西交大微电子考研半导体器件2013

1、金属氧化物半导体场效应晶体管Metal Oxide Semiconductor Filed Effect TransistorMOSFET第16章 MOS结构基础（半导体物理第8章）第17章 MOS器件基础（物理结构、直流特性、动态特性等）第18章 非理想MOS（器件的阈值电压）第19章 现代MOS器件结构（小尺寸效应）复习：半导体表面空间电荷区通过外加偏压，借助于MOS结构可以在半导体表面产生空间电荷区。 表面耗尽层及反型层表面耗尽层耗尽层的宽度表面单位面积的电荷表面反型层表面开始强反型强反型后，表面势保持不变，耗尽层的宽度达到最大值表面开始强反型时的栅压（即阈值电压）:表面强反型后： 强反

2、型弱反型表面本征表面耗尽平带反型层沟道中性区氧化硅耗尽区耗尽层第17章 MOS器件基础MOSFET的物理结构OxideChannelDepletion layerMOSFET由一个MOS电容和靠近MOS栅控区域的两个PN结组成。栅氧化层硅衬底源区沟道区漏区1、 MOSFET的基础知识P-Si衬底金属 Al（Al 栅）重掺杂的多晶硅（硅栅，n+poly-si 、p+poly si）Polycide（多晶硅/难融金属硅化物）漏电极（欧姆接触）源电极（欧姆接触）体电极（欧姆接触）栅氧化层漏PN结源PN结结构参数：沟道长度 L、沟道宽度 W 、栅氧化层厚度 源漏pn结结深材料参数：衬底掺杂浓度 、载流

3、子迁移率版图多晶硅有源区金属器件版图和结构参数端电压和端电流的定义MOSFET是一个四端器件：栅 G 、源 S、漏 D 和衬底 B以源端为电压参考点，端电压定义为:体源电压漏源电压栅源电压MOSFET正常工作时，D、B和S端所加的电压要保证源、漏pn结处于反偏。在直流工作下的器件，通常假设器件只有漏源电流（简称漏电流）并将流向漏极方向的电流定义为正。工作原理的简单描述耗尽区B沟道在栅压为零时，源电极和漏电极被两个背靠背的pn结隔离，这时即使在源漏之间加上电压，也没有明显的漏源电流（忽略pn结的反向漏电流）当在栅上大于阈值电压时，沟道区就会形成反型层，它把源区和漏区连通，形成导电沟道，这时如果在

4、漏源间加有一定的偏压，就会有明显的电流流过。MOSFET的 输出特性MOSFET的转移特性输出特性和转移特性曲线MOSFET的电流由栅压引起的纵向电场和漏电压引起的横向电场电场控制 ，因而称为场效应晶体管。SaturatedOhmic MOSFET的分类按照沟道类型分类NMOS：衬底为P型，源、漏区为重掺杂的n+, 沟道中载流子为电子PMOS：衬底为N型，源、漏区为重掺杂的P+，沟道中载流子为空穴MOSFET共有4种类型：NMOS增强型、NMOS耗尽型，PMOS增强型、PMOS耗尽型按照工作模式分类增强型：零栅压时不存在导电沟道耗尽型：零栅压时存在导电沟道NMOS：电压更正的称漏PMOS：电压

5、更正的称源NMOS：衬底接最低电位PMOS：衬底接最高电位源：提供载流子漏：吸收载流子不作特别声明时，假设源和体短接。电子空穴 MOSFET的静电特性栅下的电场是二维半导体表面处于非平衡态表面空间电荷沿 y方向变化沿y方向有电流流动，反型层与体内不再有统一的费米能级，电子的准费米能级和空穴的准费米能级在沟道区是分开的。MOSFET的二维能带图非平衡状态，表面强反型定义沟道y点强反型时表面势缓变沟道近似（Gradual Channel Approximation）假定平行于沟道方向的电场梯度远小于于垂直于沟道方向的电场梯度 （In the channel the variation of the

6、 electric field along the channel is much less than the corresponding variation perpendicular to the channel.）应用GCA，表面空间电荷区的泊松方程：（忽略空穴电荷）薄层电荷近似(Charge Sheet Approximation)假定反型层厚度为零，即在垂直于沟道方向上，反型层上没有压降。耗尽层电荷沟道y点强反型时表面势沟道y点强反型时反型层电荷：沟道y点强反型时的栅体电压：沟道y点强反型时的栅源电压：MOSFET阈值电压定义为源端反型时的栅源电压:MOSFET阈值电压对于长道器件，

7、GCA近似除在漏端附近不成立外，在沿沟道方向的大部分区域都是有效的。若在沿沟道方向的大部分区域不成立，则会使mosfet工作复杂化。缓变沟道近似使MOST结构分解成两个一维结构。垂直于沟道方向（x方向）的电场主要由栅压控制，而平行于沟道方向（y方向）的电场由漏电压控制。这两个电场近似独立，没有强的相互作用。如何保证缓变沟道近似使成立：沟道是长的，栅氧化层薄，且应该保持LTox。GCA的有效性取决于沟道长度和所施加的漏电压基本假定2、缓变沟道近似成立3、反型层载流子迁移率为常数4、忽略PN结泄漏电流、忽略源、漏区体电阻5、稳态时，2、长沟道MOSFET的直流特性1、长而宽的MOSFET沟道中任意

8、一点的电流密度：沿沟道方向对上式积分：2.1）电流-电压方程假设强反型后，源漏电流是反型层载流子的漂移电流一级模型：平方律理论假定non-physical在电流的峰值处：夹断夹断时的源漏电压称为饱和电压：夹断点的漏电流称为饱和电流夹断的条件根据VDS，电流分成两个区间：线性区和饱和区线性区饱和区截止区饱和区线性区夹断后：导电沟道和漏端分离，导电沟道上的电压降保持在VGS-VTn，VDS再增加，增加的部分全部降落在夹断区，夹断点向源端方向移动，夹断区展宽若L L，漏电流维持在IDsat (即：饱和区的电流是外推得到的)工艺跨导参数：阈值电压：单位：A/V2沟道宽长比：当VDS较小：沟道电阻：体电荷模型（Bulk charge Model）体电荷模型的IDS、Vdsat比一级模型计算的结果要小2.2）亚阈值电流当VGS3Vt时，IDsub与VDS无关亚阈值电流与温度有强烈的依赖关系，低温时亚阈值电流随VGS变化陡峭长沟道器件亚阈值电