金属氧化物半导体场效应晶体管基础PPT课件

1、n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础11.1 双端双端MOS结构结构n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n能带图CdQC VVEdn第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础多子积累：1）能带）能带（向上向上）弯曲并接近弯曲并接近EF；2）多子（空穴）在半导体表面积累，越接近半导体表面多子浓度越高。）多子（空穴）在半导体表面积累，越接近半导体表面多子浓度越高。图 11.4 p型衬底MOS电容器的能带图 (a)加负栅压n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导

2、体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础多子耗尽：多子耗尽：1）表面能带向下弯曲；2）表面上的多子浓度比体内少得多，基本上耗尽，表面带负电。图 11.4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础少子反型：少子反型：1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；2）表面区的少子数多子数表面反型；3）反型层和半导体内部之间还夹着一层耗尽层。图 11.4 p型衬底MOS电容器的能带图 (c)加大正栅压n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础图 11.4 p型衬底MOS电

3、容器的能带图n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础图 11.7 n型衬底MOS电容器的能带图 (a)加正栅压 (c)加小负栅压 (c)加大负栅压n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压1）能带（向上）弯曲并接近EF；41 n沟道增强型MOSFET I-V特性曲线4 p型衬底MOS电容器的能带图 (c)加大正栅压13 p型衬底MOS结构加零栅压时的能带图 (a) n多晶硅栅 (b) p多晶硅栅4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压13 p型衬底M

4、OS结构加零栅压时的能带图 (a) n多晶硅栅 (b) p多晶硅栅27 p型衬底MOS电容器 C-V特性电流-电压关系-数学推导2）表面区的少子数多子数表面反型；沟道中的电流是漂移而非扩散产生3 MOSFET基本工作原理13 p型衬底MOS结构加零栅压时的能带图 (a) n多晶硅栅 (b) p多晶硅栅沟道中的电流是漂移而非扩散产生4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压G-P模型相对于E-M模型考虑了更多的物理特性沟道中载流子迁移率为常数14 n型衬底MOS结构加负栅压时的能带图1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；2）表面区的少子数多子数表面反型；n耗尽层厚度耗尽层厚度ln(

5、)(11.4)afptiNVn2(11.5)ssdaxeN 4(11.6)sfpdTaxeN n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n功函数差功函数差ox00(11.9)2gmsfpEeeVeeeox00()(11.10)2gsmfpEVe ()(11.11)2gmsmfpEen第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础 ()(11.12)22ggmsfpfpEEee ()()(11.13)222gggmsfpfpEEEeee

6、 图 11.13 p型衬底MOS结构加零栅压时的能带图 (a) n多晶硅栅 (b) p多晶硅栅n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础复合系数复合系数包含表面效应(11.14)2gmsmfnEe图 11.14 n型衬底MOS结构加负栅压时的能带图n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n小结复合系数基极输运系数发射极注入效率共基极电流增益共射极电流增益n平带电压平带电压ox0s0(11.15)msV oxsoxox0ss0(

7、)()(11.16)GVVVV Goxs(11.17)msVV0(11.18)mssQQ oxox(11.19)mQVCGox(11.21)ssFBmsQVVCoxox(11.20)ssQVCn第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n阈值电压阈值电压s2fpoxsoxsms(11.16)GVVV 由式，有(max)(11.22)mTssSDadTQQQeN xoxoxox(max)(11.26)SDssmTTQQQVCCs2fn阈值反型点：阈值反型点：ox2(11.24)TNTfpmsVVoxoxox(max)2(max)2(11.27)SDssTN

8、msfpSDssmsfpQQtVQQCox(max)2(11.27)SDTNFBfpQVVCn第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n电荷分布电荷分布n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础11.2 电容电容-电压特性电压特性d(11.30)dQCVn理想理想C-V特性特性多子堆积多子堆积MOS电容：电容：oxoxox(acc)(11.31)CCtn第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体

9、管基础14 n型衬底MOS结构加负栅压时的能带图3 MOSFET基本工作原理4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压4 p型衬底MOS电容器的能带图 (c)加大正栅压4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压2）表面区的少子数多子数表面反型；13 p型衬底MOS结构加零栅压时的能带图 (a) n多晶硅栅 (b) p多晶硅栅4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；1）Ei与EF在表面

10、处相交（此处为本征型）；2）表面区的少子数多子数表面反型；4 p型衬底MOS电容器的能带图 (c)加大正栅压4 p型衬底MOS电容器的能带图4 p型衬底MOS电容器的能带图 (a)加负栅压2）表面区的少子数多子数表面反型；2）表面区的少子数多子数表面反型；14 n型衬底MOS结构加负栅压时的能带图2）表面区的少子数多子数表面反型；多子耗尽多子耗尽MOS电容：电容：oxox(depl)(11.32)SDSDC CCCCoxoxoxoxoxds(depl)(11.33)1()SDCCCtxCoxminoxoxs(11.34)()dTCtx阈值反型点最小电容：阈值反型点最小电容：n第第11章章 金属

11、金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础少子反型少子反型MOS电容：电容：oxoxox(inv)(11.35)CCtoxoxsoxs(11.36)() ()()FBaCkTteeN平带电容：平带电容：n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础图 11.27 p型衬底MOS电容器 C-V特性图 11.28 n型衬底MOS电容器 C-V特性n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n频率特性频率特性n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n固定栅氧

12、化层和界面电荷效应固定栅氧化层和界面电荷效应n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础11.3 MOSFET基本工作原理基本工作原理n结构结构n沟道增强型沟道增强型n沟道耗尽型沟道耗尽型p沟道增强型沟道增强型p沟道耗尽型沟道耗尽型n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n电流电流-电压关系电压关系D(11.37)dDSIg V(11.38)dnnWgQLn第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应

13、晶体管基础图 11.41 n沟道增强型MOSFET I-V特性曲线n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础2noxDGSTDSDS2()(11.40)2WCIVV VVL2noxDGST2() (11.41)2WCIVVL非饱和区：饱和区：n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础3 MOSFET基本工作原理固定栅氧化层和界面电荷效应13 p型衬底MOS结构加零栅压时的能带图 (a) n多晶硅栅 (b) p多晶硅栅1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；3）反型层和半导体内部之间还夹着一层耗尽层。4 p型

14、衬底MOS电容器的能带图 (c)加大正栅压1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；13 p型衬底MOS结构加零栅压时的能带图 (a) n多晶硅栅 (b) p多晶硅栅2）表面区的少子数多子数表面反型；4 p型衬底MOS电容器的能带图 (c)加大正栅压电流-电压关系-数学推导3 MOSFET基本工作原理14 n型衬底MOS结构加负栅压时的能带图2）表面区的少子数多子数表面反型；1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；3）反型层和半导体内部之间还夹着一层耗尽层。41 n沟道增强型MOSFET I-V特性曲线4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压27 p型衬底MOS电容器 C-V特

15、性1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压2）表面上的多子浓度比体内少得多，基本上耗尽，表面带负电。4 p型衬底MOS电容器的能带图 (c)加大正栅压14 n型衬底MOS结构加负栅压时的能带图4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压4 p型衬底MOS电容器的能带图 (c)加大正栅压13 p型衬底MOS结构加零栅压时的能带图 (a) n多晶硅栅 (b) p多晶硅栅3）反型层和半导体内部之间还夹着一层耗尽层。1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；4 p型衬底MOS电容器的能带图3 MOSFET基本工作原理沟道中的电流是漂移而非扩

16、散产生4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压13 p型衬底MOS结构加零栅压时的能带图 (a) n多晶硅栅 (b) p多晶硅栅14 n型衬底MOS结构加负栅压时的能带图4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压2）多子（空穴）在半导体表面积累，越接近半导体表面多子浓度越高。41 n沟道增强型MOSFET I-V特性曲线3 MOSFET基本工作原理4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压2）表面区的少子数多子数表面反型；n电流电流-电压关系电压关系-数学推导数学推导假设：假设：1.沟道中的电流是漂移而非扩散产生沟道中

17、的电流是漂移而非扩散产生2.栅氧化层中无电流栅氧化层中无电流3.利用沟道缓变近似利用沟道缓变近似4.任何固定氧化层电荷等价于在氧化层任何固定氧化层电荷等价于在氧化层-半导体界面处的电荷密度半导体界面处的电荷密度5.沟道中载流子迁移率为常数沟道中载流子迁移率为常数n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础复合系数(11.42)xxJE(11.43)xxyzIJ dydz en( )(11.44)nQy dy (max)0(11.46)mssnSDQQQQ Toxox E(11.47)nSE dSQWdx (11.45)xnnxIWQ E 电荷中和电荷中和

18、高斯定理高斯定理总电荷数总电荷数(max)()(11.49)TssnSDQQQQWdxn第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础()(11.51)FpFmGSxEEe VVsms()()2(11.52)2gGSxmsoxfpoxfpEVVVVe()(11.51)FpFmGSxEEe VVsms()()2(11.52)2gGSxmsoxfpoxfpEVVVVeoxoxoxGSox(max) E()(+2)(11.55)xmsfpssnSDVVtQQQ 因为因为oxox(11.54)oxVEt合并(11.50) (11.53)和（11.54）n第第11章章

19、 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础代入(11.45)( )oxGS0(0)()(11.57)xxLVLxnxTxVI dxWCVVV dV 2ox2()(11.58)2(0(sat)nDGSxDSDSGSTDSDSWCIVV VVLVVVV oxGS()(11.56)xxnxTdVIWCVVVdx 2ox2ox(sat)(sat)2()(sat)(sat)2()(11.61)()2nDGSxDSDSnxGSTDSDSWCIVV VVLWC dVVVVVLn第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础ox()(11.62)

20、nDGSxDSWCIVV VLox(sat)()(11.62)2nDGSxWCIVVLn第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础p沟器件ox2(sat)()(11.64)2(0(sat)pDSGTSDSDWCIVVLVV ox22()(11.63)2pDSGTSDSDWCIVV VVL(sat)(11.65)(sat)SDSGTSDSDVVVVV n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n跨导跨导(11.66)DmGSIgVox(11.67)nDmLDSGSWCIgVVL非饱和区ox(sat)(11.68)n

21、DmsGSTGSWCIgVVVL饱和区n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n衬底偏置效应衬底偏置效应n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础(max)2(2)(11.69)SDadTsafpQeN xeN 02(2)(11.70)SBSDadsafpSBVQeN xeNV 当222(11.71)SDsafpSBfpQeNV oxox222(11.72)saSDTfpSBfpeNQVVCC n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础饱和区：11.4 频率限制特性频

22、率限制特性n小信号等效电路小信号等效电路n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础G-P模型相对于E-M模型考虑了更多的物理特性(11.73)dmgsIg V()(1)(11.74)gsgsmgssm sgsVVg Vrg r V()(11.75)1mdmgsm sgIg Vg rn第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n频率限制因素与截止频率频率限制因素与截止频率(11.76)igsTgsgdTgsdIj CVj CVV(0(11.77)dmgsgdTdgsLVg Vj CVVR 1(1(11.78)1mL

23、igsTgdTgsgsTgdTmLgsgdTg RIjCCVjCCg RVj C(1(11.80)MgdTmLCCg R(11.82)dmgsIg V(11.83)2()dmigdTMIgIf CCTG(11.84)2 ()2mmgdTMggfCCCn第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础1(1(11.78)1mLigsTgdTgsgsTgdTmLgsgdTg RIjCCVjCCg RVj C(1(11.80)MgdTmLCCg R(11.82)dmgsIg V(11.83)2()dmigdTMIgIf CCTG(11.84)2 ()2mmgdTMg

24、gfCCCoxW()nmsGSTCgVVLT2G()(11.85)22mnGSTgVVfCLn第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础11.5 CMOS技术技术n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；2）表面区的少子数多子数表面反型；13 p型衬底MOS结构加零栅压时的能带图 (a) n多晶硅栅 (b) p多晶硅栅G-P模型相对于E-M模型考虑了更多的物理特性4 p型衬底MOS电容器

25、的能带图 (c)加大正栅压1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；电流-电压关系-数学推导4 p型衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压1）Ei与EF在表面处相交（此处为本征型）；3）反型层和半导体内部之间还夹着一层耗尽层。3 MOSFET基本工作原理3 MOSFET基本工作原理4 p型衬底MOS电容器的能带图3 MOSFET基本工作原理4 p型衬底MOS电容器的能带图 (a)加负栅压13 p型衬底MOS结构加零栅压时的能带图 (a) n多晶硅栅 (b) p多晶硅栅2）表面上的多子浓度比体内少得多，基本上耗尽，表面带负电。任何固定氧化层电荷等价于在氧化层-半导体界面处的电荷密度4 p型

26、衬底MOS电容器的能带图 (b)加小正栅压任何固定氧化层电荷等价于在氧化层-半导体界面处的电荷密度41 n沟道增强型MOSFET I-V特性曲线3 MOSFET基本工作原理n耗尽层厚度耗尽层厚度ln()(11.4)afptiNVn2(11.5)ssdaxeN 4(11.6)sfpdTaxeN n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础图 11.27 p型衬底MOS电容器 C-V特性图 11.28 n型衬底MOS电容器 C-V特性n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n固定栅氧化层和界面电荷效应固定栅氧化层和界面电荷效应n第第11章章 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管基础半导体场效应晶体管基础n电流电流-电压关系电压关系D(11.37)dDSIg V(11.38)dnnW