5.1场效应晶体管-MOSFET

1、第三部分 场效应晶体管第七章：MOSFET一、MOS电容二、MOSFET定性分析三、MOSFET定量分析半导体器件原理南京大学引言（1）基本概况 晶体管的分类：双极型晶体管（少子与多子参与导电）单极型晶体管（电流由多数载流子输运）。硅平面工艺和外延技术的发展，实现了对器件尺寸的较精确的控制。对硅二氧化硅界面特性的研究及表面态密度的控制，使场效应管得到了显著的发展。半导体器件原理南京大学电压控制器件(MOSFET)利用加在栅极与源极之间的电压来控制输出电流。饱和区工作电流IDSS会随VGS而改变。电流控制器件(BJT)利用基极电流控制集电极电流。半导体器件原理南京大学场效应管的分类：表面场效应管

2、（绝缘栅场效应管IGFET和MOS场效应管）。结型场效应管（JFET），使用PN结势垒电场控制导电能力的体内场效应管。薄膜场效应管（TFT）采用真空蒸发工艺制备在绝缘衬底上。结构与原理类似表面场效应管。半导体器件原理南京大学性能比较输入阻抗高：（103-106与109-1015）。噪声系数小。多子输运电流，不存在散粒噪声和配分噪声。功耗小，可用于制造高密度的半导体集成电路。温度稳定性好。多子器件，电学参数不易随温度而变化（n与）。抗辐射能力强：双极型晶体管的下降（非平衡少子的寿命降低），而场效应管的特性变化小（与载流子寿命关系不大）。其它：工艺卫生要求较高，速度较低。半导体器件原理南京大学半导

3、体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学Roadmap to the Future半导体器件原理南京大学（2）MOS场效应管的四种类型1）P沟增强型：在零偏栅极电压下，半导体表面处于积累状态（界面正电荷的作用）。在负偏达到VT值时，形成P型沟道。栅极电压的增大可增强沟道的导电能力。开启电压VT/N型衬底。半导体器件原理南京大学2）P沟耗尽型：在零偏栅极电压下，半导体表面存在P型沟道（采用B离子注入的方法）。在正偏达到Vp值时，使能带下弯，减弱P型沟道的导电能力直至消失。截止电压VP/N型衬底。半导体器件原理南京大学3）N沟增强型：在零偏栅极电压下，半导体表面处于耗尽（界面正电荷的作用）。在正偏

4、达到VT值时，形成N型沟道。栅极电压的增大可增强沟道的导电能力。开启电压VT/P型衬底。（严格控制氧化层中正电荷密度）。半导体器件原理南京大学4）N沟耗尽型：在零偏栅极电压下，半导体表面存在N型沟道（氧化层中正电荷密度较大而衬底浓度较低）。在负偏达到Vp值时，使能带下弯，减弱N型沟道的导电能力直至消失。截止电压VP/P型衬底。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学（3）MOS场效应管的特征双边对称：电学性质上源漏可相互交换。单极性：一种载流子参与导电。高输入阻抗：栅和其他端点之间不存在直流通道。电压控制：输入功率很低而有较高的输出能力。自隔离：不同晶体管之间由于背靠背二极管的作用半导体器

5、件原理南京大学MOSFET的基本结构图半导体器件原理南京大学NFET的简单电路半导体器件原理南京大学典型FET的特性曲线半导体器件原理南京大学用水流类比FET的工作半导体器件原理南京大学用I-V决定晶体管在电路中的工作状态模拟电路：控制信号的微小变化，可以引起输出信号的较大变化（旋钮）数字电路：输入端的变化等价于搬动一个闸刀，控制晶体管中是否有电流通过。具体工作方式由外围电路决定。半导体器件原理南京大学用于电流推导的NFET的几何图示半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学CMOS反向器半导体器件原理南京大学CMOS反向器电路图一、MOS电容理想MOS结构的定义首先讨论p-Si作为衬底的理

6、想的MOS结构。所谓理想的MOS结构满足如下一些条件：金属与半导体的功函数相同，即： M = S Vms=0氧化层是理想的绝缘体，即电阻率无穷大，没有体电荷和缺陷态存在； Qox=0氧化层与半导体Si界面是理想的界面，即没有界面电荷和界面态存在；金属与氧化层界面是理想的界面，没有界面缺陷存在。 Qss=0理想MOS结构的各种状态在理想的情形，由于在Si中没有净的电流存在，因此，在各种栅压条件下， Si内费米能级将保持平直，这意味着在各种栅压下，半导体都可作为热平衡状态处理。通常将Si表面电势相对于Si体内电势的变化称为表面势。在各种栅压条件下，MOS结构的能带将会出现：积累、平带、耗尽、反型等

7、几种情形。需要了解不同栅压下，表面势、电荷分布的变化情况。不同偏置下的能带图与电荷分布MOS CV特性各种状态下的电势和电荷分布积累和耗尽情形（1）在硅中费米能级依然是常数。（2）空穴积累时，空穴浓度在硅表面处比体中大，硅表面处EV 和EF比较接近，能带向上弯曲。积累的表面空穴分布在硅表面很窄的德拜长度内，可近似看成薄层电荷，这一情形和平行板电容相似。（3）耗尽时，Si表面出现载流子耗尽，表面电荷表现为耗尽电荷。耗尽层随栅压的增加而变宽（以增加耗尽电荷量）。反型时达到反型后，随栅压增加，在半导体表面区域的电荷将包括耗尽电荷和反型的载流子电荷两部分；而且随栅压的增加将只有很小的电势降在半导体上，

8、因为半导体表面很小的电势增量将使电子浓度增加很多半导体器件原理南京大学（一）表面势 P type Si N type Si半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学电压偏置表面电场表面势表面空间电荷区能带半导体类型表面状况VG0指向半导体内s0负下弯P型N型耗尽或反型积累VG0指向半导体外s 2VB ,反型层也来不及建立, 耗尽层宽度随偏压幅度的增大而增大-深耗尽状态当表面处于深耗尽-随VG增加, d增加(dM), MOS结构的电容不再呈现为最小值.非理想MOS电容的热平衡P型硅里的空穴的平均能量比金属中空穴的平均能量要高，达到热平衡时将发生空穴从硅向金属移动，硅表面能带向下弯曲。 热平衡时

9、，Vg=01) 在材料界面处EC和EV突变2）在SiO2上压降大小与硅中表面势和费米能级Ef 有关，因为没有电流流过SiO2，这一电压可以维持下去。3）存在势垒限制载流子在金属与半导体之间运动4）在硅表面，EV 离EF较远，表面空穴耗尽。非理想MOS电容的偏置通过外加栅压VFB=M S，可以使半导体恢复到平带，所加的电压称为平带电压。平带电压是MOS结构主要的物理参量之一，通过确定平带电容来确定。1）因为二氧化硅使得Si中不存在电流，所以Si中的费米能级EF是常量。2) EC 和EV 是平的，没有弯曲，硅中空穴和电子浓度各处相等，可知硅和二氧化硅中电场强度为零。3) 所对应的情况称为平带情形，

10、所加的电压称为平带电压VFB， VFB= MS 。半导体器件原理南京大学a: 低频：产生与复合跟得上交流电压的变化，电子电荷Qn对空间电荷区电容产生贡献.在接近强反型区，CS主要由Qn的变化决定（远大于CD），并随VG的增大而增大。半导体器件原理南京大学（1）VG0时的耗尽区表面能带向下弯曲，表面变为耗尽区，空间电荷区的负空间电荷主要是电离受主杂质。耗尽层宽度W随VG的增大而增大，耗尽层电容随之减小。半导体器件原理南京大学（4）反型区VG VT, VS 2VB, 表面强反型, CSC很大, (C/Cox)1 VG进一步增大，表面出现反型，负空间电荷包括电离受主杂质和电子。 当s2 F时，出现强

11、反型，空间电荷区宽度达极大值。强反型区的电子会屏蔽表面电场，表面势的变化仅引起空间电荷区宽度的微小变化。一旦反型层（Inversion）形成，电容开始增加，Si电容逐渐开始转变为主要由反型层电荷随表面势的变化决定。MOS结构的C-V特性反型区: 反型层中的电子数目的变化依靠耗尽层中电子空穴对的产生或复合来实现。图8-11掺杂,氧化层厚度对C-V曲线的影响: 掺杂越大, or/and 氧化层厚度dox越大 CFB/COX越大 VT越大极值右移 CdM越大极值上移半导体器件原理南京大学b: 高频：耗尽层中的电子的产生与复合跟不上交流电压的变化，Qn的变化对微分电容不起作用。 表面积累,表面耗尽,高

12、低频特性一样 VGVT, VS2VB, 表面强反型, 高频时,反型层中电子的增减跟不上频率的变化,空间电荷区电容呈现的是耗尽层电容最小值MOS结构的电容也呈现最小值不再随偏压VG呈现显著变化 反型层电荷主要由少数载流子决定，在低频时，它随电场的变化而变化，反型电容起重要作用。当频率高于某一频率值时，反型层电荷（少子电荷）将不能交变信号，即少子的产生复合的速度跟随不上电场频率的变化，于是反型层电荷将不随交变电场变化，这意味着与反型层电荷相关的交变电容为0。假设少子的响应时间由少数载流子产生复合电流决定。在响应时间内，要能够产生足够的少子补偿耗尽层电荷的作用则响应时间为： 该值的典型值为：0.11

13、0秒。因此，当交变电压信号的频率高于100Hz时，反型层电荷将跟不上栅压的变化，只有耗尽电荷（多子行为）能够跟随电压信号的变化而变化，于是，Si电容只由耗尽层电容决定，由此确定的最小电容值发生在发生强反型的最大耗尽层厚度情形，表达式为：图8-12半导体器件原理南京大学n-Si与p-Si的MOS CV曲线半导体器件原理南京大学（四）栅材料与氧化层的影响1）金属半导体功函数差的影响金属加偏压VFB，拉平半导体表面能带，去除表面空间电荷区。半导体器件原理南京大学金属半导体功函数差的作用：使CV曲线向左平移。当绝缘层中有分布电荷,则有: 其中,氧化层中总有效电荷面密度实际MOS结构的阈值电压: VT=

14、 VT1+ VFB VT1= VOX+ VS = -(QdM/COX)+ 2VB VFB= - VMS -(QOX/COX) C-V特性的应用求氧化层厚度dOX: COX dOX求半导体掺杂浓度NA(ND): Cmin + dOX NA(ND) 计算,或表8-12求氧化层中总有效电荷面密度QOX: dOX + NA CFB VFB QOX半导体器件原理南京大学2）多晶硅与耗尽效应功函数与平带电压在集成电路技术中，传统的栅电极为重掺杂多晶硅栅。重掺杂多晶硅作为栅电极的好处是其功函数通过掺杂进行调制。通常，将nMOS和pMOS的多晶硅栅电极的费米能级分别调至导带和价带附件，即EF=EC 或EF=E

15、V，功函数差分别为：半导体器件原理南京大学耗尽效应（未形成足够重掺杂时）引入寄生电容，减小反型层电荷密度和MOSFET跨导半导体器件原理南京大学掺杂浓度半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学3）介质中电荷与界面态（1）三种表面：清洁表面，真实表面，表面生长氧化层。清洁表面和真实表面内表面： 类似于清洁表面，有受主能级又有施主能级。易与体内交换电子快态（ms）。外表面： 具有表面能级（离子吸附与杂质沾污），密度与周围气氛有关，难与体内交换电子慢态。半导体器件原理南京大学（2）界面附近的固定正电荷分布在近界面10 nm 内，1011-1012/cm2电子积累，n变为n+；空穴耗尽甚至反型，p

16、变为n。硅正离子或氧空位，依赖于工艺条件或晶向。半导体器件原理南京大学界面态密度： (100) (110) (111) 干氧氧化：界面态较高 湿氧氧化：界面态较低氧化后进行低温处理，减少界面态。（3）SiSiO2界面态类似于真实表面的内表面态，施主与受主。 p型：界面态施主型。 氧化过程引入的杂质或晶体中杂质的外扩散。 n型：界面态受主型。 悬挂键及晶格失配所引起。半导体器件原理南京大学（4）氧化层中的可动电荷来源：沾污氧化层外表面的正离子，在电场或温度的作用下，漂移到近界面处。影响：在硅表面处感应负电荷，影响器件的稳定性。成份：Na+，K+，Li+，H+。热氧化后去除表层氧化层，采用P处理,

17、 无钠清洁工艺 用氮化硅作表面钝化。半导体器件原理南京大学（5）电离陷阱高能射线照射下，在二氧化硅中产生电子空穴对，在负极附近产生正的空间电荷区，即电离陷阱。解决：在H2或N2中退火。半导体器件原理南京大学4）介质中电荷与界面态的影响(1)表面势固定于界面SiO2一侧正电荷QSS的存在，使半导体表面及金属电极上感生出负电荷-Qsc及-Qm。正电荷作用下，半导体表面能带下弯，类似于外加正偏压的影响。平带电压VFB，这时QSC=0，电场集中在SiO2内，VFB =QSS/ COX 。正电荷的影响：CV曲线沿-VG移动了距离VFB（P和N型）。半导体器件原理南京大学（2）界面陷阱电容（并联于硅电容）（3）表面产生复合中心（减小少子寿命）在耗尽时起作用，而在反型或积累时不起作用。（4）表面态或陷阱帮助的带到带隧穿半导体器件原理南京大学（二）静电势与电荷分布半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学a: s0, 空穴积累b: 0 s F： Qs 0, 空穴耗尽（高阻势垒区），忽略耗尽层载流子浓度。负空间电荷随s增大的速度变慢。外加负偏压的增加，使s增大，Qsc指数上升。(空穴对表面电场的屏蔽作用）半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学c: F s 2F：从p区反型成n区，弱反型。 s 2F，强反型。Qsc随s指数上