第八章MOS场效应晶体管

1、半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 1 1Physics of Semiconductor Devices2007,3,30半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 2 2本章内容提要本章内容提要qMOSFET的基本结构的基本结构qMOSFET的基本工作原理的基本工作原理qMOSFET的分类的分类qMOSFET的阈值电压的阈值电压qMOSFET的直流特性的直流特性 qMOSFET的频率特性的频率特性qMOSFET的击穿、功

2、率、的击穿、功率、 开关、温度、噪声特性开关、温度、噪声特性qMOSFET的短沟道和窄沟道效应的短沟道和窄沟道效应 半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 3 3 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor)有许多种缩有许多种缩写形式，如写形式，如IGFET、MISFET、MOST等。等。n沟道沟道MOSFET的透视图如图所示。的透视图如图所示。8.1 MOSFET8.1 MOSFET的基本结构的基本结构它是一个四它是一个四端点器件，端点器件，由一个由两由一个由两个个 n + 区 域区

3、域( 即 源 极即 源 极(Source)与与漏极漏极(Drain)的的p型半导体型半导体所组成。所组成。 半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 4 48.1 MOSFET8.1 MOSFET的基本结构的基本结构 氧化层上方的金属称为氧化层上方的金属称为栅极栅极(Gate)，高掺杂或结合，高掺杂或结合金属硅化物的多晶硅可作为栅极电极，第四个端点为金属硅化物的多晶硅可作为栅极电极，第四个端点为一连接至衬底一连接至衬底(Bulk)的欧姆接触。的欧姆接触。半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院

4、南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 5 58.1 MOSFET8.1 MOSFET的基本结构的基本结构基本的器件参数有：基本的器件参数有：q沟道长度沟道长度L、q沟道宽度沟道宽度Z、q氧化层厚度氧化层厚度d、q源、漏区结深度源、漏区结深度xj、q衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度NA。q器件中央部分即为器件中央部分即为MOS二极管。二极管。 半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 6 6 MOSFET中源极接点作为中源极接点作为电压的参考点。电压的参考点。当栅极无外加偏当栅极无外加偏压时

5、，源极到漏压时，源极到漏极电极之间可视极电极之间可视为两个背对背相为两个背对背相接的接的p-n结，而结，而由源极流向漏极由源极流向漏极的电流只有反向的电流只有反向漏电流。漏电流。MOSFET的基本工作原理的基本工作原理 8.2 MOSFET8.2 MOSFET的基本工作原理的基本工作原理半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 7 78.2 MOSFET8.2 MOSFET的基本工作原理的基本工作原理MOS场效应晶体管的工作偏置图 当外加一足够大的当外加一足够大的正电压于栅极上时，正电压于栅极上时，MOS结构将

6、被反型，结构将被反型，以致于在两个以致于在两个n+型区型区域之间形成表面反型域之间形成表面反型层即沟道层即沟道(channel)。源极与漏极通过这一源极与漏极通过这一导电的表面导电的表面n型沟道相型沟道相互连结，并可允许大互连结，并可允许大电流流过。沟道的电电流流过。沟道的电导可通过栅极电压的导可通过栅极电压的变化来加以调节。衬变化来加以调节。衬底偏压亦会影响沟道底偏压亦会影响沟道电导。电导。 半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 8 88.2 MOSFET8.2 MOSFET的基本工作原理的基本工作原理半

7、导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 9 9 依据反型层的形式，依据反型层的形式，MOSFET有四种基本的形式。有四种基本的形式。假如在零栅极偏压下，沟道的电导非常低，必须在栅极假如在零栅极偏压下，沟道的电导非常低，必须在栅极外加一正电压以形成外加一正电压以形成n沟道，则此器件为沟道，则此器件为增强型增强型(或称常或称常关型关型)n沟道沟道MOSFET。 如果在零偏压下，已有如果在零偏压下，已有n沟道存在，而必须外加一沟道存在，而必须外加一负电压来排除沟道中的载流子，以降低沟道电导，则此负电压来排除沟道中的载

8、流子，以降低沟道电导，则此器件为器件为耗尽型耗尽型(或称常开型或称常开型)n沟道沟道MOSFET。同样也有。同样也有p沟道增强型与耗尽型沟道增强型与耗尽型MOSFET。 MOSFET的种类的种类 8.3 MOSFET8.3 MOSFET的分类的分类半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 10108.3 MOSFET8.3 MOSFET的分类的分类类型类型N沟沟MOSFETP沟沟MOSFET耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型衬底衬底P型型N型型S、D区区N区区P区区沟道载流子沟道载流子电子电子空穴

9、空穴VDS大于零大于零小于零小于零IDS方向方向由由DS由由SD阈值电压阈值电压VT0VT0VT0电路符号电路符号半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 11118.3 MOSFET8.3 MOSFET的分类的分类类型类型剖面图剖面图输出特性输出特性转移特性转移特性)(N沟增强型沟增强型)(n常开常开)(p常闭常闭)(p常开常开+ +G+ +n+ +np+ +DDI沟道沟道nG+ +n+ +np+ +DDI+ +- - -G+ +p+ +pn- -DDIG+ +p+ +pn- -DDI+ +- -沟道沟道pD

10、I0DV123V4G= =VDI0DV2- -0V1G= =V1- -0DIDV- -1- -2- -3- -V4G- -= =VDI0DV- -120V1G- -= =V+ +- -0TnVDITpV0GVDI+ +- -+ +0TnVDIGV- -+ +- -0GVDI常闭常闭)(N沟耗尽型沟耗尽型)(P沟增强型沟增强型)(P沟耗尽型沟耗尽型+ +G+ +n+ +np+ +DDI+ +G+ +n+ +np+ +DDI沟道沟道nG+ +n+ +np+ +DDI+ +- -G+ +n+ +np+ +DDI+ +- - -G+ +p+ +pn- -DDI- -G+ +p+ +pn- -DDIG+

11、 +p+ +pn- -DDI+ +- -沟道沟道pG+ +p+ +pn- -DDI+ +- -G+ +p+ +pn- -DDI+ +- -沟道沟道pDI0DV123V4G= =VDI0DV123V4G= =VDI0DV2- -0V1G= =V1- -DI0DV2- -0V1G= =V1- -0DIDV- -1- -2- -3- -V4G- -= =V0DIDV- -1- -2- -3- -V4G- -= =VDI0DV- -120V1G- -= =VDI0DV- -120V1G- -= =V+ +- -0TnVDI+ +- -0TnVDITpV0GVDI+ +- -TpV0GVDI+ +- -

12、+ +0TnVDIGV- -+ +0TnVDIGV- -+ +- -0GVDI+ +- -0GVDI半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 12128.4 MOSFET8.4 MOSFET的阈值电压的阈值电压阈值电压阈值电压(Threshold Voltage)的定义：的定义： MOSFETMOSFET阈值电压阈值电压V VT T是金属栅下面的半导体表面呈是金属栅下面的半导体表面呈现强反型、从而出现导电沟道时所需加的栅源电压。现强反型、从而出现导电沟道时所需加的栅源电压。 由于刚出现强反型时，表面沟道中的导电

13、电子很由于刚出现强反型时，表面沟道中的导电电子很少，反型层的导电能力较弱，因此漏电流也比较小。少，反型层的导电能力较弱，因此漏电流也比较小。在实际应用中往往规定漏电流达到某一值时的栅源电在实际应用中往往规定漏电流达到某一值时的栅源电压为阈值电压。压为阈值电压。半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 13138.4 MOSFET8.4 MOSFET的阈值电压的阈值电压 概念上讲概念上讲, V, VT T就是将栅极下面的就是将栅极下面的SiSi表面从表面从P P型型SiSi变为变为N N型型SiSi所必要的电压。

14、所必要的电压。 它由两个分量组成它由两个分量组成, , 即即: : VT= Vs+ VoxlVs ：Si表面电位表面电位;；lVox：SiO2层上的压降。层上的压降。半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 1414一、金属栅上产生的面电荷密度一、金属栅上产生的面电荷密度 QG ；二、栅绝缘层中的面电荷密度二、栅绝缘层中的面电荷密度Qox;三、三、反型层中导电电子电荷面密度反型层中导电电子电荷面密度Q n；四、半导体表面耗尽层中空间电荷面密度四、半导体表面耗尽层中空间电荷面密度QB ；由电中性条件：由电中性条件

15、：QG+Qox+Qn +QB =08.4 MOSFET8.4 MOSFET的阈值电压的阈值电压8.4.1 MOSFET8.4.1 MOSFET阈值电压表达式阈值电压表达式8.4.1.1 MOS8.4.1.1 MOS结构中的电荷分布结构中的电荷分布(Charge Distribution)半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 1515 MOS二极管还受氧二极管还受氧化层内的电荷以及化层内的电荷以及SiO2-Si界面陷阱的影响。这界面陷阱的影响。这些基本的陷阱与电荷的些基本的陷阱与电荷的类型如图所示，包括有类型

16、如图所示，包括有界面陷阱电荷界面陷阱电荷(Interface trapped charge) 、氧化、氧化层固定电荷层固定电荷(fixed oxide charge)、氧化层陷阱电、氧化层陷阱电荷荷(oxide trapped charge)以及可动离子电荷。以及可动离子电荷。 界面陷阱与氧化层电荷界面陷阱与氧化层电荷 ：8.4 MOSFET8.4 MOSFET的阈值电压的阈值电压+-+-+-+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)(mQ)(otQ电荷氧化层陷阱)(fQ氧化层固定电荷2

17、SiOSi)(itQ界面陷阱电荷半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 1616 界面陷阱电荷界面陷阱电荷Qit是由是由SiO2-Si界面特性所造成，且与界面特性所造成，且与界面处的化学键有关。这些陷阱位于界面处的化学键有关。这些陷阱位于SiO2-Si界面处。这界面处。这些界面陷阱密度与晶体方向有关。在些界面陷阱密度与晶体方向有关。在100方向，其界方向，其界面陷阱密度约比面陷阱密度约比111方向少一个数量级。方向少一个数量级。 目前在硅基上采目前在硅基上采用热氧化生成二氧化用热氧化生成二氧化硅的硅的MOS二

18、极管中所二极管中所产生的大部分界面陷产生的大部分界面陷阱，可用低温阱，可用低温450的氢退火加以钝化。的氢退火加以钝化。8.4 MOSFET8.4 MOSFET的阈值电压的阈值电压+-+-+-+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)(mQ)(otQ电荷氧化层陷阱)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 1717 氧化层固定电荷氧化层固定电荷Qf

19、位于距离位于距离SiO2-Si界面约界面约3nm处。此处。此电荷固定不动，且即使表面电势有大范围的变化仍不会电荷固定不动，且即使表面电势有大范围的变化仍不会有充放电现象发生。一般来说，有充放电现象发生。一般来说，Qf为正值，且与氧化、为正值，且与氧化、退火的条件以及硅的晶体方向有关。一般认为当氧化停退火的条件以及硅的晶体方向有关。一般认为当氧化停止时，一些离子化的硅留在界面处，而这些离子与表面止时，一些离子化的硅留在界面处，而这些离子与表面未完全成键的硅结合未完全成键的硅结合(如如Si-Si或或Si-O键键)，可能导致正的界，可能导致正的界面电荷面电荷Qf产生。产生。8.4 MOSFET8.4

20、 MOSFET的阈值电压的阈值电压+-+-+-+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)(mQ)(otQ电荷氧化层陷阱)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 1818 氧化层陷阱电荷氧化层陷阱电荷Qot常随着二氧化硅的缺陷常随着二氧化硅的缺陷产生，这些电荷可由如产生，这些电荷可由如X光辐射或是高能量电子光辐射或是高能量电子轰击而产生。这些陷阱轰

21、击而产生。这些陷阱分布于氧化层内部，大分布于氧化层内部，大部分与工艺有关的部分与工艺有关的Qot可可以低温退火加以去除。以低温退火加以去除。 8.4 MOSFET8.4 MOSFET的阈值电压的阈值电压+-+-+-+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)(mQ)(otQ电荷氧化层陷阱)(fQ氧化层固定电荷金属2SiOSi)(itQ界面陷阱电荷半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 19198.4 MO

22、SFET8.4 MOSFET的阈值电压的阈值电压钠或其他碱金属离子的钠或其他碱金属离子的可动离子电荷可动离子电荷Qm，在高温，在高温(如大如大于于100)或强电场的工作条件下，可在氧化层内移动，或强电场的工作条件下，可在氧化层内移动，可能会引发半导体器件稳定度的问题。并使得可能会引发半导体器件稳定度的问题。并使得C-V曲线曲线沿着电压轴产生位移。因此，在器件制作的过程中需特沿着电压轴产生位移。因此，在器件制作的过程中需特别注意以消除可动离子电荷。别注意以消除可动离子电荷。 +-+-+-+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

23、电荷+-+-+-+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界面陷阱电荷半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 20208.4.1.2 MOS8.4.1.2 MOS二极管二极管 MOS二极管在半导体二极管在半导体器件物理中占有极其重要器件物理中占有极其重要的地位，因为它是研究半的地位，因为它是研究半导体表面特性最有用的器导体表面特性最有用的器件之一。在实际应用中，件之一。在实际应用中，MOS二极管是先进集成电二极管是先进集成电路中最重要的路中最重要的M

24、OSFET器器件的枢纽。在集成电路中件的枢纽。在集成电路中，MOS二极管亦可作为一二极管亦可作为一储存电容器，并且是电荷储存电容器，并且是电荷耦合器件耦合器件(CCD)的基本组的基本组成部分。成部分。 半导体金属绝缘体V半导体金属绝缘体V二极管的透视图MOS)(aAld0 x欧姆接触2SiOAld0 x欧姆接触2SiO二极管的剖面图MOS)b(图 5. 1半导体金属绝缘体V半导体金属绝缘体V二极管的透视图MOS)(aAld0 x欧姆接触2SiOAld0 x欧姆接触2SiO二极管的剖面图MOS)b(图 5. 18.4 MOSFET8.4 MOSFET的阈值电压的阈值电压半导体器件物理半导体器件物

25、理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 21218.4 MOSFET8.4 MOSFET的阈值电压的阈值电压半 导 体金 属绝 缘 体V半 导 体金 属绝 缘 体V二 极 管 的 透 视 图M O S)(aA ld0 x欧 姆 接 触2S iOA ld0 x欧 姆 接 触2S iO二 极 管 的 剖 面 图M O S)b(图5. 1理想理想MOS二极管二极管 MOS二极管的透视二极管的透视结构如图结构如图(a)所示。图所示。图(b)为其剖面结构，其为其剖面结构，其中中d为氧化层的厚度，为氧化层的厚度，而而V为施加于金属平板为施加于金属

26、平板上的电压。当金属平板上的电压。当金属平板相对于欧姆接触为正偏相对于欧姆接触为正偏压时，压时，V为正值；而当为正值；而当金属平板相对于欧姆接金属平板相对于欧姆接触为负偏压时，触为负偏压时，V为负为负值。值。 半 导 体金 属绝 缘 体V半 导 体金 属绝 缘 体V二 极 管 的 透 视 图M O S)(aA ld0 x欧 姆 接 触2S iOA ld0 x欧 姆 接 触2S iO二 极 管 的 剖 面 图M O S)b(图5 . 1半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 2222 右图为右图为V=0时，理想

27、时，理想p型型MOS二极管的能带图。功函二极管的能带图。功函数数(Work Function)为费米能级与真空能级之间的能量差为费米能级与真空能级之间的能量差(金属：金属：q m；半导体：半导体：q s，q为电子亲和力，即半导体中为电子亲和力，即半导体中导带边缘与真空能级的差值，导带边缘与真空能级的差值，qB为费米能级为费米能级EF与本征费与本征费米能级米能级Ei的能级差。的能级差。 真空能级mqsq金属型半导体Pd氧化层FEFEVEiECE2/gEBqq图 5. 2 V=0 时理想 MOS二极管的能带图8.4 MOSFET8.4 MOSFET的阈值电压的阈值电压半导体器件物理半导体器件物理南

28、京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 23238.4 MOSFET8.4 MOSFET的阈值电压的阈值电压理想理想MOS二极管定义为：二极管定义为： (1)在零偏压时，金属功函数在零偏压时，金属功函数q m与半导体功函数与半导体功函数q s的能的能级差为零或功函数差级差为零或功函数差q ms为零，如下式。即在无外加偏为零，如下式。即在无外加偏压之下其能带是平的压之下其能带是平的(称为平带称为平带(flat-band)状况状况)。 0)2()(=+-=-BgmsmmsqEqqqqq(2)在任意的偏压之下，二极管中的电荷仅位于半导体之在任意

29、的偏压之下，二极管中的电荷仅位于半导体之中，且与邻近氧化层的金属表面电荷量大小相等，但极中，且与邻近氧化层的金属表面电荷量大小相等，但极性相反，忽略氧化层中的表面态电荷密度。性相反，忽略氧化层中的表面态电荷密度。(3)在直流偏压下，无载流子通过氧化层，亦即氧化层的在直流偏压下，无载流子通过氧化层，亦即氧化层的电阻值为无穷大电阻值为无穷大 。半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 2424 当一理想当一理想MOS二极管偏压为二极管偏压为正或负时，半导体表面可能会出正或负时，半导体表面可能会出现三种状况。对现三种

30、状况。对p型半导体而言，型半导体而言，当一负电压施加于金属平板上时，当一负电压施加于金属平板上时，SiO2-Si界面处将产生超量的空穴，界面处将产生超量的空穴，接近半导体表面的能带将向上弯接近半导体表面的能带将向上弯曲，如图。对理想曲，如图。对理想MOS二极管二极管而言，不论外加电压为多少，器而言，不论外加电压为多少，器件内部均无电流流动，所以半导件内部均无电流流动，所以半导体内部的费米能级将维持为一常体内部的费米能级将维持为一常数。在半导体内部的载流子密度数。在半导体内部的载流子密度与能级差成指数关系，即与能级差成指数关系，即 )exp(kTEEnpFiip-=FECEiEFEVE0V0 x

31、SQmQ积累时)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c图 5. 3理想 MOS二极管的能带图及电荷分布FECEiEFEVE0V0 xSQmQ积累时)(aFECEiEFEVE0V0 xSQmQ积累时)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c图 5. 3理想 MOS二极管的能带图及电荷分布FECEiEFEVE0V0 xSQm

32、Q积累时)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c图 5. 3理想 MOS二极管的能带图及电荷分布FECEiEFEVE0V0 xSQmQ积累时)(aFECEiEFEVE0V0 xSQmQ积累时)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c图 5. 3理想 MOS二极管的能带图及电荷分布8.4 MOSFET8.4 MOSFET的

33、阈值电压的阈值电压半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 25258.4 MOSFET8.4 MOSFET的阈值电压的阈值电压FECEiEFEVE0V0 xSQmQ积累时)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c图 5. 3理想 MOS二极管的能带图及电荷分布FECEiEFEVE0V0 xSQmQ积累时)(aFECEiEFEVE0V0 xSQmQ积累时)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEFEVEiE

34、CE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c图 5. 3理想 MOS二极管的能带图及电荷分布 半导体表面向上弯半导体表面向上弯曲的能带使得的能级差曲的能带使得的能级差Ei-EF变大，进而提升空变大，进而提升空穴的浓度，而在氧化层穴的浓度，而在氧化层与半导体的界面处产生与半导体的界面处产生空穴堆积，称为空穴堆积，称为积累现积累现象象(Accumulation)。其相。其相对应的电荷分布如图所对应的电荷分布如图所示。示。FECEiEFEVE0V0 xSQmQ积累时)(a0VFEFEVE

35、iECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c图 5. 3理想 MOS二极管的能带图及电荷分布FECEiEFEVE0V0 xSQmQ积累时)(aFECEiEFEVE0V0 xSQmQ积累时)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c图 5. 3理想 MOS二极管的能带图及电荷分布半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电

36、子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 2626 当外加一小量正电压于理想当外加一小量正电压于理想MOS二极管时，靠近半二极管时，靠近半导体表面的能带将向下弯曲，使导体表面的能带将向下弯曲，使EF=Ei，形成多数载流子，形成多数载流子(空穴空穴)耗尽，称为耗尽，称为耗尽现象耗尽现象(Depletion)。在半导体中单位。在半导体中单位面积的空间电荷面积的空间电荷Qsc的值为的值为qNAW，其中，其中W为表面耗尽区为表面耗尽区的宽度。的宽度。 8.4 MOSFET8.4 MOSFET的阈值电压的阈值电压半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与

37、工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 27278.4 MOSFET8.4 MOSFET的阈值电压的阈值电压 当外加一更大的正电压时，能带向下弯曲得更严重。当外加一更大的正电压时，能带向下弯曲得更严重。使得表面的本征能级使得表面的本征能级Ei越过费米能级越过费米能级EF，如图。正栅极，如图。正栅极电压将在电压将在SiO2-Si的界面处吸引更多的负载流子的界面处吸引更多的负载流子(电子电子)。半导体中电子的浓度与能差半导体中电子的浓度与能差EF-Ei成指数关系，即成指数关系，即 )exp(kTEEnniFip-=半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学

38、与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 2828 由于由于EF-Ei0，在半，在半导体表面上的电子浓度将导体表面上的电子浓度将大于大于ni，而空穴浓度将小，而空穴浓度将小于于ni，即表面的电子，即表面的电子(少数少数载流子载流子)数目大于空穴数目大于空穴(多多数载流子数载流子)，表面载流子，表面载流子呈现反型，称为呈现反型，称为反型现象反型现象(Inversion)。 FECEiEFEVE0V0 xSQmQ积累时)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c图 5. 3理想 MOS二极管的能带图及电荷分布FEC

39、EiEFEVE0V0 xSQmQ积累时)(aFECEiEFEVE0V0 xSQmQ积累时)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c图 5. 3理想 MOS二极管的能带图及电荷分布FECEiEFEVE0V0 xSQmQ积累时)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c图 5. 3理想 MOS二极管的能带图及电荷分布FECEiE

40、FEVE0V0 xSQmQ积累时)(aFECEiEFEVE0V0 xSQmQ积累时)(a0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEFEVEiECE00mQWqNAx耗尽时)(b0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c0VFEVEiECEFEix00mQxWqNAnQ反型时)(c图 5. 3理想 MOS二极管的能带图及电荷分布8.4 MOSFET8.4 MOSFET的阈值电压的阈值电压半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 29298.4 MOSFET8.4 MOSFE

41、T的阈值电压的阈值电压 起初，因电子浓度较小，表面处于一起初，因电子浓度较小，表面处于一弱反型弱反型(Weak Inversion)的状态，当能带持续弯曲，使得导带的边缘的状态，当能带持续弯曲，使得导带的边缘接近费米能级。当靠近接近费米能级。当靠近SiO2-Si界面的电子浓度等于衬底界面的电子浓度等于衬底的掺杂量时，开始产生的掺杂量时，开始产生强反型强反型(Strong Inversion)。在此。在此之后，大部分在半导体中额外的负电荷是由电子在很窄之后，大部分在半导体中额外的负电荷是由电子在很窄的的n型反型层型反型层(0 xxi)中产生的电荷中产生的电荷Qn如图如图所组成，其所组成，其中中x

42、i为反型层的宽度。为反型层的宽度。xi典型值的范围从典型值的范围从1nm 10nm，且通常远小于表面耗尽区的宽度。且通常远小于表面耗尽区的宽度。 半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 30308.4 MOSFET8.4 MOSFET的阈值电压的阈值电压Question:可以写出理想MOS结构的阈值电压表达式了么？半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 3131表面耗尽区表面耗尽区：下图为：下图为p型半导体表面更为详细的能带

43、图。在半导体型半导体表面更为详细的能带图。在半导体衬底内的静电势衬底内的静电势定义为零。在半导体表面定义为零。在半导体表面= s，s称为表面电称为表面电势。将电子与空穴的浓度表示为势。将电子与空穴的浓度表示为的函数：的函数： 其中当能带如图向下弯曲时，其中当能带如图向下弯曲时，为正值表面载流子密度为为正值表面载流子密度为 -=kTqnnBsip)(exp-=kTqnpsBip)(exp-=kTqnnBsis）(exp-=kTqnpsBis)(exp8.4 MOSFET8.4 MOSFET的阈值电压的阈值电压FEVEiECE半导体表面gEBqq)0(SSqix半导体氧化层FEVEiECE半导体表

44、面gEBqq)0(SSqix半导体氧化层FEVEiECE半导体表面gEBqq)0(SSqix半导体氧化层半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 3232根据以上的讨论，以下各区间的表面电势可以区分为根据以上的讨论，以下各区间的表面电势可以区分为 ss0：空穴耗尽：空穴耗尽(能带向下弯曲能带向下弯曲)； s=B：禁带中心，即：禁带中心，即nsnpni(本征浓度本征浓度)； sB：反型：反型(能带向下弯曲超过费米能级能带向下弯曲超过费米能级)电势为距离的函数，可由一维的泊电势为距离的函数，可由一维的泊松方程式求得

45、为松方程式求得为 ssxdxd)(22-=其中其中s s(x)为位于为位于x处的单位体积电处的单位体积电荷密度，而荷密度，而s s为介电常数为介电常数 8.4 MOSFET8.4 MOSFET的阈值电压的阈值电压FEVEiECE半导体表面gEBqq)0(SSqix半导体氧化层FEVEiECE半导体表面gEBqq)0(SSqix半导体氧化层FEVEiECE半导体表面gEBqq)0(SSqix半导体氧化层半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 3333 下面采用耗尽近似法分析下面采用耗尽近似法分析p-n结当半导体

46、耗尽区宽度达到结当半导体耗尽区宽度达到W时，半导体内的电荷为时，半导体内的电荷为s=-qNAW，积分泊松方程式可得距离，积分泊松方程式可得距离x的函的函数的表面耗尽区的静电势分布：数的表面耗尽区的静电势分布： 表面电势表面电势s为为 注意此电势分布与单边的注意此电势分布与单边的n+-p结相结相同。同。 21-=WxssAsWqN22= 当当s大于大于B时表面即发生反型，然而，我们需要一个准则来表时表面即发生反型，然而，我们需要一个准则来表示强反型的起始点。超过该点表示此时反型层中的电荷数已相当显示强反型的起始点。超过该点表示此时反型层中的电荷数已相当显著。著。 8.4 MOSFET8.4 MO

47、SFET的阈值电压的阈值电压FEVEiECE半导体表面gEBqq)0(SSqix半导体氧化层FEVEiECE半导体表面gEBqq)0(SSqix半导体氧化层FEVEiECE半导体表面gEBqq)0(SSqix半导体氧化层半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 3434设定表面电荷等于衬底杂质浓度是一个简单的准则，即设定表面电荷等于衬底杂质浓度是一个简单的准则，即ns=NA.因为，因为，由式由式可得可得上式表示需要一电势上式表示需要一电势B将表面的能将表面的能带弯曲至本征的条件带弯曲至本征的条件(Ei=EF)，

48、接着，接着还需要一额外的电势还需要一额外的电势B，以将表面，以将表面的能带弯曲至强反型的状态。的能带弯曲至强反型的状态。 =kTqnNBiAexp=iABsnNqkTinvln22)( 当表面为强反型时，表面的耗当表面为强反型时，表面的耗尽区宽度达到最大值。因此，当尽区宽度达到最大值。因此，当s等于等于s(inv)时，可得到表面耗尽区时，可得到表面耗尽区的最大宽度的最大宽度Wm 。ABsAssmqNqNinvW)2(2)(2=sAsWqN22FEVEiECE半导体表面gEBqq)0(SSqix半导体氧化层FEVEiECE半导体表面gEBqq)0(SSqix半导体氧化层FEVEiECE半导体表面

49、gEBqq)0(SSqix半导体氧化层8.4 MOSFET8.4 MOSFET的阈值电压的阈值电压半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 3535或或AiAsmNqnNkTW2)/ln(2=和和)2(2BAsmAscNqWqNQ-= 硅和砷化镓中硅和砷化镓中Wm与杂质浓与杂质浓度的关系如图，且度的关系如图，且p型半导体中型半导体中NB等于等于NA，n型半导体中型半导体中NB等等于于ND。 8.4 MOSFET8.4 MOSFET的阈值电压的阈值电压SiGaAs1410151016101710181001.01

50、.017103Bcm/-N杂质浓度最 大 耗 尽 区 宽 度m/mmW半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 36368.4 MOSFET8.4 MOSFET的阈值电压的阈值电压cmWm17199171410106 . 11065. 910ln026. 01085. 89 .112=-例例1：一：一NA=1017cm-3的理想金属的理想金属-二氧化硅二氧化硅-硅二极管，试计算硅二极管，试计算表面耗尽区的最大宽度。表面耗尽区的最大宽度。 解：室温下kT/q=0.026V，且ni=9.65109cm-3，Si的介

51、电常数为11.98.8510-14F/cm，由式可得 mcmm1 . 0105=-半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 37378.4.1.3 8.4.1.3 理想理想MOSMOS结构结构的阈值电压的阈值电压 图图(a)为一理想为一理想MOS二极管的能带图，电荷二极管的能带图，电荷的分布情形如图的分布情形如图(b)所示。所示。在没有任何功函数差时，在没有任何功函数差时，外加的电压部分降落在外加的电压部分降落在氧化层，部分降落在半氧化层，部分降落在半导体，因此导体，因此 其中其中V0 x为降落在氧化层为降落在

52、氧化层上的电压。上的电压。Vs为半导体表面势。为半导体表面势。soxVVV+=8.4 MOSFET8.4 MOSFET的阈值电压的阈值电压半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 38388.4 MOSFET8.4 MOSFET的阈值电压的阈值电压OsoxsOoCQdQdEV=且由图且由图(c)可得可得其中其中E0为氧化层中的电场，为氧化层中的电场，Qs为半导体中每单位面积为半导体中每单位面积的电荷量，而的电荷量，而C0=oxox/d/d为为每单位面积的氧化层电容。每单位面积的氧化层电容。其相对应的静电势分布如

53、其相对应的静电势分布如图图(d)所示。所示。 半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 39398.4 MOSFET8.4 MOSFET的阈值电压的阈值电压 当强反型发生时，表面电势达到当强反型发生时，表面电势达到Vs(inv)，且注意每，且注意每单位面积的电荷为单位面积的电荷为qNAWm，可得在强反型刚发生时的，可得在强反型刚发生时的金属平行板电压，即阈值电压，为：金属平行板电压，即阈值电压，为： BOBAsBOmABOSSTCqNCWqNCQinvVVV2)2(222)(ox+=+=+=半导体器件物理半导体

54、器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 4040由上式和由上式和 另外：另外：MOS二极管的总电容二极管的总电容C是由氧化层电容是由氧化层电容C0与半导体与半导体中的势垒电容中的势垒电容Cj相互串联而成，如图。相互串联而成，如图。 其中其中Cj=s/W,如同突变如同突变p-n结一样。结一样。 )/(2cmFCCCCCjojo+=TV-+oCminCVdoCjC0TV-+oCminCTV-+oCminCVdoCjCVdoCjCdoCjC0VV /插图为串联的电容器部分图，虚线显示其近似高频VCMOS(a)VV /6 . 08 .

55、00 . 1010-20-1020o/CCHz10Hz102Hz104Hz103Hz1052SiOSi-316Acm1045. 1-=Nnm200=dVV /6 . 08 . 00 . 1010-20-1020o/CCHz10Hz102Hz104Hz103Hz1052SiOSi-316Acm1045. 1-=Nnm200=d图的频率效应VCb-)(图 5.7可以消去可以消去W而得到电容的公式为而得到电容的公式为 sAsWqN22=soVV+=OsoxsOoCQdQdEV=)/(211222cmFdqNVCCsAoxo+=8.4 MOSFET8.4 MOSFET的阈值电压的阈值电压半导体器件物理

56、半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 4141由由 反之，当强反型发生时，即使增加所施加的电压也反之，当强反型发生时，即使增加所施加的电压也无法增加耗尽区的宽度，表面电势达到无法增加耗尽区的宽度，表面电势达到s(inv)，且注意，且注意每单位面积的电荷为每单位面积的电荷为qNAWm，可得在强反型刚发生时的，可得在强反型刚发生时的金属平行板电压，即阈值电压：金属平行板电压，即阈值电压： 可见，当表面开始耗尽时，电容值将会随着金属平行板可见，当表面开始耗尽时，电容值将会随着金属平行板上的电压增加而下降当外加电压为负时，无耗尽

57、区产上的电压增加而下降当外加电压为负时，无耗尽区产生，将在半导体表面得到积累的空穴，因此，全部的电生，将在半导体表面得到积累的空穴，因此，全部的电容值将很接近氧化层电容容值将很接近氧化层电容ox/d )/(211222cmFdqNVCCsAoxo+=BOBAsSOmASOSTCqNinvCWqNinvCQV2)2(2)()(+=+=8.4 MOSFET8.4 MOSFET的阈值电压的阈值电压半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 4242 一理想一理想MOS二极管的典二极管的典型电容型电容-电压特性如图所示，

58、电压特性如图所示，包含耗尽近似与精确值包含耗尽近似与精确值(实实线线)值得注意的是，耗尽近值得注意的是，耗尽近似与精确值相当接近似与精确值相当接近 一旦当强反型发生时，势垒电容保持一旦当强反型发生时，势垒电容保持Cj=s/Wm的最小值，的最小值，总电容将总电容将msoxoxWdC)/(min+=TV-+oCminCVdoCjC0TV-+oCminCTV-+oCminCVdoCjCVdoCjCdoCjC0VV /插图为串联的电容器部分图，虚线显示其近似高频VCMOS(a)VV /6 . 08 . 00 . 1010-20-1020o/CCHz10Hz102Hz104Hz103Hz1052SiOS

59、i-316Acm1045. 1-=Nnm200=dVV /6 . 08 . 00 . 1010-20-1020o/CCHz10Hz102Hz104Hz103Hz1052SiOSi-316Acm1045. 1-=Nnm200=d图的频率效应VCb-)(图 5.7 对对n型衬底而言，所有的考虑，在经过变更相对应符型衬底而言，所有的考虑，在经过变更相对应符号与标志后号与标志后(如将如将Qp换成换成Qn)，也同样有效其电容，也同样有效其电容-电压电压特性亦有相同的外观，不过彼此将成镜面对称，且对于一特性亦有相同的外观，不过彼此将成镜面对称，且对于一n型衬底的理想型衬底的理想MOS二极管而言，其阈值电压

60、将为负值。二极管而言，其阈值电压将为负值。 8.4 MOSFET8.4 MOSFET的阈值电压的阈值电压半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 4343 然而，假如当测量频率足够低然而，假如当测量频率足够低时，使得表面耗尽区内的产生时，使得表面耗尽区内的产生-复合复合率与电压变化率相当或是更快时，率与电压变化率相当或是更快时，电子浓度电子浓度(少数载流子少数载流子)与反型层中与反型层中的电荷可以跟随交流的信号因此的电荷可以跟随交流的信号因此导致强反型时的电容只有氧化层电导致强反型时的电容只有氧化层电容容C0而