第11章 MOS场效应管01

1、第第11章章 MOS场效应管基础场效应管基础 MOS电容电容MOS二极管在半导体器件中占有重要地位二极管在半导体器件中占有重要地位, 是研究半导体是研究半导体表面特性表面特性最有用的器件之一最有用的器件之一. 是现代是现代IC中最重中最重要器件要器件-MOSFET的核心的核心, 实际应用中实际应用中, MOS二极管可作为储二极管可作为储存电容器存电容器, 是电荷耦合器件是电荷耦合器件(CCD)的基本组成部分的基本组成部分. 1960年年Kahng等应用氧化硅结构制出第等应用氧化硅结构制出第1只只MOSFET. 现在现在MOSFET是大规模集成电路中的核心器件是大规模集成电路中的核心器件.1.

2、MOS电容电容-MOS二极管二极管 2. MOS电容器电容器电压特性电压特性3. MOSFET基本原理基本原理 4. MOSFET按比例缩小按比例缩小11.1 MOS电容电容-MOS二极管二极管MOS电容是电容是MOSFET的的核心核心: 由由金属金属/氧化物氧化物/半导体组成半导体组成.通常通常Si基板基板接地接地; V 0正偏压正偏压; V 0, 空穴远离空穴远离SiO2-Si界面界面, 形成形成空间电荷区空间电荷区.负离子负离子理想理想MOS二极管二极管-能带图能带图 V=0时时, 理想理想p型型MOS管能带图管能带图. qc c为电子亲和为电子亲和力力, qB=EF- -EFi 真空能

3、级真空能级mf fqsqf f 金属金属 型半导体型半导体Pd氧化层氧化层EFFEVEFiECE2/gEBy yqc cqV=0时时理想理想MOS二极管二极管能带图能带图理想理想 1) 零偏零偏时时, 金属功函数金属功函数qf fm=半导体功函数半导体功函数qf fs.2)任意偏压任意偏压, MOS中电荷中电荷仅位于仅位于半导体中和金属表半导体中和金属表面面, 且电量相等且电量相等, 极性相反极性相反; 3) 直流偏压下直流偏压下, 无载流子无载流子通过氧化层通过氧化层.能带图能带图-积累积累 对对p型半导体型半导体, 金属金属加加负压负压反偏反偏, SiO2/Si界面处产生界面处产生超量空超

4、量空穴穴, 半导体表面能带向上弯半导体表面能带向上弯. 理理想想MOS管管, 器件内器件内无电流无电流, 半导半导体内体内EF维持为常数维持为常数; 半导体内载半导体内载流子密度与能级差关系为流子密度与能级差关系为: 0 x S Q mQ )exp(kTEEnpFFiip- -= =能带向上能带向上该处该处EFi- -EFEF接近接近EV空穴浓度空穴浓度, SiO2/半导体界面半导体界面空穴堆积空穴堆积=积累积累. 对应电荷分布如对应电荷分布如图图.FECEEFiFEVE0 V- -+ + p型型能带图能带图-耗尽耗尽 正偏较小正偏较小, 半导体表面能带半导体表面能带向下向下; 增加正偏压增加

5、正偏压, 当当EF=EFi, 表表面多子面多子(空穴空穴)耗尽耗尽-耗尽耗尽;半导体半导体中单位面积空间电荷中单位面积空间电荷Qsc=qNAW, W=表面耗尽区宽度表面耗尽区宽度 正偏压正偏压能带向下能带向下,当表当表面处面处EFi VFE0 V 0 VFEVEEFiCE- -+ + p型型金属加正压金属加正压正偏正偏能带图能带图-反型反型 EF- -EFi0, 半导体表面电半导体表面电子浓度子浓度ni, 而空穴浓度而空穴浓度空穴空穴(多子多子), 表面载流子呈现表面载流子呈现反型反型. V0EVEFiECEFxd00mQx WqN AnQ EF- -EFi0较小时较小时, 表面堆积表面堆积电

6、子较少电子较少=弱反型弱反型; EF- -EFi, EFEC; 当当SiO2/Si界面电子浓度界面电子浓度=衬底掺杂时衬底掺杂时, 产产生生强反型强反型. 继续继续EF- -EFi, 增加的大部分增加的大部分电子电子Qn处于窄反型层处于窄反型层(0 xxd)中中; xd -反型层宽度反型层宽度, 典型值典型值1nm 10nm; 且且xdW. 正偏能带图及电荷分布正偏能带图及电荷分布EF 非平衡能带图非平衡能带图-n型型* V0, EF远离远离Ec, 当当EF电子浓度电子浓度-反型反型.n型型2. 耗尽层耗尽层宽度宽度 图为图为p型半导体型半导体表面表面能带图能带图. 衬底内静电势衬底内静电势=

7、0, 半导体半导体表面表面电势电势 = =S(空间电荷区的电势差空间电荷区的电势差).电子与空穴浓度为电子与空穴浓度为的函的函数数, 表面载流子浓度为表面载流子浓度为: EFEV半导体表面半导体表面Egfpy yqy yqSqy yxdp半导体半导体氧化层氧化层EFiEC - -= =kTqnnfpsip)(exp - -= =kTqnpsfpip)(expy yy y 能带向下弯曲能带向下弯曲,为正值为正值, 由由(7-9)式式, 可知可知)ln(iaTnNVfp= =y y= =- -qEEFFi各区间表面电势分为各区间表面电势分为: ss0: 空穴耗尽空穴耗尽(能带向能带向下下); s=

8、fp: 禁带中心禁带中心, npni. sfp:反型反型(能带向下弯曲能带向下弯曲超过超过EF).-反型反型- -+ +耗尽层宽度耗尽层宽度电势电势/反型反型电势电势为距离为距离x的函数的函数, 由一维泊松方程由一维泊松方程e er r)(x- -y y22dxd= =均匀掺杂均匀掺杂, 耗尽层内电荷耗尽层内电荷WqNA- -= =r r积分泊松方程积分泊松方程, 得表面耗尽区得表面耗尽区静电势静电势分布分布其中表面电势其中表面电势(式式7-26)(与与单边突变结单边突变结n+p相同相同)e ey y22WqNAS= =耗尽层宽度耗尽层宽度-单边突变结单边突变结(式式7-29)2/1)2(As

9、dqNxeyey= =)1 (WxS- -= =y yy y2dxdE= =- -耗尽层宽度耗尽层宽度强反型强反型 y ys=y yfp时时, 表面处表面处EF=EFi, 表面开表面开始反型始反型; 当表面当表面电子浓度电子浓度np=NA(衬衬底底掺杂浓度掺杂浓度)时时, 由由)exp(kTqnNfpiAy y= = - -= =kTqnnfpsip)(expfpSy yy y2= =y ys=2y yfp条件称为条件称为-阈值反型点阈值反型点; 所加电压为所加电压为阈值电压阈值电压.EFEV半导体表面半导体表面Egfpy yqy yqSqy yxdp半导体半导体氧化层氧化层EFiECy ys

10、=2y yfnEFi-EFEF-EFi最大耗尽层宽度最大耗尽层宽度qy ys=2qy yfpxdTy ys=2y yfp时时, 表面表面强反型强反型, 表面电荷浓度成指数增表面电荷浓度成指数增, 表面耗尽区宽表面耗尽区宽度达到度达到最大最大. 因此因此, 表面耗尽区的表面耗尽区的最大宽度最大宽度xdT 2/1)2(2afpdTqNxy ye e= =)ln(iaTnNVfp= =y y= =- -qEEFFi其中其中掺杂浓度越高掺杂浓度越高, 耗尽层宽度耗尽层宽度越小越小.EFEV半导体表面半导体表面Egfpy yqy yqSqy yxdp半导体半导体氧化层氧化层EFiECSiGaAs1410

11、151016101710181001. 01 . 01103cm/- -N杂质浓度杂质浓度m/m m耗尽区最大宽度耗尽区最大宽度W例例* 一掺杂浓度一掺杂浓度NA=1016cm-3的理想的理想MOS二极管二极管, 计算其表面计算其表面耗尽层的最大宽度耗尽层的最大宽度.掺杂浓度掺杂浓度NA=1017cm-3时时, 重新计算重新计算耗尽耗尽层的最大宽度层的最大宽度(T=300K)ln(Na/ni)TVfp= =y y= =- -qEEFFi=0.347V耗尽层最大宽度耗尽层最大宽度:1/2)2(2afpdTqNxy ye e= =0.3m mm解解: NA=1016cm-3时时 NA=1017cm

12、-3时时=0.409Vln(Na/ni)TVfp= =y y= =- -qEEFFi耗尽层最大宽度耗尽层最大宽度:1/2)2(2afpdTqNxy ye e= =0.1m mm3. 功函数差功函数差*EFmf fqSf fq真空能级真空能级SiO2f fqf fq真空能级真空能级9eVqc cEFEVECqc ciEVECEFiP-Si独立金属独立金属/半导体半导体/氧化物的能带图氧化物的能带图 独立状态下独立状态下, 所有能带均所有能带均保持水平保持水平-平带状况平带状况. 三者结三者结合在一起合在一起, 热平衡状态下热平衡状态下, 费费米能级为米能级为定值定值, 真空能级真空能级连续连续,

13、 为调节功函数差为调节功函数差, 半导体能带半导体能带需向下弯曲需向下弯曲, 如图如图f f m修正金属功函数修正金属功函数:从金属向从金属向SiO2导带注入电子所需能量导带注入电子所需能量.c c -修正半导体电子亲和能修正半导体电子亲和能Vox0-零删压时零删压时SiO2上的电势差上的电势差.f fs0 -表面势表面势.热平衡下热平衡下MOS能带图能带图EVEFEV真空能级真空能级qf fmqf fSqf fmEFEFiECqc cqc c qVox0qc ciqf fs0qf ffp 热平衡时热平衡时,半导体表面为半导体表面为负电荷负电荷, 金属含正电荷金属含正电荷. 功函数差功函数差热

14、平衡下热平衡下MOS能带图能带图EVEFEV真空能级真空能级qf fmqf fSqf fmEFEFiECqc cqc c qVox0qc ciqf fs0qf ffp由热平衡下由热平衡下MOS的能带图的能带图021sfpgiqqEqxxqff-+=00oximoxmqVqxqqVqff+=+002sfpgoxmqqExqqVqf ff ff f- -+ + + = =+ + )2(00fpgmsoxExVf ff ff f+ + + - - - -= =+ +=f fms金属金属-半导体功函数半导体功函数功函数差功函数差 应用中常用简并掺杂多晶硅作栅极应用中常用简并掺杂多晶硅作栅极.图图(a)

15、,(b)分别为分别为n+和和p+多晶硅多晶硅作栅极时的零删压能带图作栅极时的零删压能带图.其金属其金属-半导体功函数分别为半导体功函数分别为:n+多晶硅多晶硅:P+多晶硅多晶硅:)2()2()(fpgfpggmseEeExeExf ff ff f- -= =+ + + - -+ + = =)2()2(fpgfpgmseEeExxf ff ff f+ +- -= =+ + + - - = =4.平带电压平带电压平带电压平带电压: 使半导体内使半导体内没有能带弯曲没有能带弯曲所需加上的栅压所需加上的栅压.为达到理为达到理想平带状况想平带状况, 需外加一相当于需外加一相当于功函数差功函数差qf fm

16、s的电压的电压. 平带时平带时MOS能带图能带图前面讨论中假设前面讨论中假设SiO2中净电荷密度中净电荷密度=0. 实际上实际上MOS二极管受氧二极管受氧化层内电荷及化层内电荷及SiO2-Si界面界面陷阱的影响陷阱的影响.陷阱电荷陷阱电荷包括包括界面陷阱电荷界面陷阱电荷/氧化层固定氧化层固定电荷电荷/氧化层陷阱电荷及可氧化层陷阱电荷及可动离子电荷动离子电荷. 界面陷阱电荷界面陷阱电荷Qit由由SiO2-Si界面特性造成界面特性造成, 与界面处化学键有与界面处化学键有关关, 而其能量位于硅的禁带中而其能量位于硅的禁带中. 界面陷阱密度与晶体方向有关界面陷阱密度与晶体方向有关. 方向方向, 界面陷

17、阱密度约比界面陷阱密度约比方向少方向少1个数量级个数量级.+-+-+-+aN+K可动离子电荷)(mQ)(otQ电荷氧化层陷阱)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷+-+-+-+aN+K可动离子电荷 (Qm)(otQ氧化层陷阱电荷)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷陷阱电荷陷阱电荷* * 氧化层固定电荷氧化层固定电荷Qf位于距离界面位于距离界面3nm处处. 此电荷固定不动此电荷固定不动, 即使表面电势有较大变化仍不会有充放电现象即使表面电势有较大变化仍不会有充放电现象. 一般一般Qf为正值为正值,与与氧化氧化/退火等条件及硅晶体方向退火等条件及硅晶体

18、方向有关有关. 一般认为氧化停止时一般认为氧化停止时,一些离子化的硅留在界面处一些离子化的硅留在界面处, 这些离子与表面未完全成键的硅这些离子与表面未完全成键的硅结合结合(如如Si-Si或或Si-O键键), 可能导致正的界面电荷可能导致正的界面电荷Qf产生产生.+-+-+-+aN+K可动离子电荷)(mQ)(otQ电荷氧化层陷阱)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷+-+-+-+aN+K可动离子电荷(Qm)(otQ氧化层陷阱电荷)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷 Qf可视为是可视为是SiO2-Si界面处界面处的电荷层的电荷层. 对精心处理的对精心处

19、理的SiO2-Si界面界面, 其氧化层固定电荷量其氧化层固定电荷量在在方向约为方向约为1010cm-2; 而而在在方向约为方向约为51010cm-2.由于由于方向具有较低的方向具有较低的Qit与与Qf常用常用硅基硅基MOSFET. 陷阱电荷陷阱电荷* * 氧化层陷阱电荷氧化层陷阱电荷Qot随二氧随二氧化硅的缺陷产生化硅的缺陷产生, 这些电荷可由这些电荷可由如如X光辐射光辐射或或高能电子高能电子轰击产轰击产生生. 这些陷阱分布于氧化层内部这些陷阱分布于氧化层内部, 大部分与工艺有关大部分与工艺有关, 可可低温退火低温退火加以去除加以去除+-+-+-+aN+K可动离子电荷)(mQ)(otQ电荷氧化

20、层陷阱)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷+-+-+-+aN+K可动离子电荷(Qm)(otQ氧化层陷阱电荷)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷 钠或其他碱金属离子的可动离子电荷钠或其他碱金属离子的可动离子电荷Qm, 在高温在高温(如如100)或强电场条件下或强电场条件下, 可在氧化层内移动可在氧化层内移动. 在高偏压及高温环境下在高偏压及高温环境下, 碱金属离子的污染碱金属离子的污染, 会降低半导体器会降低半导体器件的稳定度件的稳定度. 其离子可在氧化层内来回移动其离子可在氧化层内来回移动, 使得使得C-V曲线沿电曲线沿电压轴产生位移压轴产生位移

21、. 因此因此, 在器件制作过程中需消除可动离子电荷在器件制作过程中需消除可动离子电荷. 陷阱电荷陷阱电荷* *单位面积电荷数单位面积电荷数Q SS: 假设单位面积等价陷阱电荷假设单位面积等价陷阱电荷Q SS位于位于SiO2层中且与层中且与SiO2-Si界面附近界面附近(忽略其他类型的电荷忽略其他类型的电荷).下面将估算上述电荷对平带电压所产生的影响下面将估算上述电荷对平带电压所产生的影响.x0E0金属金属氧化层氧化层xP-Sir rsVG=0(零删压零删压)时电荷时电荷与电场分布与电场分布 图示为零删压时图示为零删压时MOS中中电荷电荷与电场分布与电场分布. SiO2层中的正电荷在层中的正电荷

22、在金属与半导体内感应一些负电荷金属与半导体内感应一些负电荷. 对泊松方程式做一次积分对泊松方程式做一次积分, 可得可得到电场的分布情形到电场的分布情形, 如下图所示如下图所示. 此处假设没有功函数差此处假设没有功函数差, 即即qf fms=0零删压时零删压时: Vox0+f fs0=- -f fms平带电压平带电压 为达到平带状态为达到平带状态(即半导体内无感应即半导体内无感应电荷电荷), 须在金属上加负电压须在金属上加负电压. 负电压增加负电压增加时时,金属获得更多的负电荷金属获得更多的负电荷, 电场向下偏移电场向下偏移, 直到半导体表面的电场为零直到半导体表面的电场为零.此时半导体此时半导

23、体表面净电荷表面净电荷=0.氧化层氧化层xP-Si0r rsdx0Q mQ ss平带平带MOS电荷分布电荷分布0 x0 xEVFB- -E0 若加删压若加删压VG,氧化层的电势差和半导氧化层的电势差和半导体表面势将发生变化体表面势将发生变化mssoxVf ff f+ + += =ssoxoxSoxGVVVVf ff ff f- -+ +- -= =D D+ +D D= =)()(00Q m+Q ss=0设单位面积删氧化层电容为设单位面积删氧化层电容为Cox Vox=Q m/Cox平带时平带时, 表面势表面势f fs=0 VG=VFB=f fms-Q ss/Cox平带电压平带电压*氧化层氧化层x

24、P-Si0r rsdx0Q mQ ss平带平带MOS电荷电荷-电场分布电场分布0 x0 xEVFB- -E0d: 氧化层厚度氧化层厚度;x0:陷阱电荷陷阱电荷距金属表面的距金属表面的距离距离. 平带时平带时, 半导体内无感应净电荷半导体内无感应净电荷, 电电场分布在金属表面至陷阱电荷的场分布在金属表面至陷阱电荷的SiO2层中层中, 其其面积即为平带电压面积即为平带电压VFB: 可见可见VFB与与陷阱电荷陷阱电荷密度密度Qss及在氧化层及在氧化层中的位置中的位置xo有关有关. 当当陷阱电荷陷阱电荷非常靠近金属非常靠近金属dCxQxQxEVOOssooxssOOFB- -= =- -= =- -=

25、 =e e时时,即即xo=0, 将无法在将无法在Si中感应出电荷中感应出电荷, 不会对不会对VFB造成影响造成影响. 反之反之, 陷阱电荷陷阱电荷非常靠近半导体时非常靠近半导体时, 即即xo=d, 将对将对VFB产生最大影响力产生最大影响力, 并将平带电压提升为并将平带电压提升为: 0ss0CQdCdQssVFB- -= =- -= =5. 阈值电压阈值电压 阈值电压阈值电压是是MOSFET最重要的参数之一最重要的参数之一, 定义为达到定义为达到阈值反阈值反型点型点时所需的删压时所需的删压.它反映了在表面势它反映了在表面势f fs=2f ffp(p型型)或或f fs=2f ffn(n型型)时器

26、件的状态时器件的状态.处于阈值反型点时处于阈值反型点时的电荷分布的电荷分布SiO2xP-Si0r rsxdTQ mTQ ss金属金属Q SD(max)=eNaxdT考虑电荷守恒考虑电荷守恒 (max)SDssmTQQQ = = + + Q mT:阈值点时金属栅上单位面积电荷密度阈值点时金属栅上单位面积电荷密度;Q SD(max):最大耗尽层单位面积空间电荷密度最大耗尽层单位面积空间电荷密度;f fs加正偏栅压时加正偏栅压时MOS能带图能带图 加删压加删压, 氧化层的电势差和半导氧化层的电势差和半导体表面势将发生变化体表面势将发生变化mssoxVf ff f+ + += =SoxGVVf fD

27、D+ +D D= =加阈值电压加阈值电压VT时时, 表面势表面势f fs=2f ffpmssoxTVf ff f+ + += =TVVoxT:阈值反型点时栅阈值反型点时栅SiO2上电压上电压.阈值电压阈值电压VoxT与金属上电荷与金属上电荷Q mT及栅氧化层电容及栅氧化层电容Cox的关系为的关系为:VoxT=Q mT/CoxCox:单位面积栅氧化层电容单位面积栅氧化层电容.)(1/(max)SSSDoxoxmToxTQQCCQV - - = = = =fpmsoxSSoxSDTCQCQVf ff f2(max)+ + + - - = =阈值电压阈值电压:fpmsoxoxSSSDdQQf ff

28、fe e2)(max)+ + + - - = =利用平带电压表示式利用平带电压表示式: :fpFBoxSDTVCQVf f2(max)+ + + = = 可见可见, , 阈值电压与半导体掺杂浓度阈值电压与半导体掺杂浓度/ /栅氧化层电荷栅氧化层电荷/ /栅氧化栅氧化层厚度有关层厚度有关. .除此之外除此之外, 衬底偏压同样影响阈值电压衬底偏压同样影响阈值电压.阈值电压阈值电压* 精确控制集成电路中精确控制集成电路中MOSFET的阈值电压的阈值电压, 对电路而言不可对电路而言不可或缺或缺. 一般来说一般来说, 阈值电压可通过将离子注入沟道区加以调整阈值电压可通过将离子注入沟道区加以调整. 如如:

29、穿过表面氧化层的硼穿过表面氧化层的硼离子注入通常用来调整离子注入通常用来调整n沟沟道道MOSFET的阈值电压的阈值电压.通通过精确控制杂质的数量过精确控制杂质的数量,严格严格控制阈值电压控制阈值电压. 带负电的硼带负电的硼受主增加沟道内掺杂的水平受主增加沟道内掺杂的水平, 因此因此VT随之增加随之增加. 同样将少同样将少量硼注入量硼注入p沟道沟道MOSFET, 可可降低降低VT的绝对值的绝对值.右图为不右图为不同掺杂浓度的同掺杂浓度的VT.0 . 00 . 1-0 . 2-0 . 3-0 . 10 . 20 . 3141015101610171018101910多晶+p多晶+p多晶+n多晶+n

30、禁带中心禁带中心NMOSPMOS0 . 00 . 1-0 . 2-0 . 3-0 . 10 . 20 . 31410151016101710181019100 . 00 . 1-0 . 2-0 . 3-0 . 10 . 20 . 3141015101610171018101910多晶+p多晶+p多晶+n多晶+n禁带中心禁带中心NMOSPMOS3B/cm-NV/TV 也可通过改变氧化层厚度来控制也可通过改变氧化层厚度来控制VT. 随氧化层厚度的增加随氧化层厚度的增加, n沟道沟道MOSFET的阈值电压变大的阈值电压变大, 而而p沟道沟道MOSFET将变小将变小. 对对一固定栅极电压而言一固定栅极

31、电压而言, 较厚的氧化层可轻易地降低电场强度较厚的氧化层可轻易地降低电场强度. 功函数差和衬底偏压也可用来调整阈值电压功函数差和衬底偏压也可用来调整阈值电压. 随衬底电压增随衬底电压增, 阈值电压增阈值电压增. 4. 电荷分布电荷分布*若栅氧化层界面处反型层电子浓度若栅氧化层界面处反型层电子浓度:ns=(ni2/Na)exp(f fs/Vi);掺杂浓度掺杂浓度: Na=1*1016cm-3; 阈值反型点表面势阈值反型点表面势: f fs=2f ffp=0.695V.栅氧化层界面处电子浓度栅氧化层界面处电子浓度:ns=1*1016cm-3强反型强反型电荷密度电荷密度与表面势关系与表面势关系强反型

32、后强反型后, ,很小的很小的f f S变化变化, 使表面电子浓度变化很大使表面电子浓度变化很大耗尽层几乎不变耗尽层几乎不变.表面电子密度表面电子密度(堆积堆积和和反型反型)与表面势关系与表面势关系11.2 MOS电容电容-电压电压特性特性 MOS电容是电容是MOSFET的核心的核心. 从其从其电容电容-电压电压(C-V)特性特性关系关系可得到器件的大量信息可得到器件的大量信息. 器件电容定义为器件电容定义为: C=dQ/dV 对对没有功函数差没有功函数差的的MOS结结构构,外加外加偏压降在氧化物和半偏压降在氧化物和半导体上导体上.soVVy y+ += =osoxsooCQtQtEV = =

33、=e e其中其中MOS的的C-V特性特性E0=氧化层中电场氧化层中电场;QS=半导体中单位面积电荷量半导体中单位面积电荷量;C0=e eox/t=单位面积氧化层电容单位面积氧化层电容.E(x)电荷分布电荷分布电场分布电场分布电势分布电势分布1. 理想理想C-V特性特性MOS电容电容3种状态种状态: 堆积堆积/耗尽耗尽/反型反型.(假设无陷阱电荷假设无陷阱电荷) 堆积状态堆积状态: 负偏压负偏压, 半导体表面堆积空穴半导体表面堆积空穴Q. dVdQ; 外加外加偏压全降在氧化物上偏压全降在氧化物上, MOS单位面积电容单位面积电容=栅氧化层电容栅氧化层电容. Cox=e eox/tox氧化层厚度氧

34、化层厚度- - + +氧化层介电常数氧化层介电常数 耗尽状态耗尽状态施加小正偏压施加小正偏压产生产生耗尽层耗尽层; 电压降在氧化物和耗尽层上电压降在氧化物和耗尽层上, MOS二极管的总电容二极管的总电容C由氧化层电容由氧化层电容C0与半导体中的势垒电容与半导体中的势垒电容CS串串联而成联而成.dVdQxd; 总串联电容总串联电容SOXCCC+ += =111耗尽状态耗尽状态OXOXOXtC/e e= =其中其中dSSxC/e e= =dSOXOXOXSOXOXxtCCCC)/(/1e ee ee e+ += =+ += =VxdCVT- -+ +minCVdoCC0CCooCCoCCCoCjV

35、V/SOXCCC+ += =111总电容总电容反型状态反型状态 在在阈值反型点阈值反型点, 耗尽层达耗尽层达到最大到最大, 此时电容此时电容最小最小dTSOXOXOXxtC)/(mine ee ee e+ += = MOS电容电压的电容电压的微小变化微小变化强反型层强反型层电荷密度的变化电荷密度的变化(耗尽层耗尽层宽度基本不变宽度基本不变) 此时电容此时电容=栅氧化层电容栅氧化层电容OXOXOXtCinvC/)(e e= = = MOS电容的电容的C-V特性特性P衬底衬底MOS电容的电容的C-V特性特性阈值反型点阈值反型点平带时平带时MOS电容器理想低频电容和栅压的关系电容器理想低频电容和栅压

36、的关系. 平带发生在堆积和耗平带发生在堆积和耗尽之间尽之间,平带电容为平带电容为:assoxoxoxFBqNqkTtCe ee ee ee e+ += = 上述各电容上述各电容,一般均一般均为为pF量级量级.2. 频率特性频率特性 反型模式下反型模式下p型衬底型衬底MOS电电容电荷分布示意如图容电荷分布示意如图. 电容电压的微小变化电容电压的微小变化反型层反型层电荷密度变化电荷密度变化.反型层电荷反型层电荷电子的来源电子的来源: p型中少子型中少子电子的扩散电子的扩散; 耗尽层中的热运动形成的电耗尽层中的热运动形成的电子子-空穴对空穴对. 高频时高频时, 只有金属和空间电荷只有金属和空间电荷区

37、内电荷变化区内电荷变化, 反型层中的电荷反型层中的电荷不能响应电容电压的微小变化不能响应电容电压的微小变化.高频时高频时: C=Cmin堆积堆积反型反型高频高频CVG0频率特性频率特性 当测量频率足够低时当测量频率足够低时, 使表面使表面耗尽区内的产生耗尽区内的产生-复合率与电压复合率与电压变化率相当或更快时变化率相当或更快时, 电子浓度电子浓度(少子少子)与反型层中的电荷可以跟与反型层中的电荷可以跟随交流的信号变化而变化随交流的信号变化而变化. 因此因此导致强反型时的电容只有氧化层导致强反型时的电容只有氧化层电容电容CO. 右图为在不同频率下测右图为在不同频率下测得的得的MOS的的C-V曲线

38、曲线, 注意低频注意低频的曲线发生在的曲线发生在100Hz时时. 堆积堆积反型反型低频低频高频高频CVG0VV/6 . 08 . 00 . 1010-20-1020o/CCSi-SiO2VV/6 . 08 . 00 . 1010-20-1020o/CC10Hz103Hzd=200nmC-V图的频率效应图的频率效应102Hz104Hz105HzNa=1.45*1016cm-33.氧化层电荷与界面电荷效应氧化层电荷与界面电荷效应*在平带电压部分已讨论过相关电荷在平带电压部分已讨论过相关电荷统称为陷阱电荷统称为陷阱电荷.oxssmsFBCQV - -= =f f当存在氧化层电荷时当存在氧化层电荷时(

39、不考虑不考虑界面电荷界面电荷), 平带电压可表示为平带电压可表示为:Q ss:固定氧化层电荷固定氧化层电荷;f fms: 金属金属-半导体功函数差半导体功函数差.氧化层氧化层xP-Si0r rsdx0Q mQ ss平带平带MOS电荷电荷-电场分布电场分布0 x0 xEVFB- -E0 由于由于Q ss不是不是栅栅压的函数压的函数, 不同的栅不同的栅氧化层电荷将表现为氧化层电荷将表现为C-V曲线的平移曲线的平移.)(a)(b)(c0V-V+05 . 00 . 1)(a)(b)(c0V-V+05 . 00 . 1C-V0/CC0/CCQss3 Qss2 Qss10 对于给定的对于给定的MOS结构结

40、构,f fms与与Cox是已是已知的知的可求出理想平带电压可求出理想平带电压. 从测得的从测得的C-V特性曲线可得到平带电特性曲线可得到平带电压的实验值压的实验值得到固定氧化层电荷得到固定氧化层电荷.界面电荷效应界面电荷效应*EV禁带中电禁带中电子允态子允态在势垒二极管中已讨论过界面态在势垒二极管中已讨论过界面态.受主型受主型界面态界面态:空能级时为电中性空能级时为电中性, 接受电子后接受电子后带负电带负电, 称为受主型界称为受主型界面态面态; 施主型界面态施主型界面态: 能级被电子占据时能级被电子占据时呈电中性呈电中性, 释放电子后呈释放电子后呈正电性正电性, 则称为施主型界面态则称为施主型

41、界面态; 由于表面态是否被占据与费米能由于表面态是否被占据与费米能级有关级有关界面电荷与栅压有关界面电荷与栅压有关.EcEFi积累模式积累模式P-Si 图示为图示为积累模式积累模式的的能带图能带图, 施主施主型界面态存在型界面态存在净的正电荷净的正电荷.禁带中央禁带中央EFEV 若改变删压若改变删压, 使能带图成图使能带图成图b的形式的形式, 界面处界面处EF=EFi所有界面所有界面态均态均呈电中性呈电中性这种偏置状态为这种偏置状态为禁带中央禁带中央.界面电荷效应界面电荷效应*反型模式反型模式CFB 同样改变删压同样改变删压, 使能带图成图使能带图成图c的形式时的形式时, 界面处界面处EFEF

42、i受主受主型界面态存在型界面态存在净的负电荷净的负电荷. 对对P衬底衬底MOS电容电容, 由于由于栅氧栅氧化层电荷化层电荷的存在的存在,使使C-V曲线向曲线向负栅压方向移动负栅压方向移动. 由于由于界面态电界面态电荷荷的存在的存在, C-V曲线不仅会产生曲线不仅会产生偏移偏移, 而且会变的平滑而且会变的平滑. 通过测量通过测量MOS的的C-V特性特性判别器件的界面态密度等判别器件的界面态密度等.11.3 MOSFET基本工作原理基本工作原理增强型增强型: n沟道沟道/ p沟道沟道;耗尽型耗尽型: n沟道沟道/ p沟道沟道;1. 基本结构基本结构分类分类SiO2L+n+njrZp衬底衬底源极源极

43、栅极栅极漏极漏极Ln+rjdP-Si源极源极栅极栅极漏极漏极n+3个电极个电极: 高掺杂或结合金属高掺杂或结合金属硅化物的多晶硅硅化物的多晶硅; 第第4点为连点为连接衬底的欧姆接触接衬底的欧姆接触.基本器件参数基本器件参数: 沟道长度沟道长度L(两两n+p冶金结间距冶金结间距), 沟道沟道宽度宽度Z, 氧化层厚度氧化层厚度d, 结深结深rj及衬底掺杂浓度及衬底掺杂浓度NA. 器件中器件中央部分即为央部分即为MOS二极管二极管. 2. 基本工作原理基本工作原理 加加VGSVT(阈值电压阈值电压)和较小的和较小的VDS 形成电子反型层形成电子反型层(导电沟导电沟道道), 电流从漏极流向源极电流从漏

44、极流向源极 ID0. 此时沟道作用如同电阻此时沟道作用如同电阻, 电流电流ID与与VDS成比例成比例, 如图恒定电阻所示的如图恒定电阻所示的线性区线性区VGSVT+VDS基本工作原理基本工作原理VDS较小时较小时, 沟道表现为电阻特性沟道表现为电阻特性ID=gdVDS沟道电导沟道电导nndQLWg = =m mm mn反型层中电子迁移率反型层中电子迁移率; Q n单位面积反型层电荷量单位面积反型层电荷量.由器件结构参数由器件结构参数,可得可得由于由于Q n为栅压的函数为栅压的函数gd为栅压的函数为栅压的函数ID为栅压的函数为栅压的函数.对于对于较小的较小的VDS, VGSVT后后, 随随VGS

45、增加增加, 斜率增大斜率增大.基本工作原理基本工作原理基本工作原理基本工作原理 沟道夹断后沟道夹断后, 若若VG不变不变, VDS持续持续增增, 超过夹断电压的部分降超过夹断电压的部分降落夹断区上落夹断区上, 夹断区随夹断区随VDS增大而展宽增大而展宽, 夹断点向内移动夹断点向内移动, 反型层内反型层内电场增而反型载流子数减电场增而反型载流子数减, 二者共同作用的结果是单位时间流过二者共同作用的结果是单位时间流过的载流子数的载流子数(即电流即电流)不变不变; 载流子漂移到夹断点载流子漂移到夹断点, 立即被夹断区的立即被夹断区的强电场扫入强电场扫入D区区, 形成漏源电流形成漏源电流, 该电流不随

46、该电流不随VDS的增大而变化的增大而变化, 即即达到饱和达到饱和. 强反型强反型时时, D-S电流通过沟道时在其上产生压降电流通过沟道时在其上产生压降, 即沟道压降即沟道压降=VDS 绝缘层上的绝缘层上的有效压降从有效压降从S到到D端逐渐减小端逐渐减小反型层厚度不反型层厚度不等等, 沟道中各处电子浓度不等沟道中各处电子浓度不等; VD持续增加持续增加到到D端的有效压降低端的有效压降低于表面强反型所需的阈值电压于表面强反型所需的阈值电压VT时时, 靠近靠近D处的处的反型层厚度反型层厚度0, 此处称为夹断点此处称为夹断点, 如图如图.电流电流- -电压特性电压特性* )(222DSDSTGSOXn

47、DVVVVLCWI- - -= =m m非饱和区理想的电流非饱和区理想的电流-电压关系电压关系, 饱和区饱和区2)(2TGSOXnDVVLCWI- -= =m m线 性 区饱 和 区V10TG=- VV的 轨 迹对 VIDsatDsat2468101214161801020304050234567891线 性 区饱 和 区V10TG=- VV的 轨 迹对 VIDsatDsat2468101214161801020304050234567891图 5.17理 想 化 的 MOSFET 的 漏 极 特 性 ， 于时 漏 极 电 流 为 一 常 数DsatDVVV/DV)/(0DLCZImN沟道沟道

48、MOSFET的电流的电流- -电压特性电压特性3. 小信号跨导小信号跨导定义定义:相对于栅压的漏电流变化相对于栅压的漏电流变化. 由式由式(11.58), 在非饱和区在非饱和区, 可得可得DSOXnmLVLCWg= =m m由式由式(11.59), 在饱和区在饱和区, 可得可得)()(TGSOXnGSDmsVVLCWVsatIg- -= = = =m m常数常数= = = =VDGSDmVIg小信号导纳小信号导纳*常数常数= = = =VGSDDdVIg定义定义:由前面的式子由前面的式子, 在非饱和区在非饱和区, 可得可得)(DSTGSOXndVVVLCWg- - -= =m m线性区的电阻线

49、性区的电阻, 称为导通电阻称为导通电阻, 可用下式表示可用下式表示)(TGSOXnVVLCW- - m m)(1TGSOXndnoVVCWLgR- -= = =m m4. 衬底偏置效应衬底偏置效应VSB=0时时, 有有)2(2(max)fpasdTaSDNexeNQf fe e- -= =- -= = VSB0时时, 空间电荷区增空间电荷区增, 有有)2(2SBfpasdaSDVNexeNQ+ +- -= =- -= = f fe e衬底偏置效应衬底偏置效应空间电荷密度变化量空间电荷密度变化量222fpSBfpasSDVNeQf ff fe e- -+ +- -= = D D阈值电压将增加阈值

50、电压将增加, 其增量其增量222fpSBfpoxasoxSDTVCNeCQVf ff fe e- -+ += = D D- -= =D D11.4 频率特性频率特性1. 小信号等效电路小信号等效电路N沟道沟道MOSFET的固有电阻和电容的固有电阻和电容.G-D附近沟道电附近沟道电荷的相互作用荷的相互作用G-S附近沟道电附近沟道电荷的相互作用荷的相互作用G-D交叠电容交叠电容G-S交叠电容交叠电容源极电阻源极电阻漏极电阻漏极电阻漏漏-衬底结电容衬底结电容G-S间电压控间电压控制沟道电流制沟道电流1. 小信号等效电路小信号等效电路共源共源n沟道小信号等效电路沟道小信号等效电路内部内部g-s间电压间

51、电压控制沟道电流控制沟道电流总栅总栅-漏电容漏电容总栅总栅-源电容源电容ID- -VDS动态电阻动态电阻简化简化低频小信号低频小信号等效电路等效电路gmVgsrds+-+-VgsGSDrds数值通常较大数值通常较大, rdsRd时时, 可认为可认为rds开路开路;等效电路简化为等效电路简化为:2. 频率限制因素与截止频率频率限制因素与截止频率频率限制因素频率限制因素1: 沟道输运时间沟道输运时间很短很短不是不是MOSFET频率响频率响应限制的主要因素应限制的主要因素.频率限制因素频率限制因素2:栅栅电极电容充放电电极电容充放电时间时间, 等效电路如图等效电路如图.)(dgsgdTVVCj- -+ +w wgsgsTiVCjI = =w w输入电流输入电流输出输出D端电流和端电流和/+ +gsmLdVgRV0)(= =- -+ +gsdgdTVVCjw w连立消去连立消去VdgsgdTLLmgdTgsTiV