半导体物理6

狭沟道效应
当沟道宽度很狭窄时，随着W的减小， 阈值电压将增大，此现象称为狭沟道效应。 在沟道宽度方向，实际耗尽区大于理想 耗尽区，实际耗尽区的电荷大于理想耗尽区 的电荷，使VT增大。
VT
o si
4 WC ox
(2 B VBS )
DIBL效应
(drain-induced barrier lowering) 短沟道MOSFET的漏极电压由线性区增 至饱和区时，其阈值电压下跌将更严重，原 因：当沟道长度足够短时，漏极电压的增加 将减小表面区的势垒高度（漏极与源极太接 近所造成的表面区的电场渗透），此势垒降 低效应导致电子由源极注入漏极，造成亚阈 值电流增加，此效应称为漏极导致势垒下降 效应。
若E<105V/cm， μ为常数，约为体内迁移率的一半，
正常温度范围： μ与T近似成反比关系。 3. IDS~T的关系
I DS
VTN 1 2 I DS ( ) T T VGS VTN T
6.2.7 MOSFET交流小信号模型
低频交流小信号模型：
VDS 1 1 1 ro = = = = μ n C ox W ID ID/ VDS (VGS - VTH)2 λ λID 2 L
VD VDsat
I D Z gm | VD C u n Co (VG VT ) VG L
gD 0
转移特性曲线
提取阈
值电压
研究亚
阈特性
举例：对一n型沟道n型多晶硅-SiO2-Si的
MOSFET，其栅极氧化层厚度为8nm， NA=1017cm-3，VG=3V，计算饱和电压。
第6章 MOSFET及相关器件





6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6
MOS二极管 MOSFET基本原理 MOSFET按比例缩小 CMOS与双极型CMOS 绝缘层上MOSFET MOS存储器结构
相关主题
1 MOS二极管的VT与反型条件 2 MOSFET基本特性 3 按比例缩小理论与短沟道效应的关系 4 低功耗CMOS逻辑 5 MOS存储器结构
6.2.4 MOSFET的最高工作频率
当栅源间输入交流信号时，由源极增加（减少） 流入的电子流，一部分通过沟道对电容充（放）电， 一部分经过沟道流向漏极，形成漏极电流的增量。 当变化的电流全部用于对沟道电容充（放）电时， MOS管就失去放大能力。 最高工作频率定义为：对栅输入电容的充（放） 电电流和漏源交流电流相等时所对应的工作频率，
曲线（1）为理想MIS结构的C-V曲线
曲线（2）为金属与半导体有功函数差时的C-V 曲线
二、界面陷阱与氧化层电荷
主要四种电荷类型：界面陷阱电荷、氧化层固定 电荷、氧化层陷阱电荷和可动离子电荷。
金 属
可动离子电荷 氧化层陷阱电荷 Na+ K+ 氧化层固定电荷
SiO2
Si
界面陷阱电荷
实际MOS二极管的C-V曲线

2qεsiNsub ,γ = Cox
体效应系数， VBS＝0时，＝0
源极跟随器
无体效应
有体效应
MOS管体效应的Pspice仿真结果
Id Vb=0.5v Vb=0v Vb=-0.5v
体效应的应用：
•利用衬底作为MOS管的第3个输入端
•利用VT减小用于低压电源电路设计
Vg
沟道调制效应
沟道发生夹断后，有效沟道长度L’实际上是VDS 的函数。△L/ L= λVDS， λ称为沟道调制系数。
平带电压：
VFB ms Q f Qm Qot Co
实际MOS二极管的阈值电压：
2 s qN A (2ψ B ) qN AWm VT VFB ψ s (inv) VFB 2ψ B Co Co
6.1.3 CCD器件
三相电荷耦合器件的剖面图
6.2 MOSFET基本原理
基本FET结构
6.1 MOS二极管
MOS二极管是MOSFET器件的枢纽； 在IC中，亦作为一储存电容器；CCD器件 的基本组成部分。
6.1.1 理想MOS二极管

理想P型半导体MOS二极管的能带图：
功函数（金属的Φ m和半导体的Φ s ） 电子亲和力


理想MOS二极管定义：
零偏压时，功函数差Φ ms为零； 任意偏压下，二极管中的电荷仅位于半导 体之中，且与邻近氧化层的金属表面电荷 量大小相等，极性相反； 直流偏压下，无载流子通过氧化层。
亚0.1微米MOSFET器件的发展趋势
Source Gate Drain
N+(P+)
N+ (P+)
P (N)
N+ (P+)
FinFET（鳍式场效应晶体管）器 件结构
22nm以下首选器件结构，由胡正明发明
6.2.2 MOSFET种类
N沟增强型 N沟耗尽型 P沟增强型 P沟耗尽型 转移特性 输出特性
理想MOS二极管的C-V曲线
理想情况下的阈值电压：
2 s qN A (2ψ B ) qN AWm VT ψ s (inv) 2ψ B Co Co
强反型发生时，Cmin：
Cmin d ( ox / s )Wm
ox
6.1.2 实际MOS二极管
金属-SiO2-Si为广泛研究，但其功函数 差一般不为零，且在氧化层内部或SiO2-Si界 面处存在的不同电荷，将以各种方式影响理 想MOS的特性。
MOSFET的缩写：IGFET、MISFET、 MOST。 1960年，第一个MOSFET首次制成，采 用热氧化硅衬底，沟道长度25um，栅氧化 层厚度100nm（Kahng及Atalla）。 2001年，沟道长度为15nm的超小型 MOSFET制造出来。
NMOS晶体管基本结构与电路符号
源极 栅极 导体 绝缘体 栅极 栅极
L
理想MOSFET的电流电压方程式：
VD Z 2 2 s qN A I D u n Co {(VG 2ψ B )VD [(VD 2ψ B ) 2 / 3 (2ψ B ) 3 / 2 ]} L 2 3 Co
截止区：ID
0
VG <VT
线性区：
Z I D u n Co (VG VT )VD VD (VG L I D Z gD | VG C u n Co (VG VT ) VD L
一、功函数差
•铝：qΦm=4.1ev； •高掺杂多晶硅：n+与p+多晶硅的功函数分别为 4.05ev和5.05ev； •随着电极材料与硅衬底掺杂浓度的不同，Φms发生 很大变化； •为达到理想平带状态，需外加一相当于功函数的 电压，此电压成为平带电压（VFB）。
金属与半导体功函数差对MOS结构C-V特性 的影响
MOSFET高频交流小信号模型
考虑二阶效应，高频时分布电容不能忽略。
6.3 MOSFET按比例缩小
6.3.1 短沟道效应 1. 线性区中的VT下跌
2. DIBL效应
3. 本体穿通 4. 狭沟道效应
线性区中的阈值电压下跌
电 荷 共 享 模 型
VT qN AWm rj C0 L ( 1 2Wm 1) rj
Zu n Co I DS ( )(VG VT ) 2 (1 VDS ) 2L
(
L
L 1 )( ) L L VDS VDS ,SAT
2 si (VDS VDS , SAT ) qN B
λ的大小与沟道长度及衬底浓度有关。 沟道调制系 效应改变了MOS管的I/V特性，进而改变了跨导。输 出阻抗 r。约为1/ (λID)。
工作方式——线性区
工作方式——饱和区
过饱和

推导基本MOSFET特性
理想电流电压特性基于如下假设
1 栅极结构理想；
2 仅考虑漂移电流；
3 反型层中载流子迁移率为固定值；
4 沟道内杂质浓度为均匀分布；
5 反向漏电流可忽略；
6 沟道内横向电场>>纵向电场
7 缓变沟道近似。

推导基本MOSFET特性
6.2.3 阈值电压控制
2 s qN A (2 B VBS ) VT VFB 2 B Co
•阈值电压可通过将离子注入沟道区来调整； •通过改变氧化层厚度来控制阈值电压，随着氧化层 厚度的增加，VTN变得更大些，VTP变得更小些； •加衬底偏压； •选择适当的栅极材料来调整功函数差。
n
n
漏极 源极 衬底 耗尽型电路符号 漏极 源极 衬底 增强型电路符号 漏极
p 掺杂半导体衬底 n 型MOS 管
PMOS晶体管基本结构与电路符号
源极 栅极 导体 绝缘体 栅极 栅极
p
p
漏极 源极 衬底 耗尽型电路符号 漏极 源极 衬底 增强型电路符号 漏极
n 掺杂半导体衬底 p 型MOS 管
6.2.1 基本特性
本体穿通（punch-through ）
短沟道MOSFET中，源极结和漏极结耗 尽区宽度的总和与沟道长度相当。当漏极电 压增加时，漏极结的耗尽区逐渐与源极结合 并，因此大量的漏极电流可能由漏极经本体 流向源极。 由于本体穿通效应，栅极不再能够将器 件完全关闭，且无法控制漏极电流。高漏电 流将限制短沟道MOSFET的工作。
解：
Co= ox/d =4.32×10-7F/cm2
K
s qN A
Co
0 .3
2 B 0.84V
VDsat VG 2ψ B K 2 (1 1 2VG / K 2 ) 1.51 V
亚阈值区
•当栅极电压小于阈值电压，且半导体表 面弱反型时，---亚阈值电流； •在亚阈值区内，漏极电流由扩散主导； •在亚阈值区内，漏极电流与VG呈指数式 关系； lgI ）/ V ]-1。 •亚阈值摆幅：[（ D G
外加一更大正电压，能带向下弯曲更严重，使表面的Ei 越过EF,当电子浓度远大于空穴浓度时——反型现象。
三 种 状 态
由p型半导体构成的MOS结构在各种VG下 的表面势和空间电荷分布：
表面电势ψs：
ψs<0
ψs=0
空穴积累；
平带情况；
ψB>ψs>0 空穴耗尽；
ψs = ψB 禁带中心，ns=np=ni；
简要过程：
1 点y处的每单位面积感应电荷Qs（y）； 2 点y处反型层里的每单位面积电荷量 Qn（y）；
3 沟道中y处的电导率；
4 沟道电导；
5 dy片段的沟道电阻、电压降；
6 由源极（y=0,V=0）积分至漏极(y=L,V=VD)得ID。
沟道放大图（线性区）
Qn(y)
N+
Id
Qsc(y)
N+
0
yLeabharlann Baiduy+dy

MOS二极管中三个分离系统的能带图
半导体表面三种状态
随金属与半导体所加的电压VG而变化，半导体表面出现 三种状态：基本上可归纳为堆积、耗尽和反型三种情况。 以P型为例，当一负电压施加于金属上，在氧化层与半 导体的界面处产生空穴堆积，——积累现象。
外加一小量正电压，靠近半导体表面的能带将向下弯曲， 使多数载流子（空穴）形成耗尽——耗尽现象。
ψs >ψB
反型（ ψs> 2ψB 时，强反型）；
强反型时，表面耗尽区的宽度达到最大值： Qs=Qn+Qsc=Qn-qNAWm
理想MOS二极管的C-V曲线
V=Vo+ψs C=CoCj/(Co+Cj) 强反型刚发生时的 金属平行板电压— —阈值电压 一旦当强反型发生时，总 电容保持在最小值Cmin。
I D Z gm | VD C u n CoVD VG L
VT )
长沟MOSFET的输出特性
饱和区：
VDsat VG 2ψ B K 2 (1 1 2V G / K 2 )
K
s qN A
Co
I Dsat
Zu n C o ( )(VG VT ) 2 2L
mCVGS g mVGS
gm n fm f m (VGS VT ) 2 2C 2L
6.2.5 MOSFET的二阶效应
1. 衬底偏置效应（体效应）
2. 沟道调制效应
3. 亚阈值导电
MOS管的开启电压VT及体效应
VTH = VTH0 + γ

2ΦF +VSB - 2ΦF
MOSFET的沟道调制效应
L
L = L - L
1 1 L = (1 + ) L L L
L’
1 1 = (1 + VDS ), L L
VDS
L = L
μnCox W 2 ID = (V GS - V TH ) (1 + λV DS ) 2L
6.2.6 MOSFET的温度特性
体现在阈值电压、沟道迁移率与温度的关系： 1. VT~T的关系 对NMOS：T 增加，VTN减小； 对PMOS：T 增加，VTP增加。 2. μ~T的关系