晶体管原理(4-2)

1、 使栅下的硅表面处开始发生强反型时的栅电压称为使栅下的硅表面处开始发生强反型时的栅电压称为 ，记为，记为 。 当硅表面处的少子浓度达到或超过体内的平衡多子当硅表面处的少子浓度达到或超过体内的平衡多子浓度时，称为表面发生了浓度时，称为表面发生了 。 在推导阈电压的表达式时可以近似地采用一维分析，即认在推导阈电压的表达式时可以近似地采用一维分析，即认为衬底表面下空间电荷区内的空间电荷完全由栅极与衬底之间为衬底表面下空间电荷区内的空间电荷完全由栅极与衬底之间的电压所决定，与漏极电压无关。的电压所决定，与漏极电压无关。 下面推导下面推导 P 型衬底型衬底 MOS 结构的结构的阈电压阈电压 。 上图中，

2、上图中，0ln1iAFiFPnNqkTEEq）（ 1、理想、理想 MOS 结构（金属与半导体间的功函数差结构（金属与半导体间的功函数差 MS = 0 ，栅氧化层中的电荷面密度栅氧化层中的电荷面密度 QOX = 0 ）当）当 VG = 0 时的能带图时的能带图称为称为 。 上图中，上图中， S 称为称为 ，即从硅表面处到硅体内平衡处的，即从硅表面处到硅体内平衡处的电势差，等于能带弯曲量除以电势差，等于能带弯曲量除以 q 。COX 代表单位面积的栅氧化代表单位面积的栅氧化层电容，层电容， ，TOX 代表栅氧化层厚度。代表栅氧化层厚度。 2、实际、实际 MOS 结构（结构（ MS 0）当）当 VG

3、= 0 时的能带图时的能带图OXOXOXTCOXOXMSSCQqqq 3、实际、实际 MOS 结构当结构当 VG = VFB 时的能带图时的能带图 当当 时，可以使能带恢复为平带状态，时，可以使能带恢复为平带状态，这时这时 S = 0，硅表面呈电中性。，硅表面呈电中性。 称为称为 。OXOXMSFBGCQVV 4、实际、实际 MOS 结构当结构当 VG = VT 时的能带图时的能带图 要使表面发生强反型，应使表面处的要使表面发生强反型，应使表面处的 EF - Eis = q FP ，这时，这时 ，表面势为，表面势为 S = S,inv = 2 FP 。 外加栅电压超过外加栅电压超过 VFB 的

4、部分（的部分（VG - -VFB）称为）称为 。有效栅电压可分为两部分：降在氧化层上的有效栅电压可分为两部分：降在氧化层上的 VOX 与降在硅表面与降在硅表面附近的表面电势附近的表面电势 S ，即，即 VG VFB = VOX + S 表面势表面势 S 使能带发生弯曲。表面发生强反型时能带的弯曲使能带发生弯曲。表面发生强反型时能带的弯曲量是量是 2q FP ，表面势为，表面势为 2 FP ，于是可得：，于是可得： VT VFB = VOX + 2 FP 上式中，上式中， QM 和和 QS 分别代表金属一侧的分别代表金属一侧的电荷面密度和半导体一侧的电荷面密度，而电荷面密度和半导体一侧的电荷面密

5、度，而 QS 又是耗尽层电荷又是耗尽层电荷QA 与反型层电荷与反型层电荷 Qn 之和。之和。,OXSOXMOXCQCQV-QAQM-QnCOX-QS中，可得中，可得 MOS 结构的阈电压为结构的阈电压为FPOXFPAOXOXMST22CQCQV 再将再将 和上式代入和上式代入 VT = VFB + VOX + 2 FPOXOXMSFBCQV 作为近似，在刚开始强反型时，可忽略作为近似，在刚开始强反型时，可忽略 Qn 。QA 是是 S 的的函数，在开始发生强反型时，函数，在开始发生强反型时，QA ( S ) = QA ( 2 FP ) ，故得：，故得：OXFPAOX2CQV下面推导QA ( 2

6、FP ) 的表达式（对于均匀掺杂的衬底）对于均匀掺杂的衬底）FPOXFPAOXOXMST22CQCQVAS,invAd()Qq N x 21AinvS,sA2NqNq 于是可得于是可得 N 沟沟 MOSFET 的阈电压为的阈电压为FP21FPFBT222oxsACqNVVFP21FPOXOXMST22KCQVOX21sA2CNqKK为体因子为体因子称为称为 。 同理，同理， P 沟沟 MOSFET 的阈电压为的阈电压为FN21FNOXOXMST22KCQV式中，式中，0ln)(1iDFniFNnNqkTEEqOX21sD2CNqK FN 与与 FP 可以统一写为可以统一写为 FB ，代表，代表

7、 。 N 沟道与沟道与 P 沟道沟道 MOSFET 的阈电压可统一写为的阈电压可统一写为FBADOXOXOXOXOXMST2QTQTV a) COX(栅氧化层厚度栅氧化层厚度 TOX ) 一般来说，当一般来说，当 TOX 减薄时，减薄时， |VT | 是减小的。是减小的。 早期早期 MOSFET 的的 TOX 的典型值为的典型值为 150 nm ，目前高性能，目前高性能MOSFET 的的 TOX 可达可达 10 nm 以下。以下。1015 cm-3 时，时， 约为约为 0.3 V 。FB b) 衬底费米势衬底费米势 FB FB 与掺杂浓度有关，但影响不大。室温下，当掺杂浓度为与掺杂浓度有关，但

8、影响不大。室温下，当掺杂浓度为FB)N(0lniAFP沟nNqkT)P(0lniDFN沟nNqkTFBADOXOXOXOXOXMST2QTQTV MS 与金属种类、半导体导电类型及掺杂浓度有关。对于与金属种类、半导体导电类型及掺杂浓度有关。对于Al Si 系统，系统， c) 功函数差功函数差 MS - - 0.6 V - - 1.0 V ( N 沟沟 )- - 0.6 V - - 0.2 V ( P 沟沟 ) 当当 N = 1015 cm-3 时，时， - - 0.9 V ( N 沟沟 )- - 0.3 V ( P 沟沟 )FBADOXOXOXOXOXMST2QTQTV MS = MS = d

9、) 耗尽区电离杂质电荷面密度耗尽区电离杂质电荷面密度 QAD 由于由于 FB 与掺杂浓度与掺杂浓度 N 的关系不大，故可近似地得到的关系不大，故可近似地得到21ADNQADQ)N(, 0)4(21FPsAdAA沟qNxqNQ)P(, 0)4(21FNsDdDD沟qNxqNQFBADOXOXOXOXOXMST2QTQTV e) 栅氧化层中的电荷面密度栅氧化层中的电荷面密度 QOX QOX 与制造工艺及晶向有关。与制造工艺及晶向有关。MOSFET 一般采用（一般采用（100）晶面，并在工艺中注意尽量减小晶面，并在工艺中注意尽量减小 QOX 的引入。的引入。 FBADOXOXOXOXOXMST2QT

10、QTV 对于对于 N 沟道沟道 MOSFET ， FP21BSFPFBT22VKVV01212)()(21FPBS21FP0T0TTBSBSVKVVVVV VT 随随 VBS 的变化而变化。的变化而变化。 当当 VS = 0 时，可将源极作为电位参考点，这时时，可将源极作为电位参考点，这时 VG = VGS 、VD = VDS 、VB = VBS 。 对于对于 P 沟道沟道 MOSFET ， 可见，当可见，当 |VBS | 增大时，增大时，N 沟道沟道 MOSFET 的阈电压向正方的阈电压向正方向变化，而向变化，而 P 沟道沟道 MOSFET 的阈电压向负方向变化。的阈电压向负方向变化。 由于

11、由于 ，所以，所以 TOX 越厚、越厚、N 越高，衬底偏置越高，衬底偏置效应就越严重。效应就越严重。01212)()(21FNBS21FN0T0TTBSBSVKVVVVVOX21s2CNqK 4.2. 假设注入的杂质浓度为阶梯形分布，且注入深度假设注入的杂质浓度为阶梯形分布，且注入深度 R 小于沟小于沟道下的衬底耗尽区最大厚度道下的衬底耗尽区最大厚度 x dmax ， ANANRxdmaxx0 则经则经离子注入调整后的阈电压为离子注入调整后的阈电压为122OXIAITMSFPOXOXOXsFP124QQQqN RVCCC 阈电压的调整量为阈电压的调整量为122IAITOXOXsFP114QQqN RVCC 式中，式中，NI 代表离子注入增加的杂质浓度，代表离子注入增加的杂质浓度，N A = NA + NI ；QI = - -qNIR 代表离子注入在耗尽区增加的电离杂质电荷面密度。代表离子注入在耗尽区增加的电离杂质电荷面密