场效应晶体管MOSFET实用教案

1、N沟MOSFET剖面图第1页/共82页第一页，共83页。沟道电荷在体内(t ni)靠近氧化层界面处的积累第2页/共82页第二页，共83页。沿沟(yn u)道的能带图第3页/共82页第三页，共83页。MOSFET结构(jigu)与能带图0DSV第4页/共82页第四页，共83页。半导体表面(biomin)的能带图kTEECsfCeNn/)(fs2阈值电压表面(biomin)势第5页/共82页第五页，共83页。各种类型半导体中的能带图增强型NFET增强型PFET耗尽(ho jn)型NFET耗尽(ho jn)型PFET第6页/共82页第六页，共83页。MOSFET的示意(shy)符号第7页/共82页第

2、七页，共83页。源漏电压为零时(ln sh)的NFET垂直沟道的能带图和沿沟道的能带图VOX ：栅电压：栅电压VG 降落降落(jinglu)在在 SiO2 绝缘层上绝缘层上的部分的部分VS ： 栅电压栅电压VG 降落降落(jinglu)在半导体表面的部在半导体表面的部分分VFB ：平带电压：平带电压thoxoxTGSVVkTEECsfCcheNn/)(fCchBEEEkTECsBeNn/SCBnNkTElnpBgsEEq1pTGSVV第8页/共82页第八页，共83页。一定偏压下NFET垂直(chuzh)沟道的能带图和沿沟道的能带图0DSV第9页/共82页第九页，共83页。典型(dinxng)的

3、MOSFET特性第10页/共82页第十页，共83页。不同电压(diny)下沿沟道方向的能带图)源(LSDEnIdydEqECL1thoxoxTGSVVpBgsEEq1kTECsBeNn/第11页/共82页第十一页，共83页。MOSFET就是一个压控电阻。这个电阻位于(wiy)源漏之间，通过控制提供电导的沟道载流子数来控制源漏间的沟道电导。在MOSFET，通过调节栅压控制半导体能带弯曲来实现。栅压迫使导带底更加靠近或者远离费米能级。第12页/共82页第十二页，共83页。NFET的结构(jigu)与纵向、横向电场)(y长沟模型(mxng)DSDVIL5um10um第13页/共82页第十三页，共83

4、页。)()(yvyWQIchD)()()(yEyyvL)()()(yEyyWQILchDdydVqEchL1 )()()(ydVyyWQdyIchchD第14页/共82页第十四页，共83页。0,0DchIQTGSVVTGSVVoxtWXLtACoxoxoxtC单位面积(min j)氧化层电容0roxTGSGSchTGSTchGSchGSchGSchoxVVVQVVVQVQVQdVdQC0)()()()(GSchchVQQ)(TGSoxchVVCQ0DSV)()(yVVVCyQchTGSoxch)(yVVVchTGS第15页/共82页第十五页，共83页。饱和(boh)电流与饱和(boh)电压的定

5、义satDsatchWIQmin)()(yvyWQIchD)()(yVVVCyQchTGSoxch第16页/共82页第十六页，共83页。饱和电流曲线(qxin)(2)(2TGSDSDSDSTGSoxDVVVVVVVLWCI沟道(u do)载流子迁移率)()()(ydVyyWQdyIchchD222)(2DSsatoxTGSoxDsatVLWCVVLWCI)(TGSDSsatVVV第17页/共82页第十七页，共83页。电流饱和(boh)效应的说明 2)()()0()()0()(2)()()()()2)(22oxDTGSTGSCchCCoxDTGSTGSchchchTGSoxDWCyIVVVVqE

6、yqVEyEWCyIVVVVyVyVyVVVyWCI)()()(yEyyWQILchDdydVqEchL1 第18页/共82页第十八页，共83页。电流饱和效应(xioyng)的进一步说明 )()(21 1)()0(2)(1)(2TGSDSDSTGSDSTGSoxDGSoxDLoxDTGSoxDCchLVVVVVVVLVVWCIVVWCIWCyIVVWCIdydEqdydVy)0()(0LTGSoxDVVWCIy第19页/共82页第十九页，共83页。沟道(u do)长度调制效应)(2)(2TGSDSDSDSTGSoxDVVVVVVVLWCI不同(b tn)栅压下n沟MOSFET特性曲线222)(

7、2DSsatoxTGSoxDsatVLWCVVLWCI第20页/共82页第二十页，共83页。沟道(u do)长度效应的定性解释u漏极电压增加，有效沟道(u do)长度减少u漏极电压增加，阈值电压数值减少LLIVLLWCIDsatDSsatoxDsat1)(22LLLL111)(DSsatDSVVLL)(1DSsatDSDsatDVVII第21页/共82页第二十一页，共83页。半导体器件原理(yunl)南京大学(nn jn d xu)(5) P MOSFET特性结构与特性与N MOSFET完全相同，但（1）PN（2）电流与电压极性相反（3）沟道中空穴的流动代替电子(dinz)P MOSFET中，

8、源处于高电势，在CMOS中与电源相联，并且N衬底（或Well）也与电源相联。N MOSFET中，P型衬底与地相联。使CMOS 中n-well-p-substrate 反偏。 第22页/共82页第二十二页，共83页。半导体器件原理(yunl)南京大学(nn jn d xu)P-SubstrateSiO2GateNPNVG=0WellSiO2GateP N PVG=0VsVVd第23页/共82页第二十三页，共83页。半导体器件原理(yunl)南京大学(nn jn d xu)3. MOSFET沟道(u do)迁移率有效迁移率与有效电场有效迁移率与有效电场之间存在一通用公式，它不依赖于衬底偏压，掺杂浓

9、度及栅氧化层厚度。oxtgoxBfbteffBfbtoxBasididSieffxxnefftVVtVVEVVCqNQQQEdxxndxxnii632)2(4)21(1)()(00第24页/共82页第二十四页，共83页。横向电场对迁移率的影响 除晶格散射和电离杂质散射，FET沟道(u do)中的电子还要经受与沟道(u do)壁碰撞引起的附加散射，使低场迁移率降低到体迁移率的1/2。第25页/共82页第二十五页，共83页。tvl第26页/共82页第二十六页，共83页。能带弯曲的增加导致横向电场(din chng)增大影响导带底斜率的因素：1、固定电荷(dinh)QB2、沟道中有可动电荷(dinh

10、)Qch横向电场强度随沟道的掺杂浓度、偏置条件(tiojin)以及在沟道中的深度而改变第27页/共82页第二十七页，共83页。N沟MOSFET的低场迁移率随VGS的变化(binhu)DSatDSatTGslfoxDsatchTGSlfVVVVLWCIVVV)2()(10)(1chTGSlfVVV第28页/共82页第二十八页，共83页。考虑横向点电场影响前后(qinhu)的计算结果比较第29页/共82页第二十九页，共83页。纵向电场对沟道迁移率和沟道电子(dinz)速度的影响纵向电场对沟道迁移率的影响光学(gungxu)声子散射引起的两次碰撞之间平均自由时间减小的结果satLlflfsatLlf

11、Llfvvv11第30页/共82页第三十页，共83页。简单模型和考虑载流子速度饱和模型计算(j sun)的电流电压曲线)( 1)(21()1 ()1 (2/100TGSsatLTGSlflfsatDSatDSatDSsatDSatlfVchchlfDDSatDSsatDSlfVchchlfDVVvVVLvVVVLvVLdVQWIVVLvVLdVQWIDSatDS纵向电场对电流(dinli)的影响 相当于沟道长度变长第31页/共82页第三十一页，共83页。饱和电压(diny)随沟道长度的变化)( 1)(21(2/1TGSsatLTGSlflfsatDSatVVvVVLvV饱和(boh)电压随沟道

12、长度的减小而减小第32页/共82页第三十二页，共83页。饱和电流随沟道(u do)长度的变化关系第33页/共82页第三十三页，共83页。半导体器件原理(yunl)南京大学(nn jn d xu)电子迁移率：高电场作用下增强了表面粗糙散射的作用，使迁移率下降(xijing)更快。对一定掺杂，由于库伦（杂质）散射的作用，存在一有效电场，其下的迁移率低于通用值。在高掺杂或低的栅压条件下，库伦散射的作用为主，但当反型层电荷浓度较高时由于屏蔽作用会使该作用减弱。低温下，低电场时库伦散射为主，高电场时表面散射为主。3/132500effeffE第34页/共82页第三十四页，共83页。半导体器件原理(yun

13、l)南京大学(nn jn d xu)第35页/共82页第三十五页，共83页。半导体器件原理(yunl)南京大学(nn jn d xu)空穴(kn xu)迁移率：)31(1idSieffQQE第36页/共82页第三十六页，共83页。相关(xinggun)串联电阻DchStotRRRR第37页/共82页第三十七页，共83页。简单长沟模型、考虑速度饱和的模型以及考虑串联(chunlin)电阻的电流电压曲线。第38页/共82页第三十八页，共83页。饱和电流与饱和电压(diny)的定义第39页/共82页第三十九页，共83页。半导体器件原理(yunl)南京大学(nn jn d xu)4. 亚阈值特性：数字

14、逻辑和存储电路中（P342，）在有几十万甚至(shnzh)上百万个晶体管的集成电路中，关态电流可以造成可观的功耗，并引起温度升高。)()(/ )(01)0(1)(oxDBDBoxoxGSchTGSnkTVVqDCCnCCCVyVnVVeIITGS1/n 表示VGS-VT中影响源沟道势垒的部分所占的比例。Vch(y=0)沟道源端处相对于源极的沟道电压。dmoxoxdmoxBaSiWtCCCqNm3114/1第40页/共82页第四十页，共83页。半导体器件原理(yunl)南京大学(nn jn d xu)线性坐标(zubio)半对数坐标第41页/共82页第四十一页，共83页。半导体器件原理(yunl

15、)南京大学(nn jn d xu)数字逻辑和存储(cn ch)电路中低漏电压V0：漏电流(dV/dy)中的漂移场(ds/dy) 与扩散:强反型：漂移电流为主 (ds/dV1)亚阈值：扩散电流为主 (ds/dV0)/)(/()/(1)/(2/22/22oxsaSioxkTqaikTqaisCQqNCeNneNndVdss2/1/ )(222kTVqaisoxaSisfboxssfbgseNnkTqCkTNVCQVV第42页/共82页第四十二页，共83页。半导体器件原理(yunl)南京大学(nn jn d xu)第43页/共82页第四十三页，共83页。半导体器件原理(yunl)南京大学(nn jn

16、 d xu)亚阈值电流2()/22/222()(1)2ssdsqVkTSiaiisaqkTqVkTSiaidseffsaqNnkTQeq NqNnWkTIeeLqN2/ 1/ )(222kTVqaisaSisSisseNnkTqkTNEQdsVieffdsdVVQLWI0)(第二项（反型层电荷(dinh)密度Qi）远小于第一项（耗尽层电荷(dinh)密度Qd）第44页/共82页第四十四页，共83页。半导体器件原理(yunl)南京大学(nn jn d xu)亚阈值摆幅：（漏电流变化10倍所对应的栅压变化）不大依赖于器件参数(cnsh)，微依赖于掺杂浓度)1 (3 . 23 . 2)(log(11

17、0oxdmgdsCCqkTqmkTdVIdS()/2()/22442(1)(2)()(1)4(1)()(1)gtdsgtdsSiasgfbsoxSiaBSiaBfbBsBoxoxq VVmkTqVkTSiadseffBq VVmkTqVkTdseffoxqNVVCqNqNVCCqNWkTIeeLqWkTorICmeeLq BBs22ln()ABiNkTqn第45页/共82页第四十五页，共83页。半导体器件原理(yunl)南京大学(nn jn d xu)第46页/共82页第四十六页，共83页。半导体器件原理(yunl)南京大学(nn jn d xu)5. 衬底偏压(pin y)和温度对阈值电压的

18、影响衬底的敏感（体效应）衬偏电压就是为了防止MOSFET的场感应结以及源结和漏结发生正偏、而加在源-衬底之间的反向电压。对于加有衬偏电压的MOSFET，从工作本质上来说，可看成是由一个MOSFET和一个JFET并联而成的器件，只不过其中JFET的作用在此特别称为MOSFET的体效应而已。这就是说，加上衬偏电压也就相当于引入了一个额外的JFET。JFET的功能沟道-衬底的场感应p-n结作为栅极控制着输出电流IDS的大小第47页/共82页第四十七页，共83页。MOSFET在出现沟道（反型层）以后，虽然沟道下面的耗尽层厚度达到了最大（这时，栅极电压即使再增大，耗尽层厚度也不会(b hu)再增大）；但

19、是，衬偏电压是直接加在源-衬底之间的反向电压，它可以使场感应结的耗尽层厚度进一步展宽，并引起其中的空间电荷面密度增加，从而导致器件的阈值电压VT升高。而阈值电压的升高又将进一步影响到器件的IDS及其整个的性能，例如栅极跨导降低等。衬底掺杂浓度越高，衬偏电压所引起的空间电荷面密度的增加就越多，则衬偏效应越显著由于衬偏电压将使场感应结的耗尽层厚度展宽、空间电荷面密度增加，所以，当栅极电压不变时，衬偏电压就会使沟道中的载流子面电荷密度减小，从而就使得沟道电阻增大，并导致电流减小、跨导降低。衬偏效应对器件性能(xngnng)的影响 背栅调制(tiozh)作用第48页/共82页第四十八页，共83页。半导

20、体器件原理(yunl)南京大学(nn jn d xu)oxbsBaSibstoxbsBaSiBfbtbsBdsbsBoxasidsdsBfbgoxeffdsBaSiBfbbsgoxiCVqNdVdVCVqNVVVVVCqNVVVVLWCIVqNVVVVCQ)2(2/)2(22)2()2(322)22()2(2)2(2/32/3dsVieffdsdVVQLWI0)(第49页/共82页第四十九页，共83页。半导体器件原理(yunl)南京大学(nn jn d xu)反向衬底偏压加大了体耗尽(ho jn)区的宽度，提高了阈值电压。第50页/共82页第五十页，共83页。把源极和衬底短接起来，当然可以消除

21、衬偏效应的影响，但是这需要电路和器件结构以及制造工艺的支持，并不是在任何情况下都能够做得到的。例如，对于p阱CMOS器件，其中的n-MOSFET可以进行源-衬底短接，而其中的p-MOSFET则否；对于n阱CMOS器件，其中的p-MOSFET可以进行源-衬底短接，而其中的n-MOSFET则否。 改进电路结构来减弱衬偏效应。例如，对于CMOS中的负载管，若采用有源负载来代替之，即可降低衬偏调制效应的影响（因为(yn wi)当衬偏效应使负载管的沟道电阻增大时,有源负载即提高负载管的VGS来使得负载管的导电能力增强）。减弱(jinru)或消除衬偏效应的措施第51页/共82页第五十一页，共83页。半导体

22、器件原理(yunl)南京大学(nn jn d xu)温度(wnd)的影响：TNNdTNNdanddTdEqdTNNdNNqkTNNNqkeNNNqkTdTddTdWheredTdCqNdTdEqdTdVCqNqEVvcvcgvcvcavckTEvcaBBoxBaSigtoxBaSiBgtg/2321)ln()ln()/1(21422/（通常在1mV/K）第52页/共82页第五十二页，共83页。半导体器件原理(yunl)南京大学(nn jn d xu)dTdEqmNNNqkmdTdVVgavctt123)ln()12(阈值(y zh)电压下降和亚阈值(y zh)斜率的退化MOSFET器件零栅压时

23、的漏电流在100C是室温的30-50倍。第53页/共82页第五十三页，共83页。半导体器件原理(yunl)南京大学(nn jn d xu) 长沟道(u do) MOSFETs第54页/共82页第五十四页，共83页。半导体器件原理(yunl)南京大学(nn jn d xu)第55页/共82页第五十五页，共83页。半导体器件原理(yunl)南京大学(nn jn d xu)1. 漏电流模型(mxng)反型层电荷密度与准费米势aBSidmBkTqkTqVaikTqSiakTVqaiqNyVyWyVykTqeeNnkTqekTNdxdyxEeNnyxn2)(2)(2)(), 0() 1() 1(2)()

24、,(),(/22/22/ )(2第56页/共82页第五十六页，共83页。半导体器件原理(yunl)南京大学(nn jn d xu)第57页/共82页第五十七页，共83页。半导体器件原理(yunl)南京大学(nn jn d xu)渐变沟道近似: 沟道方向上的电场变化远小于垂直于沟道方向的电场变化。泊松方程的一维求解(qi ji)。并忽略沟道中的产生与复合效应dxdqndxdnqnkTdxdqnJnninn)(第58页/共82页第五十八页，共83页。半导体器件原理(yunl)南京大学(nn jn d xu)dsdsVieffdsVieffLdsieffieffdsdVVQLWIdVVQWdyIVQ

25、dydVWyQdydVWyI000)()()()()(dxyxnqyQanddxdydVyxnqWyIdyydVyxnqyxJiixixndsnn00),()(),()()(),(),( 第59页/共82页第五十九页，共83页。半导体器件原理(yunl)南京大学(nn jn d xu)2/ 1/ )(220/ )(22),()/(kTVqaisoxaSisfboxssfbgVkTVqaieffdssdsSBeNnkTqCkTNVCQVVdVdVEeNnLWqIdVEeNnqdddxVnqVQeNnVnyxnSBBskTVqaiikTVqai),()/(),()(),(),(/)(2/)(2Pa

26、o和Sahs双积分(jfn)：反型区2/1/22/) 1() 1(2),(kTqeeNnkTqekTNyxEkTqkTqVaikTqSia 第60页/共82页第六十页，共83页。第61页/共82页第六十一页，共83页。第62页/共82页第六十二页，共83页。第63页/共82页第六十三页，共83页。第64页/共82页第六十四页，共83页。第65页/共82页第六十五页，共83页。第66页/共82页第六十六页，共83页。半导体器件原理(yunl)南京大学(nn jn d xu)2。MOSFET 电流电压特性(1)电荷(dinh)层近似：反型层中无电势降落或能带弯曲。)2()2(322)22()()2

27、(2)2()2()()2(22/ 32/ 30BdsBoxasidsdsBfbgoxeffdsVieffdsBaSiBfbgoxdsiBfbgoxsfbgoxsBaSidmadVCqNVVVVLWCIdVVQLWIVqNVVVCQQQVVVCVVCQVqNWqNQds第67页/共82页第六十七页，共83页。半导体器件原理(yunl)南京大学(nn jn d xu)(2) 线性区的电流(dinli)电压特性 dstgoxeffdsoxBaSiBfbgoxeffdsVVVLWCVCqNVVLWCI)()42(42SiaBtfbBoxqNWhereVVC阈值电压Vt第68页/共82页第六十八页，共8

28、3页。半导体器件原理(yunl)南京大学(nn jn d xu)第69页/共82页第六十九页，共83页。半导体器件原理(yunl)南京大学(nn jn d xu)线性区第70页/共82页第七十页，共83页。半导体器件原理(yunl)南京大学(nn jn d xu)(3) 饱和区的电流(dinli)电压特性 mVVLWCIIWtCCCqNmwhereVmVVVLWCItgoxeffdsatdsdmoxoxdmoxBaSidsdstgoxeffds2)(3114/12)(22体效应系数：第71页/共82页第七十一页，共83页。第72页/共82页第七十二页，共83页。第73页/共82页第七十三页，共83页。第74页/共82页第七十四页，共83页。第75页/共82页第七十五页，共83页。半导体器件原理(yunl)