第五章复习 (1)

1、 第第 5 章章 MOSFET 复习复习 基本结构基本结构 基本类型基本类型 表面场效应表面场效应 工作原理工作原理 费米势费米势 功函数功函数 强反型条件强反型条件 基础知识基础知识 电子亲合能电子亲合能 VDS对对Qn、QB的影响的影响 积累积累 耗尽耗尽 反型反型 强反型强反型 弱反型弱反型 MOSFET 阈值电压阈值电压 直流特性直流特性 小信号特性小信号特性 VBS对对Qn、QB的影响的影响 电荷分布电荷分布 阈值电压阈值电压 阈值电压计算公式阈值电压计算公式 功函数差对能带的影响功函数差对能带的影响 氧化层电荷对能带的影响氧化层电荷对能带的影响 影响阈值电压的因素影响阈值电压的因素

2、 直流特性直流特性 萨支唐方程萨支唐方程 沟道夹断沟道夹断 沟长调制效应沟长调制效应 迁移率调制效应迁移率调制效应 小信号特性小信号特性 交流小信号参数交流小信号参数 交流小信号等效电路交流小信号等效电路 漏区电场静电反馈效应漏区电场静电反馈效应 截止频率截止频率 提高频率特性的措施提高频率特性的措施 MOSFET基本结构基本结构 结构特点结构特点 lMOS结构结构 l两两PN结结 l导电沟道导电沟道 S G D S G D N沟道沟道MOSFET基本结构基本结构 MOSFET基本类型基本类型 表表6.2.1 类型类型 N 沟道沟道P 沟道沟道 耗尽型耗尽型( D )增强型增强型( E )耗尽

3、型耗尽型( D )增强型增强型( E ) 衬底衬底P型型N型型 S、D区区n p 沟道载流子沟道载流子电子电子空穴空穴 VDS00 )SD ( 0 ) 阈值电压阈值电压VP 0VP 0VT 0 S G D - : BBn xQQ由源到漏 xb Qn QB VBS对耗尽层宽度以及沟道载流子密度的影响对耗尽层宽度以及沟道载流子密度的影响 - - - - - - - - - VDS 0 S G D - : BSBBn VxQQ 通过改变通过改变QB，而改变，而改变Qn，从而改变，从而改变ID，因此衬底电极又称为，因此衬底电极又称为 “第二栅极第二栅极” 或或 “背栅背栅” Qn QB VBS对耗尽层

4、宽度以及沟道载流子密度的影响对耗尽层宽度以及沟道载流子密度的影响 VGS 、VBS对对IDS的控制的比较的控制的比较 （A）VGS变化导致半导体表面感应电荷变化导致半导体表面感应电荷QS变化，而变化，而QB基本不变基本不变 即即Qn随随VGS变化变化 （B）VBS变化导致变化导致QS中中Qn和和QB的分配比例变化的分配比例变化 - - - - - - - - - VDS 0 S G D - Qn QB nBS QQQ 阈值电压阈值电压 栅下半导体表面出现强反型，从而出现导电沟道时所加的栅源栅下半导体表面出现强反型，从而出现导电沟道时所加的栅源 电压电压 l半导体表面建立反型层半导体表面建立反型

5、层 l半导体表面建立耗尽层电荷半导体表面建立耗尽层电荷 l补偿栅氧化层中电荷对半导补偿栅氧化层中电荷对半导 体表面的影响体表面的影响 l抵消金属半导体之间的功抵消金属半导体之间的功 函数差函数差 平带电压平带电压 功函数差对能带的影响功函数差对能带的影响 金属氧化物半导体金属氧化物半导体 形成统一的电子系统以前的能带图形成统一的电子系统以前的能带图 半导体 EC Ei EV EFS EFm m q S q 栅金属 电 极 SiO2 S q 功函数差对能带的影响功函数差对能带的影响 栅金属 电极 EFmEFS Ei EC EV 半导体 SiO2 形成统一的电子系统以后，半导体表面能带弯曲形成统一

6、的电子系统以后，半导体表面能带弯曲 功函数差对能带的影响功函数差对能带的影响 为了使能带平直，栅极加补偿电压为了使能带平直，栅极加补偿电压 ms (6.3.4) EC Ei EV EFS EFm m qS q S q ms q 栅氧化层中的电荷对能带的影响栅氧化层中的电荷对能带的影响 EC Ei EF EV + + + + + + + + - 栅金属电极 栅氧化层 衬底( (P型) ) + + + + + + + + + + + 栅金属电极 栅氧化层 衬底( (P型) ) + + + VG 0 EC Ei EF EV 栅极加补偿电压栅极加补偿电压 后后 OX OX Q C 阈值电压计算公式阈值

7、电压计算公式 N MOSFET ( P 衬底衬底 ) TOXSFB VVVV B OX OX Q V C 1 2 0 2 BsAS QqN V 2 sF V ln 0 A FF i NkT qn 0OX OX OX C t OX FBms OX Q V C msmSmS qqqqq 2 g sF E qqq 阈值电压计算公式阈值电压计算公式 PMOSFET ( N 衬底衬底 ) TOXSFB VVVV B OX OX Q V C 2 sF V 0OX OX OX C t ln 0 D FF i NkT qn 1 2 0 2 BsDS QqN V OX FBms OX Q V C msmSmS

8、qqqqq 2 g sF E qqq 影响阈值电压的因素影响阈值电压的因素 一、栅电容一、栅电容COX 2 OXB TmsF OXOX QQ V CC 0OX OX OX C t 栅氧化层厚度不可太小，一般在栅氧化层厚度不可太小，一般在100nm左右左右 : OXT CV OX T OX t V ： 影响阈值电压的因素影响阈值电压的因素 二、功函数差二、功函数差qms 电电 极极 材材 料料 衬底杂质浓度衬底杂质浓度 (图图6.3.4) qms随衬底杂质浓度的变化随衬底杂质浓度的变化 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 101410151016

9、10171018 N/cm-3 qms/eV P+多晶硅多晶硅(N-Si) Au(N-Si) P+多晶硅多晶硅(P-Si) Au(P-Si) Al(N-Si) N+多晶硅多晶硅(N-Si) Al(P-Si) N+多晶硅多晶硅(P-Si) 影响阈值电压的因素影响阈值电压的因素 三、衬底杂质浓度三、衬底杂质浓度 1）费米势：）费米势： i A F n N q kT ln NMOSFET ( PSi衬底衬底 ) ln D F i NkT qn PMOSFET ( NSi衬底衬底 ) N |F| 影响较小影响较小 影响阈值电压的因素影响阈值电压的因素 三、衬底杂质浓度三、衬底杂质浓度 2）耗尽层电荷）

10、耗尽层电荷QBmax： 2 1 0maxmax 22 FAdAB qNxqNQ 1 2 maxmax0 22 BDdDF QqN xqN NMOSFET ( PSi衬底衬底 ) PMOSFET ( NSi衬底衬底 ) N :|QBmax| |VT| 10131017 NB/cm-3 10 5 1 0.01 tox=100nm tox=50nm VT/V 影响较大影响较大 可采用离子注入工艺调整阈值电压可采用离子注入工艺调整阈值电压 影响阈值电压的因素影响阈值电压的因素 三、衬底杂质浓度三、衬底杂质浓度 3）ms 影响较小影响较小 影响阈值电压的因素影响阈值电压的因素 四、氧化层中的电荷密度四、

11、氧化层中的电荷密度 1 氧化层中的电荷氧化层中的电荷 多为正电荷多为正电荷 氧化层中的电荷氧化层中的电荷 可动电荷可动电荷 金属离子沾污（正电荷）金属离子沾污（正电荷） + + + + + + + + + + + + + + + XXXX + + + + 固定电荷固定电荷 SiSiO2界面处界面处Si离子过剩（正电荷）离子过剩（正电荷） + + 氧化层中的电荷氧化层中的电荷 界面陷阱电荷界面陷阱电荷 SiSiO2界面处界面态，俘获或释放电子界面处界面态，俘获或释放电子 （正电荷（正电荷 或或 负电荷）负电荷） X 电离陷阱电荷电离陷阱电荷 辐射引起辐射引起 (正电荷正电荷) + 影响阈值电压的

12、因素影响阈值电压的因素 四、氧化层中的电荷密度四、氧化层中的电荷密度 2、NMOSFET （1） 衬底杂质浓度较低时，衬底杂质浓度较低时，VT主要由主要由 QOX控制（控制控制（控制VT的重要手段）的重要手段） （2） 衬底杂质浓度衬底杂质浓度NA一定时一定时 Qox : VT (+0 ) （3）Qox/q1012 NA1015 VT0 为为DMOSFET （4）Qox/q1011 NA1015 可形成可形成 EMOSFET VT/ V 6 3 0 -3 -6 1011 1014 1017 1011 1012 QOX/q 1010 NA/cm-3 图图6.3.7(A) 影响阈值电压的因素影响阈

13、值电压的因素 四、氧化层中的电荷密度四、氧化层中的电荷密度 3、 PMOSFET （1）衬底杂质浓度较低时，）衬底杂质浓度较低时，VT主要由主要由 QOX控制（控制控制（控制VT的重要手段）的重要手段） （2）衬底杂质浓度）衬底杂质浓度ND一定时一定时 Qox : VT （3）VT 0，一直为，一直为EMOSFET （4）通过特殊工艺可形成）通过特殊工艺可形成DMOSFET 图图6.3.7(B) 4、增强型、增强型MOSFET多为多为 P 沟道型沟道型 耗尽型耗尽型MOSFET多为多为 N 沟道型沟道型 （SiO2栅氧化层中的电荷多为正电荷）栅氧化层中的电荷多为正电荷） 沟道夹断沟道夹断 1

14、2 3 VDS IDS DSatGST VVV 4 N N P S G D GST VV DSGST VVV 夹断点夹断区 萨支唐方程萨支唐方程 公式总结（公式总结（NMOSFET） 2 1 2 DSGSTDSDS IVV VV 线性区线性区 VDSIDS 非饱和区非饱和区 饱和区饱和区 DSGSTDS IVVV （6.4.12） （6.4.10） nOX WC L 2 2 DSatGST IVV (6.4.14) （6.4.11） DSatGST VVV (6.4.15) VDSVDSat VDS VDSat VDS VDSat 萨支唐方程萨支唐方程 公式总结公式总结 ( P沟道沟道 ) 2 1 2 DSGSTDSDS IVV VV 线性区线性区 VDSIDS 非饱和区非饱和区 饱和区饱和区 D