第6章场效应晶体管

1、微电子器件与微电子器件与IC设计设计第六章第六章 MOSFETMOS场效应晶体管场效应晶体管 引言引言 一、一、FET(Field-Effect Transistor) 二、场效应器件类型：二、场效应器件类型： 场效应晶体管场效应晶体管结型场效应结型场效应晶体管晶体管 （JFET）金属半导体场金属半导体场效应晶体管效应晶体管 （MESFET） MOS 场效应场效应 晶体晶体管（管（MOSFET）Junction FETMetal-Semiconductor FETMetal-Oxide-Semiconductor FET GDGSp+p+nJFETMESFETMOSFET三、三、FET特点：特

2、点： 单极器件、多子器件单极器件、多子器件 电压控制器件电压控制器件热稳定性好热稳定性好 噪声低噪声低 种类多种类多 制作工序少，隔离容易制作工序少，隔离容易 6.1 MOS结构及其特性结构及其特性1、MOS场效应与电荷状态场效应与电荷状态MOS 电容的结构电容的结构理想理想MOS结构结构：1、金属和半导体功函数相同；、金属和半导体功函数相同；2、氧化层是理想绝缘体，没有体、氧化层是理想绝缘体，没有体电荷和缺陷；电荷和缺陷；3、氧化层和半导体界面是理想界、氧化层和半导体界面是理想界面，无界面电荷和界面态；面，无界面电荷和界面态；4、金属和氧化层界面是理想界面，、金属和氧化层界面是理想界面，无界

3、面缺陷。无界面缺陷。理想理想MOS 施加偏压后的几种表面状态施加偏压后的几种表面状态各种栅压情况下，表面势和电荷分布情况（各种栅压情况下，表面势和电荷分布情况（p-Si）：）：l平带平带：表面势为0；l多子积累多子积累：表面势0，能带向上弯曲；l耗尽耗尽：表面势0，0VsF，能带向下弯曲；表面的多子浓度远小于体内的多子浓度。表面的多子浓度远小于体内的多子浓度。l弱反型弱反型：表面势0， FVs00IDS方向DSSDVT00 表面多子浓度表面多子浓度 强反型: 表面少子浓度 体内多子浓度体内多子浓度 导电沟道: 强反型时漏源之间形成的导电通道 阈值电压 VT ：使半导体表面达到强反型时(ns p

4、0)所需的栅源电压 漏极： 载流子流出沟道 源极： 载流子流入沟道 (漏源电压总是使载流子 由源极流入沟道，由漏极流出沟道 )6.2 MOSFET的基本结构及工作原理的基本结构及工作原理6.2.4、 MOSFET的转移特性的转移特性 ：VDS为常数，IDSVGSE-NMOSFET：VGS0， IDS0VGS ：P型耗尽层 IDS0VGSVT（阈值电压） N反型层VGS ： IDSVT0VGS- 0 +VTIDS6.2 MOSFET的基本结构及工作原理的基本结构及工作原理 D-NMOSFET：VGS=0，IDS已存在VGSVT, IDSVDS）MOSFET 输出特性输出特性以以E-NMOSFET

5、为例：为例： VDS=0：IDS=0VDS0很小：IDSVDS线性增大VDS增大： IDSVDS变化减慢VDS继续增加：IDSIDSATVDS再增加：IDS基本不变VDS进一步增大：雪崩击穿，电流剧增6.2 MOSFET的基本结构及工作原理的基本结构及工作原理（A）线性区；（）线性区；（B）和（）和（C）饱和区）饱和区 电学符号电学符号 转移特性转移特性IDSVGS 输出特性输出特性IDSVDSGDSID已有导电沟道VTVGSVT0VT0VGS- 0 +VT+VGSVTIDVDSGDSVDS0VGS- 0 +IDVDS +VGS=0 VT- 0IDGDSVDS0VTVGS- 0 +IDVT0V

6、DS VT -ID- 0n沟耗尽型沟耗尽型n沟增强型沟增强型P沟耗尽型沟耗尽型P沟增强型沟增强型6.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压6.3.1阈值电压定义阈值电压定义 MOSFET表面呈现强反型、形成导电沟道时的栅源电压，以VT表示TOXSFBVVVVVOX ：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P-Si衬底SGDEdsIds6.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压6.3.2 平带电压平带电压实际MOS结构：无偏压时无偏压时MOS结构中由于功函数差结构中由于功函数差会会引起引起表面能带弯曲表面能带弯曲1020msoxVQ

7、、金半的接触电势差 、二氧化硅绝缘层电荷 oxoxmsFBCQVSiO2栅绝缘层中的电荷同样可在半导体表面感栅绝缘层中的电荷同样可在半导体表面感应出表面电荷应出表面电荷 平带电压平带电压使表面势为使表面势为0，所需在栅上加的偏压，所需在栅上加的偏压6.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压 6.3.3 强反型时的电荷分布强反型时的电荷分布 QG：金属栅上的面电荷密度 QOX：栅绝缘层中的面电荷密度 Qn ：反型层中电子电荷面密度 QB ：半导体表面耗尽层中空间电荷面密度0GOXnBQQQQ栅电极栅氧化层P型半导体QnQGQOXQB6.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压6.3.4 理想状态理想状

8、态MOSFET的阈值电压的阈值电压1. 理想状态：理想状态：Qox0，ms02. 沟道形成时的临界状态：沟道形成时的临界状态：Qn03. 出现强反型后：出现强反型后：xd xdmax (强反型时可视为np) 栅电极栅氧化层P型半导体QnQGQOXQBSoxGVVV6.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压6.3.4 理想状态理想状态MOSFET的阈值电压的阈值电压maxGnBOXBQQQQQ 理想假设条件下不考虑刚达到强反型时Qn分布在表面很薄的一层内Qn0）： 210max2ASdqNyVVx 210maxmax)(2yVVqNxqNQSAdABDSVmaxBQ TnV场感应结场感应结：半导体

9、表面形成反型层时，衬底和反型层之间类似形成PN结，因是由半导体表面的电场引起的，故称为场感应结。由于由于V VDSDS0 0，导致沟道，导致沟道中存在电位差，故沿沟中存在电位差，故沿沟道方向场感应结不均匀。道方向场感应结不均匀。6.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压6.3.5 实际实际MOSFET的阈值电压的阈值电压（3） 衬偏电压（衬偏电压（VBS0）：）： 210max|2ABSSdqNVyVVx 210maxmax|)|(2BSSAdABVyVVqNxqNQ120122( ) |lnoxATnmsASBSoxoxiQNkTVqN VV yVCCqnVBS衬底偏置衬底偏置：对于MOS-I

10、C而言，在电路工作时，其中各个MOSFET的衬底电位是时刻变化着的，如果对器件衬底的电位不加以控制的话，那么就有可能会出现场感应结以及源-衬底结正偏的现象；一旦发生这种现象时，器件和电路即告失效。所以，对于IC中的MOSFET，需要在衬底与源区之间加上一个适当高的反向电压衬偏电压，以保证器件始终能够正常工作。简言之，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。VBS使使“场感应结场感应结”耗尽层宽度变化耗尽层宽度变化6.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压6.3.6影响阈值电压的因素影响阈值电压的因素 （1）栅电容）栅电容Cox（2）接触电势

11、）接触电势（3）衬底杂质浓度的影响）衬底杂质浓度的影响（4）氧化层电荷密度的影响）氧化层电荷密度的影响6.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压6.3.6影响阈值电压的因素影响阈值电压的因素 （1）栅电容）栅电容Coxl减小氧化层厚度减小氧化层厚度l选用较大介电系数的选用较大介电系数的材料作栅介质膜材料作栅介质膜oxoxoxtC0oxC|TVoxt120122( ) |lnoxATnmsASBSoxoxiQNkTVqNVV yVCCqn6.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压6.3.6影响阈值电压的因素影响阈值电压的因素 （2）接触电势差）接触电势差mmsWWsqmsmsWWq修正（由于金半之间

12、有一层氧化层）PSiNSi1ln2msgAmiENkTWqqn|TPVTnVmsANDNms1ln2msgDmiENkTWqqn0-0.3-0.6-0.9NBC 1010 1014 1018Al（n-Si)Al（p-Si)衬底杂质浓度对接触电势差影响不大。衬底杂质浓度对接触电势差影响不大。现代现代MOS工艺多采用（工艺多采用（N+）硅栅。）硅栅。6.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压6.3.6影响阈值电压的因素影响阈值电压的因素 （3）衬底杂质浓度的影响）衬底杂质浓度的影响l对费米势费米势影响较小，当杂质浓度增加2个数量级的时候，费米势仅变化0.1V；l对功函数差功函数差影响较小，当杂质浓度

13、增加4个数量级的时候，功函数仅变化0.2V；l对耗尽层电荷耗尽层电荷影响较大。l耗尽层电荷可采用离子注入调整，受主杂质注入使VT增大，施主杂质注入使VT减小。1013 1017 cm-310 5 10.01tox=100nmVT12max022BAFQqN 12max022BDFQqNPMOSNMOS120122( ) |lnoxATnmsASBSoxoxiQNkTVqNVV yVCCqn衬底杂质浓度对VT的影响6.3 MOSFET的阈值电压的阈值电压6.3.6影响阈值电压的因素影响阈值电压的因素 （4）氧化层电荷密度的影响）氧化层电荷密度的影响对于对于NMOS：NA一定时，一定时，Qox增加

14、会导致增加会导致VT下降，下降，所以所以NMOS易形成耗尽型易形成耗尽型（PMOS易形成增强型），要制备增强型易形成增强型），要制备增强型NMOS必须降低必须降低QOX。1.对于对于Si衬底，（衬底，（100）面的固定电荷面密度最低，（）面的固定电荷面密度最低，（111）面的固定）面的固定电荷面密度最高，故电荷面密度最高，故MOS器件常选用（器件常选用（100）硅片为衬底。）硅片为衬底。6.4 MOSFET的电流电压特性的电流电压特性6.4.1 理想模型（以理想模型（以ENMOS为例）为例）一维近似，只考虑电流在y方向的流动；强反型近似：缓变沟道近似：只考虑漂移电流，忽略扩散电流；忽略沟道和衬

15、底间的反向漏电流；忽略源极、漏极、沟道之间的接触电阻；沟道杂质浓度均匀分布；沟道载流子迁移率为常数。FSV2yxEEXc6.4 MOSFET的电流电压特性的电流电压特性6.4.2 沟道电荷密度沟道电荷密度Qn(y)设沟道中y处的电荷密度为Qn(y)：设沟道中某一点电位为V(y)则：0)(maxyQQQnBG)(maxyQQQnBGoxnBoxGoxCyQQCQV)(maxDSVLV)(0)0(V)()(2)(2maxyVVCyQQyVVVVFBoxnBFFBoxFGSmax( )2( )noxGSFBFBQyCVVV yQ max2( )BoxGSFFBoxQCVVV yC )(yVVVCTG

16、Sox6.4 MOSFET的电流电压特性的电流电压特性6.4.3 漂移电流漂移电流IDSqn(x,y)：沟道中某点的电荷密度，n：迁移率dyydVEy)( dyydVyxqnJny),(000( )( , )ccxWxyyndV yIJ dxdzqn x y dxWdy ( )ynndV yIWQdy 00( )DSLVynnIdyWQ dV y DSVTGSoxnDSydVyVVVLWCI0)()(为增益因子。其中LWCVVVVLWCIoxnDSDSTGSoxnDS221Xc萨支唐方程：萨支唐方程：6.4 MOSFET的电流电压特性的电流电压特性6.4.3 漂移电流漂移电流IDS1、线性区：

17、、线性区： VDSVGSVT，V(y)可忽略：2、可变电阻区：、可变电阻区：VDS较大，V(y)不能忽略：3、饱和区：、饱和区： VDS继续增大到VDSVGS-VT 沟道夹断：DSTGSoxnDSVVVLWCI)(NNPSGD夹断点IDSVDS实际022TGSoxnDsatVVLWCI221DSDSTGSoxnDSVVVVLWCI沟长调制效应（沟长调制效应（CLM）6.4 MOSFET的电流电压特性的电流电压特性6.4.4 影响电流电压特性的因素影响电流电压特性的因素u耗尽层电荷的影响耗尽层电荷的影响u沟道调制效应沟道调制效应u高场迁移率的影响高场迁移率的影响栅电场（栅电场（Ex）的影响）的影

18、响横向电场（横向电场（Ey）的影响）的影响6.4 MOSFET的电流电压特性的电流电压特性6.4.4 影响电流电压特性的因素影响电流电压特性的因素（1）耗尽层电荷的影响）耗尽层电荷的影响 210maxmax)(2yVVqNxqNQSAdABQBM随着随着VDS变化。变化。2F1/23/23/202222223oxDsatDSGSFBDsatADSFBSFBSoxW CVIVVVLqNVVVC1/ 220F022121AoxD SatG SF BG SF BoxAqNCVVVVVCqN电电压压为为：为为常常数数，求求得得饱饱和和源源漏漏，饱饱和和时时GSDSDSVdVdI0比理想状态下的饱和源漏

19、电压要小，饱和源漏电流也要小，但更精确。比理想状态下的饱和源漏电压要小，饱和源漏电流也要小，但更精确。明显。明显。越大，沟长调制效应越越大，沟长调制效应越为沟长调制系数：为沟长调制系数：其中，其中，成反比，有：成反比，有：与与而而效沟道长度效沟道长度，则沟道长度减小，有，则沟道长度减小，有当当DSDStDSatDSatDSatDSaDSatDSeffDSatDSVLLV1ILL1ILL-1IL-LILILIL-LLVV6.4 MOSFET的电流电压特性的电流电压特性DSatIDSV6.4.4 影响电流电压特性的因素影响电流电压特性的因素（2）沟道调制效应（）沟道调制效应（CLM）1 6.4 MOSFET的