半导体物理基础

1、1Chap5 MOSFET25-1 MOSFET基本理论 一、基础知识 1、结构特性 MOSFET： Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 三明治结构：金属(铝或者多晶硅PloySilicon)-氧化物(SiO2)-半导体(P型或N型硅)。金属和半导体形成一个平行板电容。图5135-1 MOSFET基本理论 栅：最顶层的金属板 源：向沟道提供电子 漏：接收电子。 衬底构成第四个极。 做一般分析时假设源和衬底电位相同，即VBS=0，作为电压参考。VDS、VGS分别是漏源电压和栅源电压。 实际上VBS可以 改变 器件的性能。45-1 M

2、OSFET基本理论 从图51可以看出，MOSFET是双边对称的，源和漏可以互换。 对于N沟道器件，电压的正极端是漏，电压的负极端是源。55-1 MOSFET基本理论 理想MOS结构基于以下假设：在氧化物中或者氧化物和半导体之间的界面上不存在电荷；氧化物是良好的绝缘体，能阻挡直流电流流过。因此即使有外加电压，表面空间电荷区也处于热平衡状态。因此质量作用定律可以使用。65-1 MOSFET基本理论 2、基本工作原理 利用栅压控制MOS器件导电沟道载流子浓度。利用半导体表面效应制成的器件。 N沟道增强型工作原理：加上正的栅源电压，源与衬底同电位，栅和衬底形成以氧化层为介质的电容，产生的电场排斥衬底的

3、多子空穴，吸引少子电子到界面。 阈值电压VT：当栅源电压大于VT时，才能形成导电沟道。7 5-1 MOSFET基本理论 当栅源电压达到一定数值之后，这些电子在界面处形成一个N型薄层，称为反型层。组成漏源之间的导电沟道，也称为感生沟道。 在正的漏极电流作用下产生漏极电流ID。85-1 MOSFET基本理论 线性区：当外加较小的VDS时，漏极电流ID将随VDS上升迅速增大。 饱和区：当VDS增大到一定数值后，靠近源端被夹断，形成一夹断区，此时VDS上升，ID趋于饱和。 由于沟道存在电位梯度，因此沟道是不均匀的：靠近源端厚，靠近漏端薄。95-1 MOSFET基本理论 平带电压：外加的能拉平半导体 能

4、带的电压就叫做平带电压，VFB 当VGS=VFB时，氧化物硅界面下的空穴数等于体内部空穴数。 VGSVFB时，氧化物硅界面下的np。 强反型阈值条件：VGS=VT时，界面处n=p，沟道导通；VGSVT时，沟道电导随栅压迅速增加105-1 MOSFET基本理论 三、基本分析 1、方块电阻的概念 沟道尺寸的三个方向x（厚度），y（长度），z（宽度）。 首先假设沟道在x方向是均匀的。 方块电阻往往指每方（长和宽相等的薄膜层）的电阻值Rs。 因此薄膜电阻可以表示为：方数 Rs115-1 MOSFET基本理论 2、将方块电阻应用于MOSFET沟道 首先假设沟道均匀。 可以求出沟道所存储电荷的面电荷密度与

5、方块电阻的关系（55）。 将反型层看作平行板电容器，可以写出反型层中面电荷密度的另一种表达式（56）。其中COX是MOS电容器单位面积电容。125-1 MOSFET基本理论 最后得到以MOSFET的一个物理特性（单位面积电容）和端电压表示的沟道方块电阻表达式（57）。 考察实际情况：沟道不均匀 由于沟道电流的存在，使得沟道中产生IR压降，导致沟道在x方向不均匀，漏端薄，源端厚。135-1 MOSFET基本理论 在y处取一个单元dy，其方块电阻为Rs(y)，从源到漏单调增加。该单元处的电压为VGS-VT-V（y)。得到Rs(y)表达式58。该单元的电阻dR为59。145-1 MOSFET基本理论

6、 四、电流电压方程 联合59和510并积分后，得到513。 ID=-ICH（取向内方向为正，ID应为正） 图55：MOSFET电流（ID）电压（VDS）曲线。 饱和区和非饱和区的分界点：随着VDS的增加，ID不再发生变化（沟道夹断）155-1 MOSFET基本理论 514中的物理参数 COX：单位面积氧化层电容。515 氧化层的介电常数。 系数K 考察饱和情况：当VDS增加到一定程度后，ID不再随VDS变化，即OXOXOXnLZCK20DSDVI165-1 MOSFET基本理论 饱和工作的条件为：VDS=VGS-VT 刚好是图55中饱和区和非饱和区的分界线。 工作在饱和区的电流电压转移特性曲线

7、。518175-1 MOSFET基本理论 五、亚阈值传导 当VGSVT时，沟道中仍有较小的漏电流，该电流称为亚阈值电流，主要由载流子的扩散引起。这种现象称为亚阈值传导。 图57中曲线在VGSVT时弯曲。185-1 MOSFET基本理论 耗尽型（D）MOSFET：以N沟道为例，在氧化层中掺入正的金属离子，从而使得在没有VGS的条件下，这些正离子已经在氧化层硅表面感应出了电子（将P型衬底的多子空穴耗尽），形成导电沟道。195-1 MOSFET基本理论 六、跨导 反映了VGS对ID的控制。输出电流对输入电压的变化率，在决定器件开关速度中起关键作用。 由结构和技术决定：迁移率；氧化层厚度；Z/L比例)

8、(2TGSGSDmVVKVIg205-1 MOSFET基本理论 BJT的跨导不依赖于结构和技术，并且一般比MOSFET大10100倍。 实际电路中可以将多种电路结构相结合，结合它们的优点和特色。如CMOS、BiCOMS。215-1 MOSFET基本理论 七、反相器选择 几种反相器的比较：电阻负载、二极管负载、耗尽模式负载、CMOS反相器，主要讨论开关速度 1、电阻负载反相器 电阻负载也称为上拉电阻 初始：VGSVT，C通过M1放电。跨导越大，放电速度越快 关断：VGSVT，M1关断，VDD通过RD对C充电。 总结：电阻负载的打开时间与gm有关，关断时间与RC有关。235-1 MOSFET基本理

9、论 2、二极管负载 打开：与阻性负载相同 关断：VDD通过饱和负载对C充电，速度要低于阻性负载（图514，练习514） 总结：与阻性负载相比，关断速度慢，功耗大（M2始终处于导通状态）；工艺兼容，面积小（价格便宜）245-1 MOSFET基本理论 3、耗尽模式负载 容限更宽 原理上可以用恒定电流对C充电（图515），但是由于“体效应”现象，使耗尽型负载的I-V特性曲线退化为近似线性。255-1 MOSFET基本理论 4、CMOS反相器 功耗低（总有一个管子处于非导通状态），抗干扰能力强，速度快。 与其他几种负载相比，打开时的输出电压基本上为严格的逻辑0 接近于0的静态电流：基本上没有电流流过C

10、OMS反相器，功耗低。IDon0265-2 MOS电容现象 一、氧化层硅边界条件 MOS电容器：金属氧化层硅 由于半导体自由载流子浓度比金属少很多，因此在衬底硅中的感应电荷区要厚一些，为氧化层的几倍厚，称为电场穿透区。275-2 MOS电容现象 E-硅中电荷区的电场强度 EOXMOS电容电场强度 E在si-sio2界面上是不连续的。oXEE31285-2 MOS电容现象 二、近似电场和电势分布 静电势关系：栅电势、电容电势、硅电荷区电势 对于硅电荷区电势，可以将该电荷区看作一个耗尽层（多子被耗尽），可以使用耗尽近似中的电势、耗尽层厚度关系。533SBGSGB295-2 MOS电容现象 对于MO

11、S电容，可以用电势、单位面积电荷和单位面积电容的关系获得。534 图519：电场、电势以及能带图的表示。 （b）硅中的电场分布遵守耗尽近似；氧化层中的电场为常数；金属中的电场为0 （c）电势分布 （d）能带图：在硅氧化层界面向下弯曲305-2 MOS电容现象 四、势垒高度差 平带条件： 真空能级：电子与镜像电荷吸引力为0的能级 功函数：真空能级导费米能级的能量间隔，即阻止电子逃逸的势垒。 光电阈值：使电子从价带顶逃到真空能级所需的能量 电子亲和势：导带电子逃逸到真空能级所需的能量。0SB315-2 MOS电容现象 氧化层和硅之间的能带关系固定：图522 势垒高度HB：SIO2导带底离硅费米能级

12、的间距 栅极势垒高度HG： SIO2导带底离栅费米能级的间距 势垒高度差HD：平带条件下硅费米能级与栅费米能级的距离。325-2 MOS电容现象 势垒高度差HD的物理意义：由于栅和衬底之间存在功能函数的差别，当结合为MOS系统之后，电子会在系统中根据能量进行分布，导致在栅和衬底之间形成静电势，即为势垒高度差。实际上为栅费米能级与衬底费米能级的距离。 HD依赖HB，而HB依赖掺杂浓度，因此HD依赖于掺杂浓度。（图523）335-2 MOS电容现象 将HD写成平衡态下p-si衬底中电子浓度n0的函数（549） 其中的第一项为体电势 。 关于平带电压：对势垒高度的分析表明，由于金属和硅衬底间存在静电

13、势，使得在没有加栅压的情况下，衬底能带图在si-sio2表面就发生了弯曲。要使能带图拉平，需要在栅极加电压，称为平带电压。B345-2 MOS电容现象 外加电压、势垒高度以及总的静电势差 关系为 根据定义， 时得到平带条件，此时有VFBHD。GBGBDGBHV0GB355-2 MOS电容现象 五、界面电荷（Qit） 硅悬挂键：在晶体表面，破坏了共价键的完整性，形成悬挂键或者未饱和键。 界面陷阱能级：由于这些共价键可以被电子占据，也属于电子能级，但这些能级位于禁带中，称为界面陷阱能级。 界面陷阱电荷：晶体界面上俘获或发射电子的电荷，称为界面陷阱电荷。365-2 MOS电容现象 这些电荷也称为表面

14、态、快态或界面态。 界面态密度：单位能量、单位面积的界面陷阱数目。 一般认为禁带中费米能级以上部分的界面态为类受主型（电子占据时为负，反之为中性），费米能级以下部分的界面态为类施主型（无电子占据时为正，反之为中性）。375-2 MOS电容现象 界面态的影响：起到静电屏蔽的作用。表面态被电子填充，会中止电场的电力线，降低体电势 因此MOS系统中有了界面态后，能带弯曲程度要降低。图528 如何减少界面态密度：采用低温氢气退火工艺。 由于MOS制造技术的进步，界面陷阱的影响已经可以忽略。SB385-2 MOS电容现象 六、氧化层电荷 先前假设在理想情况下，氧化层中是没有电荷的，而实际情况下，氧化层中

15、存在电荷，并对平带电压和阈值电压造成一定的影响。 1、氧化物固定电荷Qf 位于界面约3nm的范围内，这些电荷是固定的，正的。395-2 MOS电容现象405-2 MOS电容现象 假设HD=0，在理想情况下，VFB0。但由于氧化层中存在这一薄层电荷，会产生新的平带电压（569），图529 2、可移动离子Qm 主要来源于工艺过程中引入的诸如钠离子和其它碱金属离子，在高温和高压下工作时，它们能在氧化层内移动。415-2 MOS电容现象 也假设HD=0，寄生电荷薄层位于sio2中的任一位置x，会在si和AL中感应出负电荷。图530（b） 由于衬底界面处存在电荷，产生静电荷，平带条件不满足，界面处的能带

16、图向下弯曲。425-2 MOS电容现象 为达到平衡条件，需要在栅极加负电压，使源于Qm的所有电力线都指向栅极，衬底没有感应电荷，从而满足平带条件。该栅压即为该条件下的平带电压。 3、氧化层陷阱电荷Qot Sio2中可以通过辐射、雪崩注入、隧穿等机制引入电子荷空穴，形成陷阱电荷。与界面陷阱电荷类似，可正可负。435-2 MOS电容现象 当这些电荷距离si-sio2界面较近时，就有可能与衬底发生电荷交换，但交换的时间较界面陷阱电荷要长。因此氧化层陷阱又常称为“边界陷阱”、“慢陷阱”、“慢界面态”。 大都可以通过低温退火消除。445-2 MOS电容现象 EPROM是采用浮栅技术生产的可编程存储器，它

17、的存储单元多采用N沟道叠栅注入MOS管（SIMOS，Stacked-gate Injuction MOS ），除控制栅外，还有一个无外引线的栅极，称为浮栅。 455-2 MOS电容现象 写入数据：在SIMOS管的漏、栅极加上足够高的电压（如25V），使漏极及衬底之间的PN结反向击穿，产生大量的高能电子。这些电子穿过很薄的氧化绝缘层堆积在浮栅上，从而使浮栅带有负电荷。当移去外加电压后,浮栅上的电子没有放电回路，能够长期保存。 擦除数据：当用紫外线或X射线照射时，浮栅上的电子形成光电流而泄放，恢复写入前的状态。照射一般需要15至20分钟。为了便于照射擦除，芯片的封装外壳装有透明的石英盖板。465-

18、2 MOS电容现象 七、阈值电压的计算 阈值电压定义：当栅极加上该电压后，硅表面（sio2-si界面）电子浓度等于硅体中的空穴浓度。即衬底表面势与体电势大小相等，符号相反。 影响阈值电压的量有： （1）HD：势垒高度差，与衬底掺杂浓度有关。475-2 MOS电容现象 （2） ：引起能带弯曲，在阈值电压条件下有 （3） ：MOS电容氧化层部分的电压将，由四种特殊电荷以及硅中的电荷（相当于电容所存储电荷）决定。 当只考虑四种特殊电荷中Qf的影响时，BBSSB2SBGSOXSOXfGSCQCQ485-2 MOS电容现象 综上所述，在达到阈值条件下，所加的外加电压即阈值电压为 式中的第一项和第二项为V

19、FB。BOXSOXfDTCQCQHV2495-3 MOS电容建模 一、理想MOS C-V特性 对于理想的MOS系统，当外加电压VG发生变化时，金属极板上的单位面积电荷Qm和半导体表面空间单位面积电荷Qs都会相应发生变化。因此MOS系统具有一定的电容效应，称为MOS电容器。 但是电荷电压关系不是普通平行板电容的比例关系。505-3 MOS电容建模 令C为MOS系统单位面积的微分电容 微分电容C会随VG发生变化，称为MOS系统的电容电压特性。可以用来分析半导体表面的性质。GmdVdQC 515-3 MOS电容建模 令 由 可得 化简得 称为归一化电容 其中，CO为绝缘层单位面积电容，CS为半导体表

20、面空间电荷区单位面积电容。GSmoddQCSBsSBmSddQddQCSBGSGBGVSOCCC111SOOCCCC/11525-3 MOS电容建模 MOS电容C是CO和CS串联的结果。 1、绝缘层电容CO 可以近似为平行板电容 因此CO不随外加电压变化，是一个常数。VdQm000 xkddQdVdQCGSmmO535-3 MOS电容建模 2、半导体表面电容CS CS是 的函数，因此也是VG的函数。 将MOS电容随偏压的变化分成几个区域。 （1）积累区（VGP0。 当VG0） 当VG0时，表面势大于0，在空间电荷区中，能带向下弯曲。 造成多子耗尽，少子增多，但少子数量仍可忽略。耗尽区中的单位面

21、积总电荷为 。xd为耗尽层厚度。daSxqNQ615-3 MOS电容建模625-3 MOS电容建模 将耗尽区作为单边突变结处理 因此有 耗尽层厚度随电压上升而加厚，CS下降。图540图542。 （4）反型区 出现反型后的电容与电压频率有很大关系，如题540所示。022sdaSkxqNdSSxkC0635-3 MOS电容建模 在耗尽基础上进一步增加VG，能带弯曲更大，使得禁带中线超过了费米能级。 此时出现了nni和pni的情况，该层半导体由p型变为n型，称为反型层。以 为界，左边为n型，右边为p型。 此时少子浓度不能被忽略，表面电荷由两部分组成：反型层中的电子电荷QI，耗尽层中的受主电荷QB，B

22、ISQQQSBSISSSddQddQddQC645-3 MOS电容建模SBSISSSddQddQddQC655-3 MOS电容建模 先考虑QI的积累过程，有两个来源：来自于衬底，很少；来自于耗尽区的电子空穴对产生，与载流子寿命有关，一般较长。 （1）高频电压 电压的变化太快，使得QI来不及变化， 。0SIddQdsSBSxkddQC0665-3 MOS电容建模 随着VG的增加，耗尽层厚度增加，电容下降。 随着VG增加，反型层中的电子电荷不断增加，对外加电场起屏蔽作用，xd不再增加，MOS电容达到最小值。如图539虚线。675-3 MOS电容建模 （2）低频电压 此时载流子寿命与信号频率变化相当

23、，反型层中的电子电荷变化屏蔽了信号电场,QI的变化对电容贡献较大，而耗尽层宽度和电荷基本不变。 形成反型后，QI随电压的变化很快，CS很大 。如图540。SISddQC1/11SOOCCCC685-3 MOS电容建模 总结：MOS系统电容特性 1。由两个电容CO和CS串联。较小的电容起主要作用。 2、C-V特性 积累区、平带情况、耗尽区、反型区、C-V特性随信号频率的变化。695-4 改进的MOSFET理论 从能带分析角度获得更精确的电势、电压、电流关系。 一、沟道结的相互作用 图551（b）：在平带条件下，在沟道中任何地方的表面电势 都等于体电势，符合平带条件（ ）。 图551（c）：VGS为正，VDS=0时的衬底和表面电势的关系。电势差表示了能带弯曲情况。)(yS0SB705-4 改进的MOSFET理论 图551（d）：VGS为正，VDS不为0时