微电子器件(4-2)

“反型”（导电类型从p型转化为n型，或从n型转化为p型）

MOSFET 的分类及特性曲线

§4-2 MOSFET的阈电压V

T

MOS结构在栅电压的作用下，半导体的表面（或氧

化物与半导体之间的界面）处会出现哪几种状态？

p型衬底MOS结构（理想）能带图与电荷块图

两个定义

定义：使栅下的硅表面处刚开始发生强反型时的栅电压称

为阈电压（Threshold Voltage)，记为V

T 。

定义：当硅表面处的少子浓度达到或超过体内的平衡多子浓度时，称为表面发生了强反型。

阈值电压是决定MOSFET能否导通的临界栅电压，因此又称开启电压，是MOSFET的重要参数之一。

φ

上图中:

FP

称为P 型衬底的费米势内与表面本征费米势之差

根据表面势的定义（体内与表面本征费米势之差）

对理想MOS 结构，当栅极施加电压V G ，V G 降落在什么地方？

s

OX G V V φ+=栅

电

极栅氧化

层P 型半导体

Q n Q M Q A

1、一部分降落在栅氧化层上，使MOS 结构中产生感应电荷。

2、另一部分则降落在半导体表面上，使能带弯曲，产生表面势φS ，以提供相应的感应电荷。所以

所以有

二、实际MOS 结构的阈电压

,0≠≠MS ox Q

φ热生长的SiO 2-Si 结构中电荷中心的特点及位置

关于氧化层电荷（Q ox )的来源、特点与位置，以及工艺上如何减少这些电荷，可参考Robert F.Pierret 的《半导体器件基础》p465-480

>OX Q 实际MOS 结构中一般的

能带的弯曲量为

OX

OX

MS S C Q q

q q +−=φφ

要使表面发生强反型，应使表面处的，这时

能带总的弯曲量是。

FP is F q E E φ=−FP q φ2FP

inv S S φφφ2,==此时的表面势为：2.3 实际MOS 结构当V G = V T 时的能带图

1、V T 一般表达式的导出

三、MOSFET

的V T

与MOS 结构相比，在MOSFET 中发生了以下变化：a) 栅与衬底之间的外加电压由V G 变为(V G -V B ) ，因此有效栅电压由(V G -V FB ) 变为(V G -V B -V FB ) 。

b) 有反向电压(V S -V B )加在源、漏及反型层的PN 结上，使之处于非平衡状态，E Fp -E Fn = q (V S -V B ) 。

c) 强反型开始时的表面势φS,inv 由2φFP 变为( 2φFP + V S -V B )。

课堂作业

=－1.13V，衬底的掺杂浓度设P型硅衬底MOSFET的φ

ms

N A=3×1016cm-3，氧化层的电荷密度Q ox=1.6×10-8C/cm2，试确定V

=0.65V时的栅氧化层厚度。取硅的介电常数为

T

11.7，氧化层的介电常数为3.9，硅的n i=1.5×1010cm-3。

答案：50.4nm

1、衬底偏置效应（体效应）

当V S = 0 时，可将源极作为电位参考点，这时V G = V GS 、V D = V DS 、V B = V BS 。

衬底偏置效应或体效应：MOSFET 的特性随衬底偏压V BS 的变化而变化现象。

五、常见的两种改变V T 的方法这里仅讨论V T 随V BS 的变化，该种方法可以用来在MOSFET 使用过程中调整阈值电压。

N 沟道MOSFET 的衬底偏置对转移特性的影响

¾随着|V BS |的增大而向右平移，阈电压增大。¾当V GS 一定时，漏极电流I D 随着|V BS |的增大而减小。

两个特点：

怎么解释这两个特点？

选做作业

查资料说明，氧化层电荷（Q

)的来源、

ox

特点与位置，以及工艺上如何减少这些电荷。