半导体器件物理课件 2016-10-17

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。 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。
11
I DS
VTN 1 2 I DS ( ) T T VGS VTN T
85
1 、 一 p 沟 道 的 n+ 多 晶 硅 -SiO2-Si-Mosfet ， 其 ND=1017cm-3, Qf/q=5*1010cm-2且d=10nm，试计算其阈值电压 2、一理想SiO2-Si Mosfet的d=10nm,NA=5*1016cm-3，试找 出使界面强反型所需的外加偏压以及在界面处的电场强 度 3、假设氧化层中的氧化层陷阱电荷Q0t为薄电荷层，且其 在x=5nm处的面密度为5*1011cm-2，氧化层的厚度为10nm, 试计算因Q0t所导致的平带电压的变化
82
83
84
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 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
NMOS： 1）NA一定时，Qox VT （ 仍是
-3 12 10 1014 1017
3
Qox 12 ）当 102 q
Qox q
时，NA
在1015cm-3
-6 1011
VTn <0，为DMOS 3） 比较低，可通过NA高低控制 才形成EMOS
Qox 11 -3， 10 cm 2 NA>1015 cm q
ND
0 0.3 0.6 0.9 NBC 1010
Vms
| VTP |
尽量使得Vms=0 用硅栅工艺（用多晶硅作 栅极）
Al（n-Si) Al（p-Si) 1014 NMOS 1018
阈值电压
（3）衬底杂质浓度的影响 费米势： 耗尽层电荷： kT ln N A
F
q
ni
F
kT N D ln q ni
所以，NMOS易形成耗尽型
阈值电压
PMOS：
| Qox |
| VTP |
VTp 0
VTp始终小于0，为EMOS 欲PMOS成为DPMOS，可预制一层P型预反型层或利用Al2O3 膜的负电荷效应，制作Al2O3/SiO2复合栅
测试题
1、写出实际阈值电压表达式并解释各项的物理 意义，说明控制阈值电压的具体措施。 2、导出 MOSFET反型和强反型条件 3 、 一 n 沟 道 的 n+ 多 晶 硅 -SiO2-Si-Mosfet ， 其 NA=1017cm-3, Qf/q=5*1010cm-2且d=10nm，试计算其阈值电压
迁移率变化
速度饱和
在长沟MOSFET的分析中，我们假设迁移率是常数，这意味着随着电场的 增大漂移速度将无限地增加。在这种理想情况下，载流子速度会一直增加， 直到达到理想的电流。然而，我们可以看到在增大电场时载流子速度会出现 饱和。速度饱和在短沟道器件中尤其重要，因为相应的水平电场通常是很大 的。 下图所示为漏电流与漏源电压的函数关系在迁移率为常数时和在迁移率依赖 于电场时的对比情况。从依赖于电场的迁移率曲线中可以看到，ID(sat)的值 变小了，而且它近似地线形依赖于VGS。
1 2
1 2
QB
QOX
Qn
QB 2 s 0 qN AVS
1 2
阈值电压 理想状态MOSFET的阈值电压
VOX 2 s 0 qN AVS QB COX COX COX
1 2
栅 电 极
栅 氧 化 层
P型半导体
OX 0
tOX
栅氧化层 厚度
QG
QB
QOX
PMOS：
VTp
Qox qND xd max 2kT N D ln Vms Cox Cox q ni
阈值电压
（3）非平衡下之VT
VDS>0
1 2
2 0 VS V y xd max qN A
阈值电压
max qN A xd max 2 0 qN A (VS V y ) QB
理想假设条件 下不考虑
Qn
阈值电压 理想状态MOSFET的阈值电压
栅 电 极 栅 氧 化 层
QB q N A xB
空间电荷区宽度 (强反型时可视为n＋p)
P型半导体
QG
4 s 0 kT 2 s 0Vs NA xB ln 2 qN q N n B B i
53
54
55
56
57
阈值电压
MOSFET表面呈现强反型形成导电沟道时的栅源电压，以VT表示
VT VOX VS VFB
VOX ：栅电压VG 降落在 SiO2 绝缘层上的部分 VS ： 栅电压VG 降落在半导体表面的部分
VFB ：平带电压
阈值电压
强反型时的电荷分布
QG：金属栅上的面电荷密度 QOX：栅绝缘层中的面电荷密度 Qn ：反型层中电子电荷面密度 QB ：半导体表面耗尽层中空间电荷面 密度
76
77
亚阈值电导
在理想电流－电压关系中，当栅源电压小于或等于阈值电压时 漏电流为零。而在实验中，当VGS≤VT时，ID并不为零。下图是 已经推导出的理想特性与实验结果之间的对比示意图。VGS≤VT 时的漏电流称为亚阈值电流。
79
考虑到漂移电流和扩散电流后，总的漏--源电流为：
80
81
栅 电 极
栅 氧 化 层
P型半导体
QG
QB
QOX
QG QOX Qn QB 0
Qn
阈值电压
理想状态MOSFET的阈值电压
1. 2.
理想状态：Qox＝0，Vms＝0
沟道形成时的临界状态：Qn＝0 出现强反型后：xd
xd max
1 2
4.
xdmax
1 2
4 0 kT N A 2 0VS ln 2 qN n q N A i A
-
VD
y
-
N+
-
-
N+
-
-
-
x
P衬底
9
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。
10
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。
19
根据上述假设，漏端表面空间电荷区的一维泊松方程
式中：
20
反型层内少子电荷
其中函数F由下式定义
21
为了得到解析解，可采用金属-绝缘体-半导体的处理 方法得出； 漏端沿x方向的表面泊松方程
从表面到体内积分
即 总的半导体表面电荷由高斯定律得到：
耗尽层电荷 强反型以后单位面积的反型层电荷Qn由下式
W Wm S q
' WS' Wm （由于金半之间有一层氧化层） Vms q Eg kT N A 1 ln Vms NA m | VTn | q 2 q n i
Vms
修正
P－Si N－Si
Vms
Vms
Eg kT N D 1 ln m q 2 q ni
半导体器件物理
1
MOS场效应晶体管
2
3
4
5
MOSFET基本原理
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。
6
7
8
G S
VG W
D
L z tOX
12
13
14
15
16
17
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。
18
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。
QB max qN A xd max 2 0 qN AVS
1 2
阈值电压
VOX QG COX
栅 电 极 栅 氧 化 层
单位面积 栅电容
P型半导体
QG Qn QB QOX QB
QG
刚达到强反型时Qn分布在 表面很薄的一层内 Qn<<QB
QB
QOX
1 2
阈值电压
（4） 衬偏电压VBS≠0
2 0 VS V y | VBS | max xd qN A
1 2
max qN A xd max 2 0 qN A (VS V y | VBS |) QB
1 2
1 Qox 1 2kT N A 2 2 0 qN A VS V ( y) | VBS | ln Vms VTn Cox Cox q ni