半导体器件——第四章

1、栅极采用栅极采用PN结结构结结构栅极采用栅极采用MOS结构结构结型场效应晶体管结型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管4.2 绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管4.2.1 理想理想MOS结构结构 金属金属氧化物氧化物半导体半导体结构，构成结构，构成MOS管。管。MOS结构是绝缘栅型场效应晶体结构是绝缘栅型场效应晶体管开关控制的核心部分。金属层引出的电极称为栅极，栅电压的正负是相对硅衬管开关控制的核心部分。金属层引出的电极称为栅极，栅电压的正负是相对硅衬底电压而言的。底电压而言的。理想理想MOS管平衡态的能带图管平衡态的能带图1、 理想理想MOS结构的特征结构的特征(1)零

2、偏条件下，金属与零偏条件下，金属与半导体的功函数差为半导体的功函数差为0，即，即功函数：费米能级与真空能级之间的能量差功函数：费米能级与真空能级之间的能量差理想情况下，平衡态时理想情况下，平衡态时MOS结构的能带图没有发生弯曲。结构的能带图没有发生弯曲。金属的功函数表示为电子由金属内部逸出到真空中所需要的最小能量。金属的功函数表示为电子由金属内部逸出到真空中所需要的最小能量。功函数的大小标志着电子在金属中束缚的强弱，功函数越大，电子越不容易离开金属。功函数的大小标志着电子在金属中束缚的强弱，功函数越大，电子越不容易离开金属。 （2）在任何直流偏置下，绝缘层内无电荷且绝缘层，完全）在任何直流偏置

3、下，绝缘层内无电荷且绝缘层，完全 不导电。不导电。（3）绝缘层与半导体界面不存在任何界面态。）绝缘层与半导体界面不存在任何界面态。2、 理想理想MOS结构在结构在非平衡态非平衡态时的能带图时的能带图VG 0时，理想时，理想MOS管的能带图管的能带图VG 0时，理想时，理想MOS管的能带图管的能带图VG 0时，金属费米能级时，金属费米能级相对于半导体费米能级相对于半导体费米能级下降下降qVG。能带弯曲的方向与费米能带弯曲的方向与费米能级变化的方向相同。能级变化的方向相同。半导体表面能带向下弯曲。半导体表面能带向下弯曲。在半导体与氧化物的界面在半导体与氧化物的界面处（即，能带发生弯曲的处（即，能带

4、发生弯曲的区域），费米能级更远离区域），费米能级更远离价带，意味着该区域空穴价带，意味着该区域空穴浓度降低。浓度降低。界面处出现了多数载流子的界面处出现了多数载流子的耗尽耗尽。+VG 0时，理想时，理想MOS管的能带图管的能带图VG 0时，金属费米能时，金属费米能级相对于半导体费米能级相对于半导体费米能级进一步下降。级进一步下降。半导体表面能带进一步半导体表面能带进一步向下弯曲。向下弯曲。栅压增大到一定值时，栅压增大到一定值时，半导体表面处费米能级半导体表面处费米能级高于本征费米能级。表高于本征费米能级。表面处电子浓度超过空穴面处电子浓度超过空穴浓度。此时半导体表面浓度。此时半导体表面出现出现

5、“反型反型”。若反型层内电子浓度较低，称为若反型层内电子浓度较低，称为“弱反型弱反型”；若反型层内电子浓度等于体内多子浓度时，称为若反型层内电子浓度等于体内多子浓度时，称为“临界强反型临界强反型”。通常认为，半导体表面在临界强反型时才具有导电能力。通常认为，半导体表面在临界强反型时才具有导电能力。+从从MOS管电容理论，理解半导体表面的反型管电容理论，理解半导体表面的反型正的栅压会将半导体表面的空穴推向体内，同时把半导体正的栅压会将半导体表面的空穴推向体内，同时把半导体体内的电子吸引到表面区域，体内的电子吸引到表面区域，p型硅衬底表面（硅衬底与绝型硅衬底表面（硅衬底与绝缘层界面处）的电子浓度升

6、高，出现反型。缘层界面处）的电子浓度升高，出现反型。P表面电子浓度升高到与体内多子浓度相当时，为临界强反表面电子浓度升高到与体内多子浓度相当时，为临界强反型。此时，半导体表面形成导电沟道，沟道中电子为多子，型。此时，半导体表面形成导电沟道，沟道中电子为多子，因此称为因此称为n沟道。沟道。3、 理想理想n型衬底型衬底上上MOS结构的能带图结构的能带图（a）平衡态）平衡态（b）表面积累）表面积累+（c）表面耗尽）表面耗尽（d）表面反型）表面反型 4、 表面势表面势表面势是用于表征半导体表面能带弯曲程度的参数。表面势是用于表征半导体表面能带弯曲程度的参数。对于对于p型半导体：型半导体：若若sp0,表

7、面空穴积累表面空穴积累；若若s0，则能带向下弯，则能带向下弯， 表面表面耗尽或反型耗尽或反型；（耗尽：表面仍为（耗尽：表面仍为p型，型， psp0, 反型：表面为反型：表面为n型。）型。）反型时能带弯曲程度大于耗尽反型时能带弯曲程度大于耗尽费米势：本征费米能级与费米势：本征费米能级与 体内费米能级之差。体内费米能级之差。若若0sf ，半导体表面本征费米能级弯曲至费米能级之下，半导体表面本征费米能级弯曲至费米能级之下， 表面反型表面反型；若若s=2f ，ns=p0，半导体表面进入临界强反型状态，具有半导体表面进入临界强反型状态，具有 较强的导电能力。较强的导电能力。5、 MOS管性能的描述管性能

8、的描述 电容电容-电压特性电压特性4.2.2 MOSFET 结构及其工作原理结构及其工作原理源源漏漏栅栅栅氧栅氧场氧场氧栅长栅长1、栅压对源、栅压对源-漏电流开关的控制漏电流开关的控制当栅极不加电压时，无论当栅极不加电压时，无论S-D之间加什么极性的电压，均被之间加什么极性的电压，均被反偏反偏PN结隔离，源漏之间无电流，处于关态；结隔离，源漏之间无电流，处于关态；若要源漏导通，则需要在源漏之间形成一个导电通道：对于源漏若要源漏导通，则需要在源漏之间形成一个导电通道：对于源漏为为n型，需要形成型，需要形成n型导电通道，即栅极加正向偏压。型导电通道，即栅极加正向偏压。VG0，但较小，靠近绝缘层的半

9、导体表面处于耗尽状态。源漏，但较小，靠近绝缘层的半导体表面处于耗尽状态。源漏之间仍然不导通。之间仍然不导通。VG增大到一定值时，半导体表面开始反型，绝缘栅下出现电子层。增大到一定值时，半导体表面开始反型，绝缘栅下出现电子层。当栅压增大到足以使半导体表面临界强反型时，反型层内电子当栅压增大到足以使半导体表面临界强反型时，反型层内电子浓度足够大，形成导电能力较强的浓度足够大，形成导电能力较强的n型导电沟道，此时，导电沟道型导电沟道，此时，导电沟道将将n型源漏连接起来，源漏处于开态。型源漏连接起来，源漏处于开态。若处于弱反型状态，若处于弱反型状态，n型沟道的导电能力较差，源漏之间仍处于关型沟道的导电

10、能力较差，源漏之间仍处于关态；态；阈值电压阈值电压半导体表面发生临界强反型时所加的栅极电压半导体表面发生临界强反型时所加的栅极电压VG称为称为MOSFET的的阈值电压，用阈值电压，用VT表示。表示。沟道开启以后，若继续增大沟道开启以后，若继续增大VG，沟道中电子浓度按指数规律增加，沟道中电子浓度按指数规律增加，沟道的导电能力迅速增大，在源漏电压不变的情况下，源漏之间的沟道的导电能力迅速增大，在源漏电压不变的情况下，源漏之间的电流迅速增大。电流迅速增大。转移特性转移特性固定源漏电压固定源漏电压VSD，源漏电，源漏电流流ID随随VG的变化关系，称的变化关系，称为为MOSFET的转移特性。的转移特性

11、。输出特性输出特性VGSVT为参量，源漏电流为参量，源漏电流ID随随VDS的变化关系，称为的变化关系，称为MOSFET的输出特性。的输出特性。VDS很小时（很小时（VT的条件下，越大，反型沟道中的载流子浓度越高，的条件下，越大，反型沟道中的载流子浓度越高，对应的源漏电流对应的源漏电流ID越大。越大。输出特性输出特性转移特性转移特性阈值电压阈值电压源漏饱和电压源漏饱和电压源漏击穿电压源漏击穿电压4.2.3 影响影响MOSFET阈值电压的因素阈值电压的因素1、对阈值电压的理解、对阈值电压的理解临界强反型：反型层中的电子临界强反型：反型层中的电子浓度与半导体体内多子浓度相等。浓度与半导体体内多子浓度

12、相等。 即即s=2f ，半导体表面进入，半导体表面进入临界强反型状态。临界强反型状态。当表面电子浓度与体内多子浓度当表面电子浓度与体内多子浓度相等时：相等时：Ei（体内）（体内）-EFs= EFs - Ei（表面）（表面）2、理想、理想MOSFET的阈值电压的阈值电压半导体耗尽层上的分压：半导体耗尽层上的分压：这部分电压引起半导体这部分电压引起半导体表面能带弯曲。表面能带弯曲。绝缘层上的分压：绝缘层上的分压：这部分电压不能这部分电压不能引起半导体表面引起半导体表面能带弯曲。能带弯曲。栅氧层的性质栅氧层的性质（氧化层的介电常数、（氧化层的介电常数、厚度、面积等）会影响阈值电压的厚度、面积等）会影

13、响阈值电压的大小。大小。衬底的性质衬底的性质（掺杂浓度、本征载流子（掺杂浓度、本征载流子浓度）会影响阈值电压的大小；浓度）会影响阈值电压的大小；3、金属半导体功函数差对、金属半导体功函数差对MOSFET阈值电压的影响阈值电压的影响实际情况下，金属功函数与半导实际情况下，金属功函数与半导体功函数会存在一定的差值。体功函数会存在一定的差值。实际情况下，在平衡态时，半实际情况下，在平衡态时，半导体表面能带已经发生了弯曲。导体表面能带已经发生了弯曲。实际情况下，在平衡态时，半实际情况下，在平衡态时，半导体表面能带偏离了理想情况。导体表面能带偏离了理想情况。通过外加电压，恢复成理想情况通过外加电压，恢复

14、成理想情况能带无弯曲（平带）。能带无弯曲（平带）。使能带恢复为平带的外加电压使能带恢复为平带的外加电压称为平带电压。称为平带电压。平带电压的大小等于金属半导体的功函数差平带电压的大小等于金属半导体的功函数差4、氧化层及界面电荷对、氧化层及界面电荷对MOSFET阈值电压的影响阈值电压的影响氧化层及界面电荷的存在会使半导体表面产生电氧化层及界面电荷的存在会使半导体表面产生电场，能带发生弯曲，偏离理想情况。需要施加平场，能带发生弯曲，偏离理想情况。需要施加平带电压，恢复成能带无弯曲的情况。这种情况下，带电压，恢复成能带无弯曲的情况。这种情况下，平带电压的大小与绝缘层中电荷数相关。平带电压的大小与绝缘

15、层中电荷数相关。影响影响MOSFET阈值电压的因素主要有：阈值电压的因素主要有：1、半导体衬底性质、半导体衬底性质掺杂浓度掺杂浓度NA、本征载流子浓度、本征载流子浓度ni；综上综上MOSFET阈值电压的表达式：阈值电压的表达式：2、绝缘层电容大小、绝缘层电容大小绝缘层介电常数、厚度、面积；绝缘层介电常数、厚度、面积；3、金属半导体的功函数差；、金属半导体的功函数差；4、绝缘层中电荷数量。、绝缘层中电荷数量。5、MOSFET的分类的分类n沟道、沟道、p沟道沟道导电沟道类型导电沟道类型增强型、耗尽型增强型、耗尽型栅压为栅压为0时，源漏是否导通时，源漏是否导通4.2.4 MOSFET的电流的电流-电

16、压关系电压关系栅宽栅宽栅长栅长载流子的迁移率载流子的迁移率绝缘层电容绝缘层电容LCWoxn22DSDSTGSDVVVVI非饱和区：非饱和区：饱和区：饱和区： 进入饱和区后，电流进入饱和区后，电流几乎不再受源漏电压的几乎不再受源漏电压的影响，在影响，在VGS一定值时，一定值时，漏极电流保持恒定。漏极电流保持恒定。 该电流值等于该电流值等于B点的电点的电流值流值.B点对应的源漏电压点对应的源漏电压即为源漏饱和电压：即为源漏饱和电压：TGSDsatVVV22DSDSTGSDVVVVI源漏饱和电压源漏饱和电压22TGSDsatVVI饱和区：饱和区：输出特性曲线上，输出特性曲线上，VDS=VGS-VT的

17、曲线为临界饱和线。的曲线为临界饱和线。非饱和区：非饱和区：22DSDSTGSDVVVVI22TGSDsatVVI饱和区：饱和区：跨导跨导跨导的大小反应栅压对漏极电流的控制能力。跨导越大，控制跨导的大小反应栅压对漏极电流的控制能力。跨导越大，控制能力越强。能力越强。LCWoxn4.2.6 MOSFET的击穿的击穿1、栅介质的可靠性与栅介质的击穿、栅介质的可靠性与栅介质的击穿当栅压过大时，栅介质会发生击穿。若栅介质发生击穿，当栅压过大时，栅介质会发生击穿。若栅介质发生击穿，半导体表面的载流子会发生泄露，导电沟道消失。半导体表面的载流子会发生泄露，导电沟道消失。（a）三角形势垒遂穿）三角形势垒遂穿（

18、b）直接遂穿）直接遂穿在大电场或大电流的作用在大电场或大电流的作用下，栅介质中缺陷密度增下，栅介质中缺陷密度增加，形成导电通道，栅介加，形成导电通道，栅介质完全击穿。质完全击穿。2、源漏击穿、源漏击穿随着源漏电压的增大，导电沟道出现夹断。电压继续增大，随着源漏电压的增大，导电沟道出现夹断。电压继续增大，耗尽区的电场增强，引起雪崩击穿，耗尽区的电场增强，引起雪崩击穿，ID急剧增大。急剧增大。在曲率半径大的区域，电场最强，该区域最容易发生雪崩击在曲率半径大的区域，电场最强，该区域最容易发生雪崩击穿。穿。4.2.10 MOSFET的等比例缩小的等比例缩小ox221、理想、理想MOS管的能带结构管的能

19、带结构平衡态平衡态非平衡态非平衡态外加电压外加电压能够根据非平衡态时能带结构，判能够根据非平衡态时能带结构，判断出半导体表面的状态：积累、耗断出半导体表面的状态：积累、耗尽、反型（弱反型、临界强反型）尽、反型（弱反型、临界强反型）2、表面势、表面势理解表面势的含义：理解表面势的含义： 表征能带弯曲程度表征能带弯曲程度结合能带图，分析表面势不同取值时，能带弯曲的情况，结合能带图，分析表面势不同取值时，能带弯曲的情况，进而判断进而判断MOS管半导体表面状态。管半导体表面状态。3、MOSFET的工作原理的工作原理转移特性转移特性增强型增强型 n沟道沟道 MOSFET1、为什么栅极电压要达到一定、为什么栅极电压要达到一定值时，源漏才有电流流过？值时，源漏才有电流流过？2、源漏开始导通时，、源漏开始导通时，MOS结构结构中半导体表面处于哪种状态？中半导体表面处于哪种状态？输出特性输出特性源漏饱和电压源漏饱和电压VDsat漏端沟道夹断漏端沟道夹断TGSDsatVVV转移特性转移特性4、MOSFET的阈值电压的阈值电压阈值电压阈值电压影响阈值电压的因素：影响阈值电压的因素：非理想非理想MOS的能带图的能带图实际MOS管在平衡态时半导体侧能带会发生弯曲，这与理想MOS管在平衡态时的能带有一定的区别，引起实际情况与