微电子器件MOSFET

BJT和FET的比较
BJT 电流控制器件 双极器件 FET 电压控制器件 单极器件
依靠少子工作,噪声大 依靠多子工作,噪声低 输入阻抗高,利于直接耦合,输 入功耗小 温度稳定性好,具有零或负的 温度稳定性差 温度系数 工艺较复杂,集成度低 制造工艺较BJT简单,EMOS有 天然的隔离,集成度高 输入阻抗低
源极 栅极 漏极
Z
d
+
SiO 2 n
rj
L
n
+
z y( E y ) x(Ex )
p
衬底
MOSFET基本原理
一、输出特性 ： 当在栅极上施加一偏压，并在半导体表面产生反型．若 在漏极加一小的电压，电子将会由源极经沟道流向漏极(对应 电流为由漏极流向源极)．因此，沟道的作用就如同电阻一 般，漏极电流ID与漏极电压成比例，此即如图(a)右侧恒定电 阻直线所示的线性区 线性区． 线性区
VG > VT VD (小) ID n+ L
p 沟道 耗尽区 (a) 低漏极电压
ID
n+
VD
MOSFET基本原理
半导体表面强反型形成导电沟道时，沟道呈现电阻特性，当 漏-源电流通过沟道电阻时将在其上产生电压降。若忽略其它电 阻，则漏端相当于源端的沟道电压降就等于漏-源偏置电压VDS。由 于沟道上存在电压降，使栅绝缘层上的有效电压降从源端到漏端逐 渐减小，降落在栅下各处绝缘层上的电压不相等，反型层厚度不相 等，因而导电沟道中各处的电子浓度不相等。当漏极电压持续增 加，直到漏端绝缘层上的有效电压降低于表面强反型所需的阈值电 压VT时，在靠近y=L处的反型层厚度xi将趋近于零，此处称为夹断点 (a) P，如图(b)。 V >V
四端器件： S、G、D 和B四 个电极 S与B常相连接地
N＋: 源、漏区 L：沟道长度 W：沟道宽度 tox: 栅氧化层厚度 xj：源/漏区结深 NA：沟道区掺杂浓度
MOSFET基本原理
MOSFET的基本特性
MOSFET中源极作为电压参考点．当栅极无外加偏压时，源极到 漏极电极之间可视为两个背对背相接的p-n结，而由源极流向漏极 的电流只有反向漏电流． 当外加一足够大的正电压 于栅极上时，MOS结构将被反 型，以致于在两个n+ 型区域之 间形成表面反型层即沟道．源 极与漏极通过这一导电的表面n 型沟道相互连结，并可允许大 电流流过．沟道的电导可通过 栅极电压的变化来加以调 节．衬底接点可连接至参考电 压或相对于源极的反向偏压， 衬底偏压亦会影响沟道电导．
Si、Ge、SiC、InP
理想MOS结构
忽略金-半功函数差 忽略氧化层的可动离子和固 定电荷 忽略Si/SiO2界面态 氧化层中无电流流过,Ig ＝ 0
半导体表面的几种状态
B. 积累态
1) VG < VFB 2) φS < 0 3) - QG = Qacc > 0
积累层中电势分布
积累层中载流子分布剖面
G T
VD = VDsat n+
此时的漏-源电压称为饱和 电压VDsat。超过夹断点后，漏极 的电流量基本上维持不变，因 为 当 VD>VDsat 时 ， 在 P 点 的 电 压 VDsat保持固定。
ID
IDsat
n+ 夹断点 ( p)
耗尽区
VDsat (b) 进入饱和区，p点为夹断点
0
VD
MOSFET基本原理
C. 耗尽态
1) VFB < VG < VT 2) 0 < φS < φF φF --- 费米势：本 征半导体与掺杂半导 体接触时在热平衡状 态下的接触电势
qφ F ≡ ( Ei − E F ) 体内
kT N A φF = ln q ni
qφF ≡ ( Ei − E F )体内
3) - QG = Qd < 0
VGS = VOX + φS VOX
1 2
理想MOS结构，不考虑金属－半导体功函数差,所以
QG QB max = =− COX COX
2ε 0ε S N A 2φ F QB max kT N A VT 0 = − + 2φF = +2 ln COX COX q ni
实际MOSFET阈值电压
实际MOS中， Qox≠0 ， 金-半功函数差 φms ≠ 0 VG＝0时，半导体表面能带已弯曲
1 .0
(c ) C / C0
(b )
(a)
0 .5
0 −V 0 +V
C-V
实际MOSFET阈值电压
VT = VT 0 + VFB 2ε 0ε s qN A 2φF Qox 2qN itφF kT N A = +2 ln + φms − + Cox q ni Cox Cox
物理意义：若在半导体表面建立反型层，则所加栅 电压必须：①抵消金－半接触电势差；②补偿氧化 层中氧化物面电荷及界面态电荷；③在半导体表面 建立耗尽层电荷QBmax；④提供出现反型层所对应的 表面电势。
wk.baidu.com
n
0 − D
+
VD 0
0 VG VTp VG 0
+
− VD
p 沟增强型 (常闭 ) p
−1 −2
−
+
+
n + − G I D
p
−3 VG = − 4 V − VD
ID 0 −
ID VG 0 +
− D
+
p 沟耗尽型 (常开 )
1 2 0
p
+
n p 沟道
p
VG = − 1V
ID
ID
5.3 MOSFET阈值电压
♦平带电压：恢复平直能带所需加的栅电
压称为平带电压：
VFB
Qox 2qN itφF = φms − + Cox Cox
φms：金-半功函数差；Qox：氧化物电荷；Nit：界面态密度(cm-2eV-1)
实际MOS电容CV曲线
图中(a)为一理想MOS电容的C-V特性。由于受qφms、Qf、Qm与Qot 的影响，C-V曲线将平行漂移，如图中(b)所示．若存在大量界面陷 阱电荷，这些位于界面陷阱处的电荷将随表面电势而变，C-V曲线 也随之而改变。因此，由于界面陷阱电荷， C-V曲线变为图中(c) 所示， C-V曲线不但会扭曲变形，而且会产生偏移．
φ 's = χ '+[ EC − ( EF ) S ] = χ '+ En
2ε 0ε s qN A γ= COX 体效应系数
衬偏压对阈值电压的影响
2. 栅电容Cox的影响
Qox QB max 2qN itφF VT = −Vms − − + + 2φF Cox Cox Cox
栅电容Cox越大，|VT|值越小, 而COX =ε0εox／tox
Si3 N :⇒ 6.4 ε ox = Al2O3 :⇒ 7.5 SiO :⇒ 3.9 2
第一章
MOSFET I：物理效应和模型 ·
MOSFET： Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors 又称绝缘栅场效应晶体管: Insulated Gate FET 一般地，MISFET: Metal-Insulator-Semiconductor FET 特点：
影响MOSFET阈值电压的因素分析
1、衬偏压对阈值电压的影响 VBS使场感应结反偏，耗尽层宽度增加：
xdm = 2ε 0ε s (2φF + VBS ) qN A
VBS < 0
从而 增加量
QB max = −qN A xdm = − 2ε 0ε s qN A (2φF + VBS )
∆VT = γ ( 2φF + VBS − 2φF )
沟道被夹断后，若VG不变，则当漏极电压持续增加时，超过夹 断点电压VDsat 的那部分即VDS-VDsat将降落在漏端附近的夹断区上， 因而夹断区将随VDS的增大而展宽，夹断点P随之向源端移动，但由 于P点的电压保持为VDsat 不变，反型层内电场增强而同时反型载流 子数减少，二者共同作用的结果是单位时间流到P点的载流子数即 电流不变。一旦载流子漂移到P点，将立即被夹断区的强电场扫入 漏区，形成漏源电流，而且该电流不随VDS的增大而变化，即达到饱 和。此即为饱和区 饱和区， 饱和区，如图(c)所示．当然，如果VDS过大，漏端p-n结 会发生反向击穿。
表面总面电荷密度
•表面总面电荷密度 •电中性条件：
= 反型层电荷 + 耗尽层电荷： QS = Qn + QB QG + QOX + Qn + QB = 0
理想MOS阈值电压
• QOX = 0 •刚强反型时，沟道反型层电子浓度刚好等于P
型衬底掺杂浓度，且反型层厚度极薄，所以： Qn << QBmax
MOSFET基本类型
类型 剖面图 + n 沟增强型 (常闭 ) n
+
输出特性 ID + D
+
转移特性 ID
G
ID
VG = 4 V 3 2 1 VD −
p + − G I D
n
0 ID
0 V Tn + ID
+ D
+
VG = 1V 0 −1 −2 VTn −
n 沟耗尽型 (常开 ) n
+
p n 沟道 − G ID
金属的修正功函数 表5－2 金属功函数 金属 φm(eV) Mg 3.35 Al Ni Cu Au Ag 4.1 4.55 4.7 5.0 5.1
φ’
' φm = φ m − qx ox ( SiO2的x ox = 0.9)
m(eV)
半导体的修正功函数
2.45 3.2 3.65 3.8 4.1 4.2
VG > VT VD = VD sat n+
( p) p L′ 耗尽区 0 (c) 过饱和
ID
n+
VD
二.MOSFET基本 基本工作原理（以n沟增强型为例） 基本
1）当VG＝0时 IDS ≈ 0 2）0 < VGS < VT，表面耗尽， IDS ≈ 0 3）VGS ≥ VT，形成表面反型电子沟道，若 VDS ≠ 0, 将形成较大的IDS 随VGS ↑ →电子数 ↑ → IDS ↑ 工作原理：基于半导体表面场效应，实现 电压对电流的控制 阈值电压 VT：使半导体表面达到强反型时 所需的栅源电压
与Si有晶格失配
↓ tox , 但tox 太小会出现针孔 ⇒ 栅穿 要 ↓ VT ⇒↑ Cox 或直接隧穿 ↑ ε ⇒ 采用高k栅介质材料
3.功函数差φms的影响
功函数：一个材料的功函数就是把一个电子由 该材料的费米能级移到真空中去所需做的功 修正的功函数：在MOS结构中要考虑的能量是从 金属和半导体中费米能级到SiO2导带底的能量差 φ’m和φ’s称为修正的功函数。（见下图）
MOSFET转移特性
三. MOSFET基本类型
表5-1 MOSFET的四种类型
类 型 衬底 S,D区
沟道载流子 N沟MOSFET P沟MOSFET
耗尽型
P型 N +区
增强型
耗尽型
N型 P +区
增强型
电子
＞0 由D→S VT ＜0 VT ＞0 VT ＞0
空穴
＜0 由S → D VT ＜0
VDS IDS方向 阈值电压 电路符号
一、阈值电压定义 使半导体表面出现强反型，形成导电沟道 时的栅源电压即为阈值电压。 E-MOSFET: 截止 → 导通 D-MOSFET: 导通 → 截止 开启电压 夹断电压
MOS结构中的电荷分布
QG：栅电极上的面 电荷 QOX：栅氧化层中的 面电荷 Qn：反型层中导电电 子电荷面密度 QB：半导体表面耗尽层中空间电荷面密度
pS = N Ae
− qφ S / kT
2 i
Si表面感应电荷与表面势的关系
MOS电容
COX =
CD =
CMOS 1
ε 0ε ox
tox
xd
等效电路
ε 0ε Si
COX CD = = 1 1 C + C OX D + COX CD
MOS电容C-V曲线
5.2 MOSFET结构及工作原理
一.基本结构
基本内容
MOS结构及其特性 MOSFET结构及工作原理 MOSFET阈值电压 MOSFET直流特性
短沟道MOSFET的各种模型 短沟道MOSFET的特殊效应
CMOS设计及工艺简介
1.1 MOS结构及其特性
Al、掺杂多晶硅
SiO2 MOSFET Si3N4 MNOSFET Al2O3 MAOSFET
D. 强反型
1) φS ≥ 2φF nS ≥ NA
2)－QG＝Qd＋Qinv < 0
ni2 qφS / kT −qφS / kT p = N e nS = e S A NA
C. 弱反型
VFB < VG < VT
- QG = Qd < 0
φF ≤ φS < 2φF
n qφS / kT nS = e NA
•强反型时，耗尽层宽度和电荷即达到一
极大值
xd max = 2εε 0VS = qN A 4εε 0 kT N A ln 2 q NA ni
1 2
QB max = − qN A xd max = −[2εε 0 qN A 2φF ]
理想MOS阈值电压
QG = −QB max = [2εε 0 qN B 2φF ]