS管的简化截面图
4.4.1 伏安特性方程基本表示式
N沟 MOS增强型的一维简化模型前面已给出, 图中标明了各参量的代表符号和参数坐标.
可以得出漏电流IDS为:
I DS = I y = W n C OX [U GS U T U ( y )]
dU ( y ) dy
将上式在整个沟道内积分,便得到MOS场效应晶体 管伏安特性方程的基本表示式.为了方便,下面将 分3个区域进行讨论.
ψF =
κT
q
ln(
ND )<0 ni
而空穴和电子的浓度也可表示为ψ的函数
q(ψ F ψ ) p P = ni exp κT
q (ψ ψ F ) n P = ni exp κT
当能带如上图所示向下弯曲时,ψ为正值,表面载流子的浓度 分别为
(q(ψ s ψ F ) n s = ni exp κT
2. N沟耗尽型MOS管及转移特性
3.P沟增强型MOS管及转移特性
4. P沟耗尽型MOS管及转移特性
4.2.3 MOS 场效应晶体管的输出特性
同双极型晶体管一样,场效应晶体管的许多基本特性 可以通过它的特性曲线表示出来.
N 沟 MOS 场效应晶体管的偏置电压
它的输出特性曲线则如下图所示:
下面分区进行讨论:
左图为几种主要硅栅极材料 的功函数差随浓度的变化
在实际的MOS结构中,金属-半导体功函数差不等于零, 半导体能带需向下弯曲,如图所示,这是因为在热平衡 状态下,金属含正电荷,而半导体表面则为负电荷
为了达到理想平带状况,需要外加一个相当于功函数 差qфms的电压,使能带变为如下图所示的状况.
平带情况
因此厚度为tOX的SiO2层的击穿电压为
BU GS = EOX (max)tOX
实际MOS场效应晶体管栅-源之间的击穿电压,将比 上式的计算值更低.
4.4.4 输出特性曲线与直流参数
Ⅰ区:非饱和区. Ⅱ区:饱和区. Ⅲ区:雪崩区. Ⅳ区:截止区.
MOS场效应晶体管的完整输出特性曲线
不同USB值下的MOSFET输出特性曲线 a) USB=0V b) USB=1V c) USB=2V d) USB=4V
2. 非饱和区伏安特性
1 2 I DS = β (U GS U T )U DS U DS 2
3. 饱和区的伏安特性
I Dsat
1 2 = β (U GS U T ) 2
饱和时沟道电荷和电场分布
线性工作区对应上图的直线段1 非饱和区对应与曲线上的段2 饱和区则对应于曲线上的段3
4.4.2 亚阀区的伏安特性
a) N 沟 MOS b) P 沟 MOS
3. 衬底杂质浓度的影响
衬底杂质浓度对阀值电压的影响
4. 功函数差的影响
功函数差也将随衬底杂质浓度的变化而变化.但实验证明, 该变化的范围并不大. 从阀值电压的表示式可知,功函数越大,阀值电压越高. 为降低阀值电压,应选择功函数差较低的材料,如掺杂多 晶体硅作栅电极.
4.2.1 MOS 场效应晶体管的基本工作原理 1. MOS 晶体管的基本结构
MOS 场效应晶体管基本结构示意图
2. MOS管的基本工作原理
MOS 场效应晶体管的工作原理示意图
4.2.2 MOS 场效应晶体管的转移特性
MOS 场效应晶体管可分为以下四种类型:N沟增强型, N沟耗尽型,P沟增强型,P沟耗尽型. 1. N沟增强型MOS管及转移特性
5. 费米势的影响
费米势 随衬底杂质浓度的变化关系
综上所述,MOS场效应晶体管的阀值电压与栅氧化层 的厚度,质量,表面态电荷密度,衬底掺杂浓度,功 函数差和费米势等有关.但对于结构一定的器件,在 制造工艺中,能有效调节阀值电压的方法,主要是通 过调整衬底或者沟道的掺杂浓度来实现的.
4.4 MOS 场效应晶体管的直流伏安特性
κT
2. 理想 MOS 结构的阀值电压 理想MOS 结构是指忽略氧化层中的表面态电荷密度, 且不考虑金属-半导体功函数差时的一种理想结构. 理想 MOS 结构的阀值电压为
QB max U T (0 ) = + 2ψ F COX
3. 实际 MOS 结构的阀值电压 在实际的 MOS 结构中,存在表面态电荷密度QOX和金属-半导 体功函数差фms. 因此,在实际MOS结构中,必须用一部分栅压去抵消它们的 影响.才能使MOS结构恢复到平带状态,达到理想MOS结构 状态. 实际 MOS 结构的阀值电压为:
电势与距离的关系,可由 一维泊松方程求得
d 2ψ ρ ( x) = 2 ε 0ε S dx
对泊松方程积分,可得表面耗尽区的静电势分布为
ψ = ψ s (1
表面势ψs为
x 2 ) W
qN AW 2 ψs = 2ε 0 ε S
此电势分布与单边PN+结相同.
3.理想MOS结构的电容-电压特性 MOS 结构的总电容C是由氧化膜电容COX与半导体表面 空间电荷区的微分电容Cd串联组成,如下图所示
2.氧化层中电荷的影响
在通常的SiO2-Si结构中包括以下四种情况,如下图 系 统 电 荷 示 意 图
1)界面中陷阱电荷 2)氧化层中的固定电荷 3)氧化层陷阱电荷 4)可动离子电荷 当金属-半导体的功函数差和氧化膜中电荷都存在时, MOS结构的平带电压为
U FB
QOX = φms COX
4.2 MOS 场效应晶体管的工作原理与基本特性
U T = U FB + U OX + 2ψ F QOX + QB max = + 2ψ F φ ms C OX
4.3.2 影响阀值电压的其他诸因素
1. 栅氧化层厚度与质量的影响 2. 绝缘栅表面态电 荷密度QOX的影响 右图为室温下AI 栅 N 沟(P沟) MOS 的UT 随 NA(ND) 和QOX变化的理 论曲线
1. 可调电阻区(线性工作区) 可归纳为:外加栅压UGS增大,反型层厚度增加,因而 漏源电流随UDS线性增加,其电压-电流特性如上图中 UGS=5V曲线中的OA段所示.
UDS较小时,导电沟道随UGS的变化
a) UGS< UT 没有沟道 b) UGS> UT 出现沟道 c) UGS>>UT 沟道增厚
2.表面势与表面耗尽区 下图给出了P型半导体MOS结构在栅极电压UG>>0情况 下更为详细的能带图.
在下面的讨论中,定义与费米能级相对应的费米势为
ψF =
( Ei E F ) 体内 q
κT
NA 因此,对于P型半导体, F = ln( ) > 0 ψ q ni
对于N型半导体, 静电势ψ的定 义如图所示
2. 饱和工作区 此时的电流-电压特性对应与特性图中UGS=5V曲线的AB段.
导电沟道随UDS的变化
a) UDS很小沟道电阻式常数 b) UDS=UDSat开始饱和 c) UDS>>UDSat漏极电流不再增加
可以得出使沟道夹断进入饱和区的条件为UDS>>UGS-UT .
3. 击穿工作区 此时的电流-电压特性曲线对应于特性图中UGS=5V的BC段.
2. 直流参数
1) 阀值电压UT
U T ( N沟MOS ) = φ ms QOX qN A X d max 2κT N A + + ln COX COX q ni
U T ( P沟MOS ) = φ ms
MOS 电容等效示意图
在平带条件下对应的总电容称为MOS 结构的平带电容CFB
C FB = t OX
ε OX ε 0 1 ε OX + 2 εS
LD
右图表示了P型半 导体MOS结构的理 想C-U曲线
MOS电容-电压曲线
4.1.2 实际MOS 结构及基本特性
几种影响理想MOS结构的特性 1.功函数差的影响
第4章 MOS场效应晶体管
4.1 MOS结构与基本性质
4.1.1 理想MOS结构与基本性质
MOS结构指金属-氧化物-半导体结构. 为便于讨论,规定在金属栅上所加电压UG相对于P型半导体衬 底为正,称为正向偏置电压;反之则为反向偏置电压.
MOS 二极管结构 a) 透视图 b) 剖面图
1.理想MOS二极管的定义与能带 1)在外加零偏压时,金属功函数与半导体函数之间没 有能量差,或两者的功函数差qφms为零
qφ ms = (qφm qφ s ) = qφ m (qχ + Eg 2 + qψ F ) = 0
UG=0 时理想 MOS 二极管的能带图
2)在任何偏置条件下,MOS结构中的电荷仅位于半导体 之中,而且与邻近氧化层的金属表面电荷数量大小相 等,但符号相反. 3)氧化膜是一个理想的绝缘体,电阻率为无穷大,在直 流偏置条件下,氧化膜中没有电流通过. 理想 MOS 二极管不同 偏压下的能带图及 电荷分布 a) 积累现象 b) 耗尽现象 c) 反型现象
2 qU S κT qU DS 1 e κT
qU DS 1 e κT
W n = L
κT ε 0 ε S q q 2qN U A S
1
2
ni e NA
2Hale Waihona Puke Baidu
qU S κT
4.4.3 击穿区的伏安特性与击穿机理
如图所示,当漏源电压UDS增高到某一值时,漏源电流 就会突然增大,输出特性曲线向上翘起而进入击穿区. 关于击穿原因,可用两种不同的击穿机理进行解释:漏 区与衬底之间PN结的雪崩击穿和漏-源之间的穿通.
以 N沟道增强型MOS场效应晶体管为例,推导其电流-电 压特性.作如下假设 1) 源接触电极与沟道源端,漏接触电极与沟道漏端之间 的压降忽略不计. 2) 沟道电流为漂移电流. 3) 反型层中电子迁移率n为常数. 4) 沟道与衬底PN结反响饱和电流为零.
5) 当对MOS管同时施加栅源电压UGS和漏源电压 UDS时,栅源电压将在垂直与沟道的x方向(见下图) 产生纵向电场Ex,使半导体表面形成反型导电沟道; 漏源电压将在沟道方向产生横向电场Ey,在漏源之 间产生漂移电流.
1. 漏区-衬底之间的PN结击穿 在MOS晶体管结构中,栅极金属有一部分要覆盖在漏极上. 由于金属栅的电压一般低于漏区的电位,这就在金属栅极 与漏区之间形成附加电场,这个电场使栅极下面PN结的耗 尽区电场增大,如下图,因而使漏源耐压大大降低.
2. 漏-源穿通 当沟道足够短,并且衬底为低掺杂,若漏源电压UDS足够大 时,使漏结耗尽区向源端扩展并与源端周围的耗尽区相连, 便发生漏-源之间的直接穿通. 由穿通现象引起的漏源击穿电压为
当栅极电压UGS稍低于阀值电压UT,甚至UGS=0时,在栅 氧化层正电荷作用下,栅下P型半导体的表面很可能处于 弱反型状态,沟道中仍有很小的漏电流通过. 通常将栅源电压低于阀值电压,器件的工作状态处于亚阀 值区,流过沟道的电流成为亚阀值电流. 弱反型时亚阀值电流由下式给出
I DS WκT 1 =q Dn n P 0 e qE S L
四种 MOS 晶体管的结构,接法和特性曲线
a) N沟道增强型 b) N沟道耗尽型 c) P沟道增强型 d) P沟道耗尽型
4.3 MOS场效应晶体管的阀值电压
4.3.1 阀值电压
NA 对于MOS 结构的P型半导体,其费米势为: ψ F = q ln n i
左图给出了 MOS 结 构强反型时的能 带图和电荷分布 图. a) 能带图 b) 电荷分布图 1. MOS 结构中的电荷分布
(q (ψ F ψ s ) p s = ni exp κT
通过以上讨论,以下各区间的表面电势可以区分为: Ψs<0空穴积累(能带向上弯曲); Ψs=0平带情况; ΨF>Ψs>0空穴耗尽(能带向下弯曲); ΨF=Ψs 表面上正好是本征的ns=ps=ni ΨF<Ψs 反型情况(反型层中电子积累,能带向下弯曲).
BU DSP qN BC 2 = L 2ε 0 ε S
式中,NBC为衬底材料的杂质浓度;L为沟道长度.
3. 最大栅源耐压BUGS 最大栅源电压是指栅-源之间能够承受的最高电压, 它是由栅极下面SiO2层的击穿电压所决定. 结构完整的SiO2发生击穿所需的临界电场强度
Eox (max) = 8 × 10 6 V / cm
1. 线性工作区的伏安特性 线性工作区,漏源电压很小,故沟道压降很小,可以忽略 不计,线性工作区的漏源电流则可表示为 I DS dy = (U GS U T )W n C OX dU ( y ) 将上式积分便可得到线性区的直流伏安特性方程式
I DS
W n COX (U GS U T )U DS = L