场效应晶体管-MOSFET

1、N沟硅基MOSFET结构示意图N沟MOSFET剖面图沟道电荷在体内靠近氧化层界面处的积累沿沟道的能带图MOSFET结构与能带图0DSV半导体表面的能带图kTEECsfCeNn/)(fs2阈值电压表面势各种类型半导体中的能带图增强型NFET增强型PFET耗尽型NFET耗尽型PFETMOSFET的示意符号源漏电压为零时的NFET垂直沟道的能带图和沿沟道的能带图VOX ：栅电压VG 降落在 SiO2 绝缘层上的部分VS ： 栅电压VG 降落在半导体表面的部分VFB ：平带电压thoxoxTGSVVkTEECsfCcheNn/)(fCchBEEEkTECsBeNn/SCBnNkTElnpBgsEEq1

2、pTGSVV一定偏压下NFET垂直沟道的能带图和沿沟道的能带图0DSV典型的MOSFET特性不同电压下沿沟道方向的能带图)源(LSDEnIdydEqECL1thoxoxTGSVVpBgsEEq1kTECsBeNn/MOSFET就是一个压控电阻。这个电阻位于源漏之间，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。NFET的结构与纵向、横向电场)(y长沟模型DSDVIL5um10um)()(yvyWQIchD)()()(yEyyvL)()()(yEyyWQILchDdydVqEchL1 )()()

3、(ydVyyWQdyIchchD0,0DchIQTGSVVTGSVVoxtWXLtACoxoxoxtC单位面积氧化层电容0roxTGSGSchTGSTchGSchGSchGSchoxVVVQVVVQVQVQdVdQC0)()()()(GSchchVQQ)(TGSoxchVVCQ0DSV)()(yVVVCyQchTGSoxch)(yVVVchTGS饱和电流与饱和电压的定义satDsatchWIQmin)()(yvyWQIchD)()(yVVVCyQchTGSoxch饱和电流曲线)(2)(2TGSDSDSDSTGSoxDVVVVVVVLWCI沟道载流子迁移率)()()(ydVyyWQdyIchch

4、D222)(2DSsatoxTGSoxDsatVLWCVVLWCI)(TGSDSsatVVV电流饱和效应的说明 2)()()0()()0()(2)()()()()2)(22oxDTGSTGSCchCCoxDTGSTGSchchchTGSoxDWCyIVVVVqEyqVEyEWCyIVVVVyVyVyVVVyWCI)()()(yEyyWQILchDdydVqEchL1 电流饱和效应的进一步说明 )()(21 1)()0(2)(1)(2TGSDSDSTGSDSTGSoxDGSoxDLoxDTGSoxDCchLVVVVVVVLVVWCIVVWCIWCyIVVWCIdydEqdydVy)0()(0LT

5、GSoxDVVWCIy沟道长度调制效应)(2)(2TGSDSDSDSTGSoxDVVVVVVVLWCI不同栅压下n沟MOSFET特性曲线222)(2DSsatoxTGSoxDsatVLWCVVLWCI沟道长度效应的定性解释u漏极电压增加，有效沟道长度减少u漏极电压增加，阈值电压数值减少LLIVLLWCIDsatDSsatoxDsat1)(22LLLL111)(DSsatDSVVLL)(1DSsatDSDsatDVVII半导体器件原理南京大学(5) P MOSFET特性特性结构与特性与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P MOSFET中，

6、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。 半导体器件原理南京大学P-SubstrateSiO2GateNPNVG=0WellSiO2GateP N PVG=0VsVVd半导体器件原理南京大学3. MOSFET沟道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，掺杂浓度及栅氧化层厚度。oxtgoxBfbteffBfbtoxBasididSieffxxnefftVVtVVEVVCqNQQQEdxxndxxnii632)2(4)21

7、(1)()(00横向电场对迁移率的影响横向电场对迁移率的影响 除晶格散射和电离杂质散射，FET沟道中的电子还要经受与沟道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。tvl能带弯曲的增加导致横向电场增大影响导带底斜率的因素：1、固定电荷QB2、沟道中有可动电荷Qch横向电场强度随沟道的掺杂浓度、偏置条件以及在沟道中的深度而改变N沟MOSFET的低场迁移率随VGS的变化DSatDSatTGslfoxDsatchTGSlfVVVVLWCIVVV)2()(10)(1chTGSlfVVV考虑横向点电场影响前后的计算结果比较纵向电场对沟道迁移率和沟道电子速度的影响纵向电场对沟道迁移率的影响光

8、学声子散射引起的两次碰撞之间平均自由时间减小的结果satLlflfsatLlfLlfvvv11简单模型和考虑载流子速度饱和模型计算的电流电压曲线)( 1)(21()1 ()1 (2/100TGSsatLTGSlflfsatDSatDSatDSsatDSatlfVchchlfDDSatDSsatDSlfVchchlfDVVvVVLvVVVLvVLdVQWIVVLvVLdVQWIDSatDS纵向电场对电流的影响纵向电场对电流的影响 相当于沟道长度变长饱和电压随沟道长度的变化饱和电压随沟道长度的变化)( 1)(21(2/1TGSsatLTGSlflfsatDSatVVvVVLvV饱和电压随沟道长度的

9、减小而减小饱和电流随沟道长度的变化关系半导体器件原理南京大学电子迁移率：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半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学空穴迁移率：)31(1idSieffQQE相关串联电阻相关串联电阻DchStotRRRR简单长沟模型、考虑速度饱和的模型以及考虑串联电阻的电流电压曲线。饱和电流与饱和电

10、压的定义半导体器件原理南京大学4. 亚阈值特性：数字逻辑和存储电路中（P342，8.3）在有几十万甚至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半导体器件原理南京大学线性坐标半对数坐标半导体器件原理南京大学数字逻辑和存储电路中低漏电压V0：漏电流(dV/dy)中的漂移场(ds/dy) 与扩散

11、: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半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学亚阈值电流2()/22/222()(1)2ssdsqVkTSiaiisaqkTqVkTSiaidseffsaqNnkTQeq NqNnWkTIeeLqN2/ 1/ )(222kTVqaisaSisSisseNnkTqkTNEQdsVieffdsdVVQLWI0)(第二项（反

12、型层电荷密度Qi）远小于第一项（耗尽层电荷密度Qd）半导体器件原理南京大学亚阈值摆幅：（漏电流变化10倍所对应的栅压变化）不大依赖于器件参数，微依赖于掺杂浓度)1 (3 . 23 . 2)(log(110oxdmgdsCCqkTqmkTdVIdS()/2()/22442(1)(2)()(1)4(1)()(1)gtdsgtdsSiasgfbsoxSiaBSiaBfbBsBoxoxq VVmkTqVkTSiadseffBq VVmkTqVkTdseffoxqNVVCqNqNVCCqNWkTIeeLqWkTorICmeeLq BBs22ln()ABiNkTqn半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京

13、大学5. 衬底偏压和温度对阈值电压的影响衬底的敏感（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，耗尽层厚度也不会再增大）；但是，衬偏电压是直

14、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的影响 背栅调制作用半导体器件原理南京大学oxbsBaSibstoxbsBaSiBfbtbsBdsbsBoxa

15、sidsdsBfbgoxeffdsBaSiBfbbsgoxiCVqNdVdVCVqNVVVVVCqNVVVVLWCIVqNVVVVCQ)2(2/)2(22)2()2(322)22()2(2)2(2/32/3dsVieffdsdVVQLWI0)(半导体器件原理南京大学反向衬底偏压加大了体耗尽区的宽度，提高了阈值电压。把源极和衬底短接起来，当然可以消除衬偏效应的影响，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

16、-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）。减弱或消除衬偏效应的措施半导体器件原理南京大学温度的影响：TNNdTNNdanddTdEqdTNNdNNqkTNNNqkeNNNqkTdTddTdWheredTdCqNdTdEqdTdVCqNqEVvcvcgvcvcavckTEvcaBBoxBaSigtoxBaSiBgtg/2321)ln()ln()/1(21422/（通常在1mV/K）半导体器

17、件原理南京大学dTdEqmNNNqkmdTdVVgavctt123)ln()12(阈值电压下降和亚阈值斜率的退化MOSFET器件零栅压时的漏电流在100C是室温的30-50倍。半导体器件原理南京大学 长沟道 MOSFETs半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学1. 漏电流模型反型层电荷密度与准费米势aBSidmBkTqkTqVaikTqSiakTVqaiqNyVyWyVykTqeeNnkTqekTNdxdyxEeNnyxn2)(2)(2)(), 0() 1() 1(2)(),(),(/22/22/ )(2半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学渐变沟道近似渐变沟道近似: 沟道方向上的

18、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。并忽略沟道中的产生与复合效应dxdqndxdnqnkTdxdqnJnninn)(半导体器件原理南京大学dsdsVieffdsVieffLdsieffieffdsdVVQLWIdVVQWdyIVQdydVWyQdydVWyI000)()()()()(dxyxnqyQanddxdydVyxnqWyIdyydVyxnqyxJiixixndsnn00),()(),()()(),(),( 半导体器件原理南京大学2/ 1/ )(220/ )(22),()/(kTVqaisoxaSisfboxssfbgVkTVqaieffdssdsSBeNnkTq

19、CkTNVCQVVdVdVEeNnLWqIdVEeNnqdddxVnqVQeNnVnyxnSBBskTVqaiikTVqai),()/(),()(),(),(/)(2/)(2Pao和和Sahs双积分：双积分：反型区2/1/22/) 1() 1(2),(kTqeeNnkTqekTNyxEkTqkTqVaikTqSia 半导体器件原理南京大学2。MOSFET 电流电压特性(1)电荷层近似：反型层中无电势降落或能带弯曲。)2()2(322)22()()2(2)2()2()()2(22/ 32/ 30BdsBoxasidsdsBfbgoxeffdsVieffdsBaSiBfbgoxdsiBfbgoxsfbgoxsBaSidmadVCqNVVVVLWCIdVVQLWIVqNVVVCQQQVVVCVVCQVqNWqNQds半导体器件原理南京