半导体器件物理6施敏(精)

1、 第6章M OSFET及相关器件 MOS二极管 MOSFET基本原理 MOSFET按比例缩小 CMOS与双极型CMOS 6.5 绝缘层上MOSFET 6.6 MOS存储器结构 相关主题 6.1 6.2 6.3 6.4 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 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 基本FET结构 Princ pie of FET Deration strongly doped ohmic contacts A Substrate cont

2、act (optional) MOS二极管 insulator or depleted semiconductor Source Gate channel semiconductor substrate MOS-structurc p-n junction -Schottky barrier Con 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ein和半导体的 es ） 电子亲和力 理想MOS二极管定义： 零偏压时，功函数差Gms为零； 任意偏压卜，二极管屮的电荷仅位于半导 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

3、过氧化层。 MOS 二极管中三个分离系统的能带图 屮s0空穴耗尽； 屮S = WB禁带中心,ns=np=ni; 屮s屮B反型（屮s 2屮B时，强反型）； 强反型时，表血耗尽区的宽度达到最大值: Qs=Qn+Qsc=Qn-PNAWm 理想MOS二极管的GV曲线 V二v +屮 强反型刚发生时的02 金属平行板电压一 阈值电压 0 一旦当强反型发生时，总 电容保持在最小值:1泊。 理想MOS二极管的C-V曲线 理想情况下的阈值电压： C=CoCj/(Co+C) 0. 6 强反型发生时，Cmin: 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

4、同电荷，将以各种方式影响理 想MOS的特性。 高掺杂多晶硅：n+与 p+多品硅的功函数分别为 405ev 和 505ev； 随着电极材料与硅衬底掺杂浓度的不同，而发生 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）O6.1.2 实际 MOS 二极管 金属与半导体功函数差对MOS结构GV特性 的影响 1 用线（1）为理想 MIS 结构的 CV 曲线 曲线（2）为金属与半导体有功函数差时的 CV 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 屯荷、氧化层陷阱屯荷和可动离了屯荷。 0 厂、 町动离子电荷 緘化层陷阱电荷 Q吵

5、+十+ + 氧化层固定电荷 田日田宣田 SiO： Si 界而陷阱电荷 右实际MOS二极管的C-V曲线 实际MOS二极管的阈值电压: 色=VFB +岑九+叽（inv用 + 如（2%）* 2壮 6.1.3 CCD 器件 平带电压: 三相电荷耦合器件的剖面图 6-2 MOSFETS 本原理 MOSFET的缩写：IGFET、MISFET、 MOSTo NMOS 晶体管基本结构与电路符号 椰极 栅极 衬底 -0 漏极 0 源极 衬底 增强型电路符号 I960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lOOnm (Kahng及Atalla)。 2001年， 沟道长

6、度为15nm的超小型 MOSFET制造出來。 耗尽型电路符号 O- 源极 6.2.1基本特性 . 工作方式 - 线性区 PMOS 晶体管基本结构与电路符号 导体 /绝缘体 0- 源极 耗尽型电路符号 栅极 -0 潘极 0 衬底 增强型电路符号 / 5 L n掺杂半导体衬底 p型MOS管 ;L 源极 0 衬底 工作方式饱和区 过饱和 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和； 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: 1点y处的每单位面积感应电荷Qs (y)； 2点y处反型层里

7、的每单位而积电荷量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； 推导基本MOSFET特性 理想电流电压特性基于如下假设 6由源极(y=0,V=0)积分至漏极(y=L,V=VD)得g加 vD=c r-ivD=cfuncovD 0 y y+dy L 理想MOSFET的电流电压方程式： 彳 UnCoWa -2屮 B - -彳 J + 2 屮 B）， -（2 屮 B） 截止区：iD 线性区： 7 “ 、 /o7unQ(Vo-Vr)Vz V/? (VG-VT) gD = I VG=C a 三 U n c。(VG VT)沟道放大图（线性区） I I Qsc(y)

8、长沟MOSFET的输出特性 Saturation by pinch-ofT for channel MOSFET The broken line indicates where the characteristics saturate =n-channel MOSFF.T JGS = 5 V 1 V / =罷3和卫皿-吟） 4 V 转移特性曲线 举例：对一n型沟道n型多晶硅-SiO2-Si的 iMOSFET,其栅极氧化层厚度为8nm, NA=1017cm 3, VG=3V,计算饱和电压。 解： Q二 sjd =4. 32xlO-?F/cm2 Z研究亚 阈特性 m 提取阈 值电压 (vul) -

9、mmufejp 0.2 0.6 1.0 1.4 1.8 gate sourre voltage (V) c 2屮直 % Q%2 屮 B+K(1-Jl + 2 匕/K1.5 V 当栅极电压小于阈值电压，且半导体表 面弱反型时，亚阈值电流； 在亚阈值区内，漏极电流由扩散主导； 在亚阈值区内，漏极电流与VG呈指数式 关系； 亚阈值摆幅:3（lgID） /5 VG J 亚阈值区 Sunrre 亚 0 1 微米 MOSFET 器件的发展趋 Gate Drain 622 MOSFET中类 6.2.3阈值电压控制 Vr H f + 2必+2包竹(2险+Vg 阈值电压可通过将离子注入沟道区来调整； 通过改变氧

10、化层厚度来控制阈值电压，随着氧化层 厚度的增加，VTN变得更大些，VTP变得更小些； 加衬底偏压； AV N沟增 N沟耗 p沟增 p沟耗 ( csn PHI4I9V CW 选择适当的栅极材料来调整功函数差。 6.2.4 MOSFET的最高工作频率 当栅源间输入交流信号时，由源极增加（减少） 流入的电子流，一部分通过沟道对电容充（放）电, -部分经过沟道流向漏极，形成漏极电流的增量。 当变化的电流全部用于对沟道电容充（放）电时， MOS 管就失去放大能力。 最高工作频率定义为：对栅输入电容的充（放） 电电流和漏源交流电流相等时所对应的匚作频率， =弘 = 九= 九 8 盏S 吟） 6.2.5 M

11、OSFET的二阶效应 1. 衬底偏置效应（体效应） 2. 沟道调制效应 3. 亚阈值导电 |MOS 管的开启电压VT及体效应 寸2耳 Wsi/V s“I, 无体效应 有体效应 *1 %。It Vm = Vino + yyl2r + VSB 申 源极跟随器 体效应系数， VBS=时，丫= MOS管体效应的Pspice仿真结果 0V 丄00 2. 0V 300 JD = 沟道调制效应 沟道发生夹断后，有效沟道长度 2/实际上是 K)s 的函数。/人蛤 s，久称为沟道调制系数。 Z _ 2勺(仍-仍如) 几的人小与沟道长度及衬底浓度有关。沟道调制系 效应改变了 MOS 筲的 I/V 特性，进而改变了

12、跨导。输 出阻抗心约为1/(AZD)O (号丄 X-吟)2(1 + %) L - (L 7r7 - L = 7 -Lz (7 + QVQ 2VDS AL 2=( JD = MOSFET 的沟道调制效应 jznz pinch-off： W - u L* 刃”2) ) GSTHosa os. 6.2.6 MOSFET的温度特性 体现在阈值电压、沟道迁移率与温度的关系： 1. 的关系 对NMOS： T增加，厶减小； 对PMOS： T增加，舛p增加。 2. pT的关系 若EvlOW/cm, p为常数，约为体内迁移率的一半, 正常温度范围：p与T近似成反比关系。 6.2.7 MOSFET交流小信号模型

13、低频交流小信号模型： dVos OID dlr/dVDS 沟 Gu W &GS . ym2 入 AID 2 L MOSFET高频交流小信号模型 CGD 考虑二阶效应，高频时分彳j电容不能忽略。 6.3 MOSFET按比例缩小 士_|6.3.1短沟道效应| 1. 线性区中的 VT下跌 2. DIBL效应 3. 本体穿通 4. 狭沟道效应 线性区中的阈值电压下跌 21( 1+如一1) C L V G DIBL 效应 (drain-induced barrier lowering) 短沟道MOSFET的漏极电压由线性区增 至饱和区时，其阈值电压下跌将更严重，原 因：当沟道长度足够短时，漏极电压的增加 将减小表而区的势垒高度（漏极与源极太接 近所造成的表面区的电场渗透），此势垒降 低效应导致电子由源极注入漏极，造成亚阈 值电流增加，此效应称为漏极导致势垒下降 效应。i 电荷共享模型 P 木体穿通(punch-through ) 短沟道MOSFET中，源极结和漏极结耗 尽区宽度的总和与沟道长度相