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

2、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SGDSGDN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np沟道载流子沟道载流子电子电子空穴空

3、穴VDS00 )SD ( 0 )阈值电压阈值电压VP 0VP 0VT 0SGD-: BBnxQQ由源到漏xbQnQBVBS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 0SGD-: BSBBnVxQQ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”QnQBVBS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

4、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 0SGD-QnQBnBSQQQ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

5、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ECEiEVEFSEFmmqSq栅金属电 极SiO2Sq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EFmEFSEiECEV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)ECEiEVEFSEFmmqSqSqmsq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ECEiEFEV+-栅金属电极栅氧化层衬底( (P型) )+栅金属电极栅氧化层

6、衬底( (P型) )+VG 0ECEiEFEV栅极加补偿电压栅极加补偿电压 后后OXOXQC阈值电压计算公式阈值电压计算公式N MOSFET ( P 衬底衬底 )TOXSFBVVVVBOXOXQVC1202BsASQqN V 2sFVln 0AFFiNkTqn0OXOXOXCtOXFBmsOXQVCmsmSmSqqqqq2gsFEqqq阈值电压计算公式阈值电压计算公式PMOSFET ( N 衬底衬底 )TOXSFBVVVVBOXOXQVC2sFV0OXOXOXCtln 0DFFiNkTqn 1202BsDSQqN V OXFBmsOXQVCmsmSmSqqqqq2gsFEqqq影响阈值电压的因

7、素影响阈值电压的因素一、栅电容一、栅电容COX2OXBTmsFOXOXQQVCC0OXOXOXCt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:OXTCV OXTOXtV：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1.00.80.60.40.200.20.40.60.81.010141015101610171018N/cm-3qms/eVP+多晶硅多晶硅(N-Si)Au(N-Si)P+多晶硅多晶硅(P-Si)Au(P-Si)Al(

8、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：iAFnNqkTlnNMOSFET ( PSi衬底衬底 )lnDFiNkTqn 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）耗尽层电荷QBmax：210maxmax22FAdABqNxqNQ12maxmax0 22BDdDFQqN xqNNMOSFET ( PSi衬底衬底 )PMOSFET ( NSi衬底衬底 )N :

9、|QBmax| |VT| 10131017 NB/cm-310510.01tox=100nmtox=50nmVT/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、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

10、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

11、 VT0 为为DMOSFET（4）Qox/q1011 NA1015 可形成可形成 EMOSFETVT/ V 6 3 0-3-6 1011 1014 101710111012QOX/q1010NA/cm-3图图6.3.7(A)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、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D

12、MOSFET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123VDSIDSDSatGSTVVV4NNPSGDGSTVVDSGSTVVV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）212DSGSTDSDSIVV VV线性区线性区VDSIDS非饱和区非饱和区饱和区饱和区DSGSTDSIVVV（6.4.12）（6.4.10）nOXWCL22DSatGSTIVV(6.4.14)（6.4.11）DSatGSTVVV(6.4.15)VDSVDSatVDS VDSatVDS VDSat萨支唐方程萨支唐方程公式总结公式总结 ( P沟道沟道 )212DSGSTDSDSIVV VV线性区线性区VDSIDS非饱和区非饱和区饱和区饱和区DSGST