半导体物理6

绝缘体
栅极
栅极
n
n
p 掺杂半导体衬底
n 型MOS管
漏极
源极
漏极 源极
漏极
衬底 耗尽型电路符号
衬底 增强型电路符号
PMOS晶体管基本结构与电路符号
栅极 源极
导体 绝缘体
栅极
栅极
p
p
n 掺杂半导体衬底
p 型MOS管
漏极
源极
漏极 源极
漏极
衬底
衬底
耗尽型电路符号
增强型电路符号
6.2.1 基本特性
工作方式——线性区
|VD C
Z L u nCo (VG
VT )
gD 0
提取阈 值电压
研究亚 阈特性
转移特性曲线
举例：对一n型沟道n型多晶硅-SiO2-Si的
理想MOSFET的电流电压方程式：
ID
Z L
u nCo{(VG
2ψB
VD 2
)VD
2 3
2 s qN A
Co
[(VD
2ψB )2 / 3
(2ψB )3/ 2 ]}
截止区：ID 0
VG <VT
线性区：
Z ID L unCo (VG VT )VD
VD (VG VT )
gD
I D VD
|VG C
SiO2
Si
界面陷阱电荷
实际MOS二极管的C-V曲线
平带电压：
VFB源自文库
ms
Qf
Qm Co
Qot
实际MOS二极管的阈值电压：
VT
VFB
qN AWm Co
ψs (inv) VFB
2 sqN A (2ψB )
Co
2ψ B
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
Z L
u nCo
(VG
VT )
gm
I D VG
|VD C
Z L
u
n CoVD
长沟MOSFET的输出特性
饱和区：
VDsat VG 2ψB K 2 (1 1 2VG / K 2 )
K
I Dsat
(
Zu nCo 2L
)(VG
VT )2
s qN A
Co
VD VDsat
gm
I D VG
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
N+
Qsc(y)
0 y y+dy L
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
栅极 源极
导体
金属与半导体功函数差对MOS结构C-V特性 的影响
❖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
氧化层陷阱电荷
可动离子电荷 Na+
K+
氧化层固定电荷
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 空穴积累； ψs=0 平带情况； ψB>ψs>0 空穴耗尽； ψs = ψB 禁带中心，ns=np=ni； 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
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
强反型发生时，Cmin：
Cm in
d
ox ( ox / s )Wm
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。
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）。
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Φm和半导体的Φs ） 电子亲和力
理想MOS二极管定义：
零偏压时，功函数差Φms为零； 任意偏压下，二极管中的电荷仅位于半导
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。
理想MOS二极管的C-V曲线
理想情况下的阈值电压：
VT
qN AWm Co
ψs (inv)
2 s qN A (2ψB )
Co
2ψ B
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
简要过程：
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。
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。 ❖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。