半导体器件物理_孟庆巨ppt课件.ppt

第五章MOS场效应晶体管 1 主要内容 一 MOSFET的基本结构二 MOSFET的工作原理三 MOSFET的直流特性曲线四 MOSFET的种类五 MOSFET的电容与频率特性六 MOSFET的技术发展 2 场效应晶体管 FieldEffectTransistor 是一种电压控制器件 用输入电压控制输出电流的半导体器件 仅由一种载流子参与导电 从参与导电的载流子来划分 它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件 3 从场效应晶体管的结构来划分 它有三大类 1 结型场效应晶体管JFET JunctiontypeFieldEffectTransistor 2 金属半导体场效应晶体管MESFET MetalSemiconductorFieldEffectTransistor 3 金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor 4 随着集成电路设计和制造技术的发展 目前大部分超大规模集成电路都是MOS集成电路 在数字集成电路 尤其是微处理机和存储器方面 MOS集成电路几乎占据了绝对的位置 此外 MOS在一些特种器件 如CCD 电荷耦合器件 和敏感器件方面应用广泛 5 促进MOS晶体管发展主要有以下四大技术 a 半导体表面的稳定化技术 b 各种栅绝缘膜的实用化 c 自对准结构MOS工艺 d 阈值电压的控制技术 6 MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构 它是在P型半导体上生成一层SiO2薄膜绝缘层 然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区 从N型区引出电极 一个是漏极D 一个是源极S 在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G P型半导体称为衬底 用符号B表示 一 MOSFET的基本结构 1 MOS场效应晶体管的结构 7 D Drain 为漏极 相当c G Gate 为栅极 相当b S Source 为源极 相当e B substrate 衬底极 通常接地 有时为了控制电流或由于电路结构的需要 在衬底和源之间也加一个小偏压 VBS MOS场效应晶体管是四端器件 若栅极材料用金属铝 则称 铝栅 器件 若栅极材料用高掺杂的多晶硅 则称 硅栅 器件 目前绝大部分芯片生产厂家是采用 硅栅 工艺 8 对NMOS晶体管 源和漏是用浓度很高的N 杂质扩散而成 在源 漏之间是受栅电压控制的沟道区 沟道区长度为L 宽度为W 对于NMOS 通常漏源之间加偏压后 将电位低的一端成为源 电位高的一端称为漏 电流方向由漏端流向源端 9 2 MIS结构 1 表面空间电荷层和反型层表面空间电荷层和反型层实际上属于半导体表面的感生电荷 MIS结构上加电压后产生感生电荷的四种情况 10 以P半导体的MIS结构为例 当栅上加负电压 所产生的感生电荷是被吸引到表面的多子 空穴 在半导体表面形成积累层 当栅上加正电压 电场的作用使多数载流子被排斥而远离表面 从而在表面形成由电离受主构成的空间电荷区 形成耗尽层 此时 虽然有少子 电子 被吸引到表面 但数量很少 这一阶段 电压的增加只是使更多的空穴被排斥走 负空间电荷区加宽 随着正电压的加大 负电荷区逐渐加宽 同时被吸引到表面的电子也随着增加 当电压达到某一 阈值 时 吸引到表面的电子浓度迅速增大 在表面形成一个电子导电层 即反型层 反型层出现后 再增加电极上的电压 主要是反型层中的电子增加 由电离受主构成的耗尽层电荷基本不再增加 11 2 形成反型层的条件 当VG较小时 表面处的能带只是略微向下弯曲 使表面费米能级EF更接近本征费米能级Ei 空穴浓度减少 电子浓度增加 但与电离受主的空间电荷相比仍较少 可忽略 12 VG继续增大 使表面费米能级EF与本征费米能级Ei时 表面电子浓度开始要超过空穴浓度 表面将从P型转为N型 称为 弱反型 发生弱反型时 电子浓度仍旧很低 并不起显著的导电作用 13 当表面势达到费米势的两倍 表面电子的浓度正好与体内多子空穴的浓度相同 称为 强反型 此时 栅极电压VG称为阈值电压VT 14 VG继续增大 耗尽层电荷QB和表面势Vs VF基本不再变化 只有反型层载流子电荷随电压VG增加而增加 对于表面反型层中的电子 一边是绝缘层 一边是导带弯曲形成的一个陡坡 空间电荷区电场形成的势垒 因此 反型层通常又称沟道 P型半导体的表面反型层由电子构成 称为N沟道 同理N型半导体的表面反型层由空穴构成 称为P沟道 15 3 发生强反型时 能带向下弯曲2qVF 即表面势达到费米势的两倍 施加在栅电极上的电压VG为阈值电压VT 式中QB为强反型时表面区的耗尽层电荷密度 Cox为MIS结构中一绝缘层为电介质的电容器上的单位面积的电容 16 三 MOSFET的直流特性 1 阈值电压平带电压VFB在实际的MOS结构中 栅氧化层中往往存在电荷 Qfc 金属 半导体功函数差Vms也不等于零 金属和半导体的功函数的定义为真空中静止电子的能量E0和费米能级之差 因此 当VG 0时半导体表面能带已经发生弯曲 为使能带平直 需加一定的外加栅压去补偿上述两种因素的影响 这个外加栅压值称为平带电压 记为VFB 17 阈值电压 18 MOSFET的放大作用 由于反型层电荷强烈地依赖于栅压 可利用栅压控制沟道电流 实现放大作用 当MOSFET沟道中有电流流过时 沿沟道方向会产生压降 使MOS结构处于非平衡状态 N型沟道的厚度 能带连同其费米能级沿y方向均随着电压的变化发生倾斜 2 MOSFET的电流 电压关系 19 漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 当VGS VT 且固定为某一值时 分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响 VDS的不同变化对沟道的影响 见右图 对N型沟道和P型衬底之间的PN结来讲 结上的偏置情况沿沟道方向发生变化 靠近源端处PN结为正偏 而在靠近漏端处的那部分PN结为反偏 因此 衬底和沟道之间的PN结在靠近源端和靠近漏端处的耗尽层宽度是不同的 从而 沟道的截面积也不相等 靠源端处沟道的截面积最大 沿沟道方向逐步减小 靠漏断处的沟道截面积最小 漏源电压VDS对沟道的影响 20 当VDS为0或较小时 沟道分布如右图 此时VDS基本均匀降落在沟道中 沿沟道方向沟道截面积不相等的现象很不明显 因此 源漏电流IDS随VDS几乎是线性增加的 1 线性区 随着VDS的增加 沿沟道方向沟道截面积不相等的现象逐步表现出来 漏端处的沟道变窄 沟道电阻增大 使ID随VDS变化趋势减慢 偏离直线关系 21 2 饱和区 当VDS增加到使漏端沟道截面积减小到零时 称为沟道 夹断 沟道夹断后 若VDS再增加 增加的漏压主要降落在夹断点到漏之间的高阻区 此时 漏电流基本不随漏电压增加 因此称为饱和区 出现夹断时的VDS称为饱和电压VDSat 与之对应的电流为饱和漏电流IDSat 22 当然 随着VDS的增大 夹断点逐步向源端移动 有效沟道长度将会变小 其结果将使IDS略有增加 这是沟道长度调制效应 3 击穿区饱和区后 VDS继续增大到一定程度时 晶体管将进入击穿区 在该区 随VDS的增加IDS迅速增大 直至引起漏 衬底PN结击穿 23 4 亚阈区当栅压低于阈值电压时 在实际的MOSFET中 由于半导体表面弱反型 漏电流并不为零 而是按指数规律随栅压变化 通常称此电流为亚阈值电流 主要由载流子 电子 的扩散引起 24 3 衬底偏置效应 VBS 0 衬底加偏压后对MOSFET的特性将有一系列的影响 加衬偏电压后 即使VDS 0 沟道也处于非平衡状态 由于表面空间电荷区的宽度随着衬底偏置电压的增大而展宽 会有更多的空穴被耗尽 使表面空间电荷区的面密度也随之而增大 因而要在半导体表面产生同样数量的导电电子 必须加比平衡态更大的栅源电压 阈值电压也就随偏置电压的增大而增大 由于反型层电荷减少 沟道电导下降 衬底偏置将使IDS下降 25 4 MOSFET的直流特性曲线 1 MOSFET的转移特性曲线反映了栅对漏源沟道电流的调控情况 转移特性曲线斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用 gm也称为跨导跨导的定义式如下 gm ID VGS VDS const 26 2 MOSFET的输出特性曲线 27 四 MOS场效应晶体管的种类 若栅电压为零时不存在导电沟道 必须在栅上施加电压才能形成反型层沟道的器件称为增强 常闭 型MOSFET 若在零偏压下即存在导电沟道 必须在栅上施加偏压才能使沟道内载流子耗尽的器件成为耗尽 常开 型MOSFET N沟增强型 耗尽型P沟增强型 耗尽型 28 1 n沟和p沟按沟道载流子的类型来划分nMOSFET 电子导电pMOSFET 空穴导电2 增强与耗尽VGS 0 VDS VBS一定值时MOSFET导通 ID 0 耗尽型MOSFET不导通 ID 0 增强型 29 30 五 MOSFET的电容和频率特性 反型层或沟道的反型电荷Qi沟道下面的耗尽区体电荷QB栅极电荷QG QG Qi QB 由漏 衬底 源 衬底PN结引起的电荷 MOSFET的瞬态特性是由器件的电容效应 即器件中的电荷存储效应引起的 MOSFET中的存储电荷主要包括 根据其特性 可以将这些电荷分成本征部分和非本征部分 31 32 在交流高频情况下 MOS器件对这些本征电容和非本征电容电容充放电存在一定延迟时间 此外 载流子渡越沟道也需要一定的时间 这些延迟时间决定MOSFET存在使用频率的限制 33 截止频率fT 截止频率定义为输入电流与交流短路输出电流相等时对应的频率 记为fT 通常 把流过Cgs的电流上升到正好等于电压控制电流源gmvgs的频率定义为的截止频率 由此得到 TCgsvgs gmsvgs T gm Cgs fT gms 2 Cgs 漏极电流对栅极信号电压的响应是通过载流子在沟道中的输运实现的 载流子从源到漏的运动需要一定时间 因而栅极加了外来信号 漏极并不立即产生输出 延迟决定了截止频率fT 34 六 MOSFET的技术发展 35 TheIdealMOSTransistor v衬底的变化v栅的变化v沟道的变化v源漏的变化v工作机制的 36 衬底的变化 SOI技术是指先形成一种 单晶硅薄膜 绝缘层 衬底材料 的结构 然后采用平面工艺在与衬底绝缘的单晶硅薄层上制备集成电路 体硅CMOSversusSOICMOS SOI技术Silicon On Insulator SOI Technology 37 38 新型栅材料 栅的变化 栅的形式 金属栅 双栅器件 围栅器件 高K栅介质 39 双栅MOSFET和三栅MOSFET 40 41 沟道的变化 新材料 新结构 GeSi沟道MOSFETSTRAINEDMOS器件 垂直沟道MOSFET 沟道的变化 42 新工作机制器件 动态阈值MOSFET DTMO